金属材料与热处理课件04铁碳合金相图

第四单元铁碳合金相图

概述钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴，而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁碳合金。为了研究铁碳合金的组织与成分、温度的关系，就必须学习铁碳合金相图。铁碳合金相图最早是在1899年测定的，距今已有100多年了，但仍在不断地完善，在不同的书籍中相图中的数据可能不尽相同，这是正常的。模块一铁碳合金中的基本相

纯铁的同素异构转变

α-Feγ-Feδ-FeBCC（912℃）FCC(1394℃）BCC金属的同素异构转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。

一、铁碳合金中的基本相铁碳合金中的Fe和C可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个基本相。这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld)。铁碳合金中这些基本相和组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。1.铁素体（ferrite）

铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”（或α）表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。A=30%~50%，KU=128~160JRm=180~280MPa，50~80HBW。铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒。在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。2.奥氏体（Austenite）奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”（或γ）表示，面心立方晶格；虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的硬度低、塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁”正是这个意思。Rm=400MPa，170~220HBW，A=40%~50%。奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。3.渗碳体（Cementite）渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃。质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。总结：在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的。名称符号Rm/MPaHBWA/%Ak/J铁素体F2308050160奥氏体A40022050∕渗碳体Fe3C30800≈0≈0模块二铁碳合金相图

铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和Fe3C。FeFe3CFe2C

FeCCC%(wt%)→

一、铁碳相图中的主要特性点Fe—Fe3C相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析。一、相图中的一些特征点相图中应该掌握的特征点有：A、D、E、C、G（A3点）、S（A1点），它们的含义一定要搞清楚。⇄⇄⇄⇄⇄相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线、PSK线（A1线）、GS线（A3线）、ES线（ACM线）

二、铁碳相图中的特性线水平线ECF为共晶转变线。碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共晶转变。在1148℃，4.3%C的液相发生共晶转变:Lc(AE+Fe3C)，转变的产物称为莱氏体，用符号Ld表示。

1.共晶转变线存在于1148~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号Ld表示，组织由奥氏体和渗碳体组成。存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号Ldˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。低温莱氏体是由珠光体、Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上，Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起，一般无法分辨。2.共析转变线——PSK线

在727℃，0.77%的奥氏体发生共析转变：AS(F+Fe3C),转变的产物称为珠光体，符号为P。共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不非液体。

珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体以层片状结构组成的机械混合物，是钢中的重要组织。平均含碳量为0.77%，在珠光体中铁素体占88%，渗碳体占12%，由于铁素体的数量大大多于渗碳体，所以铁素体层片要比渗碳体厚得多。在球化退火条件下，珠光体中的渗碳休也可呈粒状，这样的珠光体称为粒状珠光体。

珠光体经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织。当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽片铁素体和窄片渗碳体。当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线；而当放大倍数继续降低或珠光体变细时，珠光体的层片状结构就不能分辨了，此时珠光体呈黑色的一团。

珠光体珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性较好。力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。Rm=770MPa、180HBW、A=20%~35%、KU=24~32J）。GS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。3.其他特性线

ES线是碳在A中的饱和固溶线,通常叫做Acm线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%,而在727℃时仅为0.77%，因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中,将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。

PQ线是碳在F中固溶线。碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中,将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少，往往予以忽略。特性线特性线的含义ACD液相线AECF固相线ECFL→A+FeC，共晶转变线，1148，PSKA→F+FeC，共析转变线（A1线），727℃GS冷却时奥氏体向铁素体转变开始温度线（Aｃｍ线）ES碳在奥氏体中的溶解度曲线（A3线）PQ碳在铁素体中的溶解度曲线MO铁素体的磁性转变线（A2线），770℃230℃水平线渗碳体的磁性转变线（A0线）三、铁碳合金的分类根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型：

（1）工业纯铁Wc＜0.0218％（2）共析钢Wc=0.77％（3）亚共析钢Wc=0.0218％～0.77％（4）过共析钢Wc=0.77％～2.11％（5）共晶白口铁Wc=4.3％（6）亚共晶白口铁Wc=2.11％～4.3％（7）过共晶白口铁Wc=4.30％～6.69％模块三

铁碳合金的

平衡结晶过程及组织一、工业纯铁(Wc<0.0218%)二、共析钢(Wc=0.77%)珠光体在光镜下呈层片状。变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。三、亚共析钢(Wc=0.45%)亚共析钢平衡组织中珠光体和铁素体的相对量可用杠杆定律计算。例如，在727℃共析转变刚结束时，wC＝0.45%的亚共析钢组织中珠光体和铁素体的相对量为：亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.0218%~0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:

C%=P面积%×0.77%(忽略F中含碳量，P面积%=QP)四、过共析钢(Wc=1.2%)过共析钢室温组织为P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3CⅡ量最大：PFe3C碱性苦味酸侵蚀黑色网状为二次渗碳体白口铸铁的平衡结晶及组织五、共晶白口铸铁

(Wc=4.3%)六、亚共晶白口铸铁

(Wc=2.5%)PL'd七、过共晶白口铸铁

(Wc=5.0%)模块四

铁碳合金成分、组织、性能之间的关系

碳的质量分数对平衡组织的影响碳的质量分数对力学性能的影响碳的质量分数对工艺性能的影响按照铁碳相图,铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成,两相的质量分数由杠杆定律确定。随碳含量的增加,F的量逐渐变少,由100%按直线关系变至0%(碳质量分数为6.69%C时);Fe3C的量则逐渐增多,由0%按直线关系变至100%。

在室温下,碳含量不同时,不仅F和Fe3C的质量分数变化,而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化。随碳含量增大,组织按下列顺序变化：

F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+L'd、L'd、L'd+Fe3CI

、Fe3C一、碳的质量分数对平衡组织的影响2.11％

析出线来源形态Fe3CⅠCDL粗大白色条状Fe3CⅡESA网状分布于晶界Fe3CⅢPQF

薄片状Fe3C共析SA层片状Fe3C共晶CL基体一共有多少种渗碳体？F+Fe3CIIIFe3C位于晶界，细小的薄片F+PFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）P＋Fe3CIIPFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）还有一部分Fe3C沿晶界分布呈连续网状P＋Fe3CII