理学铁碳相图

铁碳合金系相图1、组元的特性

1）纯铁纯铁的同素异晶转变铁素体的磁性转变温度为770℃(居里点)，曾经把770－912℃无磁性(顺磁性)的铁称为β－Fe。

一、相图分析

工业纯铁的力学性能特点是强度、硬度低，塑性、韧性好。 抗拉强度σb＝180－230Mpa

延伸率δ＝30－50％

断面收缩率ψ＝70－80％

冲击韧性ak＝160－200J/cm2

硬度50－60HB一、相图分析1、组元的特性游离的碳有石墨和金刚石两种晶体结构，在铁碳合金中的游离态是石墨。石墨(Graphite)具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合,间距0.142nm结合力较强，两层晶面的间距为0.34nm，结合力弱。石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。

2）碳2、铁碳合金中的基本相α相

C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为F(Ferrite)。

γ相

C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为A(Austenite)。

δ相

C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。一、相图分析Fe3C相铁和碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm(Cementite)。

石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。L相碳在高温下熔入液体，相图中标记L(Liquid)。

（二）铁碳合金的基本组织特征1.铁素体（F）

碳溶于α—Fe中形成的间隙固溶体，用符号F（或α）表示。600℃溶碳量0.0008%727℃溶碳量0.0218%性能：与纯铁相似，强度、硬度低，而塑性和韧性好。组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。

2.奥氏体（A）

碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体，用符号A（或γ）表示。727℃溶碳量0.77%1148℃溶碳量2.11%性能：有一定的强度和硬度，塑性和韧性好，适于进行锻压加工。组织：与铁素体相似，晶粒呈多边形，但晶界较铁素体平直

3.渗碳体（Fe3C）

铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的间隙化合物，用化学分子式Fe3C表示。

Wc=6.69%熔点为1227℃性能：硬度很高，脆性很大，塑性极差。组织：常以片状、球（粒）状和网状等不同形态存在。

4.珠光体——铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。

Wc=0.77%

性能：介于铁素体与珠光体之间，即综合性能良好。5.莱氏体——

Wc=4.3%的合金，缓慢冷却到1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织，用符号Ld表示。性能：与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。

Fe-Fe3C相图

3、铁碳合金三相平衡转变

铁碳合金系相图一、相图分析这是一包晶反应，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化，不作讨论。共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体，记录Ld(Ledeburite)共析反应，产物为两相层片交替分布的共析体组织称为珠光体，记录P(Pearlite)4、Fe－Fe3C合金相图

铁碳合金系相图图1）相图形式一、相图分析4、Fe－Fe3C合金相图

铁碳合金系相图2）相图中各点的参数及含义一、相图分析

3.相图中重要的点和线

⑴J为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时，点成分的L与H点成分的δ发生包晶反应，生成J点成分的A。

⑵C点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时，C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。

共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏体，以符号Ld表示。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。

⑶S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时，S点成分的A发生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。

共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，以符号P表示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条）。珠光体的强度很高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其力学性能如下：抗拉强度（σb）770伸长率(δ)20%～30%冲击韧度(αk)3×105～4×105J/m2

硬度（HB）180

⑷相图中的ABCD为液相线；AHJECF为固相线。⑸水平线HJB为包晶反应线碳的质量分数0.09%～0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。⑹水平线ECF为共晶反应线碳的质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。⑺水平线PSK为共析反应线碳的质量分数0.0218%～6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。

⑻GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。⑼ES线是碳在A中的固溶线，通常叫做Acm线。碳的质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从A中析出Fe3C，称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。⑽PQ线是碳在F中固溶线。铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从F中析出Fe3C，称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。Fe3CⅢ数量极少，往往予以忽略。

4、Fe－Fe3C合金相图

铁碳合金系相图3）相图中相区五个单相区：液相区L高温固溶体

奥氏体(A)铁素体(F)

