材料科学基础-铁碳相图

材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience第四章Fe-Fe3C相图Fe-Fe3Cphasediagram4.1铁碳合金组元性质4.2Fe-Fe3C相图分析★★★★4.3铁碳合金平衡结晶过程★★

★★4.4Fe-Fe3C相图的应用★★4.5碳钢★Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。因此，铁碳相图有两类：

Ⅰ

液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％

Ⅱ

液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0～100％。

123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγαγ＋CmL+Cmα＋CmFeFe3Cγ+L4.1铁碳合金中的组元及相

纯铁（iron）1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe力学性能：σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％

HB＝50～80aK＝1.5～2MNm/m2应用：主要应用于电子材料，作为铁芯。碳在α-Fe中的间隙固溶体称为α铁素体，简称为铁素体(Ｆ)；最大溶碳量为727℃时的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能为：σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、δ30%~50%，αk160~200J/㎝2、硬度~80HB。碳在δ-Fe中形成的间隙固溶体称为δ铁素体，(δ)，最大溶碳量为1495℃时的0.09％。铁素体（Ferrite）碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。奥氏体（Austenite）渗碳体（Cementite）渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(σb)30MPa、伸长率(δ)~0、冲击韧度(αk)~0。珠光体（Pearlite）F＋Fe3C的一种机械

混合物，用符号P表

示，其组织为层片状

结构，综合了铁素体

和渗碳体优点，其综

合力学性能好。莱氏体（Ledeburite）莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆。4.2Fe-Fe3C

相图分析FeT°Fe3C

Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)符号温度/℃

ω（C）/%说明A1538℃0纯铁的熔点B1495℃0.53包晶转变时液态合金的成分C1148℃4.30共晶点D1227℃6.69渗碳体的熔点E1148℃2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F1148℃6.69共晶反应生成的渗碳体G912℃0α-Fe向γ-Fe转变温度（A3）H1495℃0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J1495℃0.17包晶点K727℃6.69共析反应生成的渗碳体M770℃0纯铁的磁性转变点N1394℃0γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）O770℃～0.5ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度P727℃0.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S727℃0.77共析点（A1）Q600℃0.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C七个两相区：L＋δ，L＋γ，L＋Fe3C，δ＋γ

，

α＋γ，α＋Fe3C，γ＋Fe3C两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230℃的虚线（渗碳体的）三条水平相变线：HJB——包晶转变线

ECF——共晶转变线

PSK——共析转变线1.包晶转变反应式:LB

+

H

AJ1495℃3.共析转变反应式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶转变反应式:LC

(

AE

+Fe3C)Ld

1148℃4.3典型铁碳合金的平衡凝固工业纯铁(iron)：C%<0.0218%钢(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分为：共析钢(eutectoidsteel)：C%：0.77%亚共析钢(hypeutectoidsteel)：C%：0.0218～0.77%过共析钢(hypereutectoidsteel)：C%：0.77～2.11%铸铁(castiron)：

C%：2.11～6.69%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。又分为：共晶铸铁(eutecticcastiron)：

C%：4.30%亚共晶铸铁(hypoeutecticcastiron)：

C%：2.11～4.30%过共晶铸铁(hypereutecticcastiron)：

C%：4.30～6.69%1.工业纯铁(Wc<0.0218%)纯铁组织金相图2.共析钢

(Wc=0.77%)共析钢组织金相图相组成：α+Fe3C组织组成：P

共析钢

(Wc=0.77%)3.亚共析钢(Wc=0.45%)亚共析钢组织金相图组织组成：α

+P亚共析钢(Wc=0.45%)相组成：α

+Fe3C

a)含碳量0.20％b)含碳量0.40％c)含碳量0.60％abc4.过共析钢(Wc=1.2%)过共析钢组织金相图组织组成：Fe3C+P过共析钢(Wc=1.2%)相组成：α

+Fe3Ca)硝酸酒精浸蚀b)苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体浅白色为殊光体5.共晶白口铸铁(Wc=4.3%)共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P——Ld‘共晶白口铸铁(Wc=4.3%)相组成：α

+Fe3C6.亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)亚共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P+Ld’——？亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)相组成：α

+Fe3C7.过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)过共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+Ld‘过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)相组成：α

+Fe3C

总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。而室温组织组成物却有α、Fe3CⅢ、P、Fe3CⅡ、Fe3CⅠ

