铁碳相图和铁碳合金.docx
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铁碳相图和铁碳合金
铁碳相图和铁碳合金
（一）
钢（Steels）和铸铁（Castirons）是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁（Fe）和碳（C）两种元素。
因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C,Fe2C和FeC等多种稳定化合物。
所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。
由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
化合物Fe3C称为渗碳体（Cementite），是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图1铁碳双重相图
【说明】
图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：
由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方（FCC）的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方（BCC）的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁
纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：
912℃以下为体心立方（BCC）晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方（FCC）,1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织 图3 奥氏体的显微组织
铁的固溶体
碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体（Ferrite），用α、δ或F表示,由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：
硬度（HB50～80）低，塑性（延伸率δ为30%～50%）高。
铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）
碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体（Austenite），用γ或A表示。
具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。
奥氏体的硬度（HB170～220）较低，塑性（延伸率δ为40%～50%）高。
奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4 碳在γ－Fe晶格中的位置 图5 渗碳体的晶格
渗碳体（Fe3C）
渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。
渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。
在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：
Fe3C→3Fe+C（石墨）。
这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。
从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
一、铁碳合金中的基本相
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。
铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。
由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
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.
铁碳合金中的基本相
铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低.
δ=30%~50%,AKU=128~160Jσb=180~280MPa,50~80HBS.
铁碳合金中的基本相
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.
铁碳合金中的基本相
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%.
铁碳合金中的基本相
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.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.
另外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.
铁碳合金中的基本相
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.
铁碳合金中的基本相
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.它的碳质量分数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.
铁碳合金中的基本相
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.
铁碳合金中的基本相
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.但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.
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.
_由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图.
铁碳相图和铁碳合金
（二）
图6 Fe-Fe3C相图
单相区——5个
相图中有5个基本的相，相应的有5个相区：
液相区（L）——ABCD以上区域
δ固溶体区——AHNA
奥氏体区（γ）——NJESGN
铁素体区（α）——GPQ以左
渗碳体区（Fe3C）——DFK直线
两相区——7个
7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间：
L+δ——AHJBA
L+γ——BJECB
L+Fe3C——DCFD
δ+γ——HNJH
γ+α——GPSG
γ+Fe3C——ESKFCE
α+Fe3C——PQLKSP
三相区——3个
包晶线——水平线HJB（L+δ+γ）
共晶线——水平线ECF（L+γ+Fe3C）
共析线——水平线PSK（γ+α+Fe3C）
相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表1。
表1Fe-Fe3C相图中的特性点
符号
T/℃
C%
说 明
A
1538
0
纯铁的熔点
B
1495
0.53
包晶转变时液相成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.67
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
碳在γ-Fe中的最大溶解度
F
1148
6.67
渗碳体的成分
G
912
0
纯铁α↔γ转变温度
H
1495
0.09
碳在δ-Fe中的最大溶解度
J
1495
0.17
包晶点
K
727
6.67
渗碳体的成分
N
1394
0
纯铁γ↔δ转变温度
P
727
0.0218
碳在α-Fe中的最大溶解度
S
727
0.77
共析点
Q
600
0.0057
600˚C碳在α-Fe中的溶解度
200
7×10-7
200˚C碳在α-Fe中的溶解度
Fe-Fe3C相图包含三个恒温转变：
包晶、共晶、共析。
包晶转变发生在1495℃（水平线HJB），反应式为：
式中 L0.53——含碳量为0.53%的液相；
δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；
γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。
含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。
共晶转变发生在1148℃（水平线ECF），反应式为：
共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。
凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。
共析转变发生727℃（水平线PSK），反应式为：
共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P表示。
含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727℃时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。
Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：
ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。
奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。
而在727℃时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CII）。
PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。
727℃时铁素体中溶解的碳最多（0.0218%），而在200℃仅可以溶解7×10-7%C。
所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CIII）。
由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。
GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。
铁碳相图和铁碳合金（三）
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可以分为纯铁、钢和白口铁三类。
图7 Fe-Fe3C合金分类
1.纯铁——含碳量<0.0218%，显微组织为铁素体。
2.钢——含碳量0.0218%～2.11%，特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。
根据室温组织的不同，钢又可以分为：
亚共析钢（Hypo-eutectoidsteel）：
含碳量0.0218
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