渗碳体Fe3C七个双相区：L＋L＋L＋Fe3C ＋＋Fe3C ＋＋Fe3C三个三相区：HJB线L＋＋ ECK线L＋＋Fe3C PSK线＋＋Fe3C一、相图分析二、铁碳合金平衡冷却分析铁碳合金按组织、性能、应用特点分为以下类型：工业纯铁(C%<0.02%)钢(C%<2.11%)白口铸铁(C%>2.11%)灰口铸铁亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁1、工业纯铁(C%<0.02%)含碳量大于Q点(0.008%)时，理论上将从α－Fe中析出的Fe3C称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。通常的组织为单一铁素体。

铁碳合金系相图工业纯铁组织金相图工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色。由于其强度低、硬度低、不宜用作结构材料典型铁碳合金结晶过程图2、共析钢(C%≈0.77%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析相转变过程组织转变过程LL+AP

2、共析钢(C%≈0.77%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比≈两相的厚度比≈8:1

共析钢组织金相图共析钢的室温组织组成物全部是P，而组成相为F和Fe3C，它们的质量分数为：

3、亚共析钢(C%=0.02~0.77%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析组织转变L－……－AF+AF+P

典型铁碳合金结晶过程图3、亚共析钢(C%=0.02~0.77%)第七节铁碳合金系相图之平衡冷却分析组织相对数量计算：

以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例(如右图）;含0.4%的亚共析钢的组织组成物为F和P，它们的质量分数为：

此种钢的组成物为F和Fe3C,它们的质量分数为：

亚共析钢的碳含量可由其室温平衡组织来估算。若将F中的碳含量忽略不计，则钢中的碳含量全部在P中，因此由钢中P的含量可求出钢中碳的质量分数：

wc

=P%×0.77%亚共析钢组织金相图典型铁碳合金结晶过程图4、过共析钢(C%=0.77~2.11%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析组织转变：LL＋AAA＋Fe3CIIP＋Fe3CII

3.过共析钢

以碳质量分数为1.2%的铁碳合金为例（如右图）。

含wc1.2%的过共析钢的组成物为F和Fe3C；组织组成物为Fe3CⅡ和P，它们的质量分数为：4、过共析钢(C%=0.77~2.11%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。过共析钢组织金相图铁碳合金组织特征图(a)0.01%C铁素体500×(c).0.77%C珠光体

500×(b)0.45%C铁素体+珠光体

500×d).1.2%C

铁素体+二次渗碳体

500×典型铁碳合金结晶过程图5、共晶白口铁(C%≈4.3%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析组织转变L(L＋Ld)LdL’d5、共晶白口铁(C%≈4.3%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析共晶白口铁组织金相图6、亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析组织转变

LL＋AA＋LdA＋Fe3CII＋LdP＋Fe3CII＋L’d

典型铁碳合金结晶过程图6、亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析亚共晶白口铁组织金相图典型铁碳合金结晶过程图7、过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析组织转变LL+Fe3CIFe3CI+LdFe3CI+L’d

过共晶白口铁组织金相图7、过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)

铁碳合金系相图之平衡冷却分析Fe3C的形式一次渗碳体Fe3CI二次渗碳体Fe3CII

三次渗碳体Fe3CIII (共析)珠光体中(共晶)莱氏体中三、碳对铁碳合金的影响1、碳对室温平衡组织的影响

铁碳合金系相图1、碳对室温平衡组织的影响

铁碳合金系相图之1、碳对室温平衡组织的影响

铁碳合金系相图三、碳对铁碳合金的影响

铁碳合金系相图2、碳对力学性能的影响

硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大。强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约wc0.9%时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大，F量不断减少时，合金的塑性连续下降。对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：硬度≈80×F%+180×P%(HB)

或硬度≈80×F%+800×Fe3C%(HB)

强度≈230×F%+770×P%(MPa)

延伸率(δ)≈50×F%+20×P%(%)

（四）Fe-Fe3C相图的应用

1.在钢铁材料选用方面的应用

●建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材。●各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。●纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。

2.在铸造工艺方面的应用

根据Fe—Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50～10