和Ld’。碳含量相组成组织组成工业纯铁<0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd’过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’补充：Fe-石墨相图AGNQαG

123456BCDEFHJPMOSK1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγγ＋G

α＋G02510152025与Fe-Fe3C相图的不同之处：1）液相线：ABCD’

固相线：AHJE’C’F’2）在Fe-Fe3C相图中所有析出渗碳体的线、点，在Fe-石墨相图中除位置除有所改变外，都是析出石墨：

C’D’线析出初次石墨

E’S’线析出二次石墨

E’C’F’线通过共晶转变形成的共晶体是奥氏体与片状石墨组成的团状组织。

1.共析组织是由铁素体和石墨组成的，石墨呈点状分布在铁素体基体上。各类铁碳合金中的石墨形态

2.碳含量大于2.08%的合金中，二次石墨和共析石墨一般都依附在共晶石墨上生长。最终得到片状石墨加铁素体组织。石墨可有两种形态：

A型石墨无方向性均匀分布

B型石墨呈片状与点状聚集成的菊花状分布A型B型a.共晶成分铁-石墨相图凝固如果碳含量偏低，则在共晶转变之前有较多的先共晶奥氏体呈树枝状析出，此时奥氏体—石墨共晶只能在枝晶间生长。此时石墨呈D型分布。b.亚共晶成分铁-石墨相图凝固D型石墨在枝晶间呈点片状分布过共晶成分的铁碳合金凝固后组织中含有初次石墨

C型：初次石墨呈粗大的片状

F型：初次石墨呈星状分布C型F型c.过共晶成分铁-石墨相图凝固浇铸前在液体里加入镁或稀土元素并加入少量硅：石墨呈球状——球墨铸铁d.进行变质处理含碳量小于2.11％的合金在一般情况下都是按照亚稳系统转变的。含碳量高于2.11％的合金，在实际生产中是把成分控制在共晶或亚共晶范围内，在高温区，按稳定系统凝固与转变，得到共晶与二次石墨；在低温区，按亚稳系统转变得到珠光体。

L2.08A4.250.68A0.0218Fα－FeG共晶G二次G共析G三次第一阶段第二阶段第三阶段铸铁经不同程度石墨化后所得的组织名称程度第一阶段第二阶段第三阶段显微组织灰口铸铁充分进行充分进行充分进行F＋G充分进行充分进行部分进行F＋P＋G充分进行充分进行不进行P＋G麻口铸铁部分进行部分进行不进行Ld’＋P＋G白口铸铁不进行不进行不进行

Ld’＋P＋Fe3C碳含量相组成组织组成工业纯铁<0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd’过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’铸铁经不同程度石墨化后所得的组织名称程度第一阶段第二阶段第三阶段显微组织灰口铸铁充分进行充分进行充分进行F＋G充分进行充分进行部分进行F＋P＋G充分进行充分进行不进行P＋G麻口铸铁部分进行部分进行不进行Ld’＋P＋G白口铸铁不进行不进行不进行

Ld’＋P＋Fe3C4.4Fe-Fe3C相图的应用1.碳对平衡组织的影响00.02180.772.114.350%100%FCmⅡCmⅠC%P室温组织组成相对量图表0.02180.772.114.3050%100%FCmC%相组成相对量图表2.碳对力学性能的影响3.碳对可锻性能的影响钢的可锻性首先与含碳量有关。低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐渐变差。奥氏体具有良好的可锻性，易于塑性变形。因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区。终锻温度不能过低，以免塑性变差。4.碳对流动性的影响两个主要影响因素：化学成分和浇铸温度化学成分：C的影响最大。C量增加，结晶温度增大，流动性应该变差。但是，随C量增加，液相线温度降低。因此，同样浇铸温度下，含C量高的钢过热度大，对钢液的流动性有利。铸铁液相线较低，流动性比钢好。共晶成分铸铁流动性最好。炼钢脱氧时，Mn可把FeO还原成铁，并形成MnO。降低钢种脆性，提高强度和硬度。Mn还可与钢液中的S形成MnS（熔点：1600oC），一定程度上消除S的影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留在钢中成为非金属夹杂物。1.Mn的影响4.5碳钢4.5.1钢中常见杂质元素残余的Mn，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C。是钢