铁碳相图详解.docx

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铁碳相图详解

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：

⑴工业纯铁（<0.0218%C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。

⑵碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。

⑶白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）

下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。

图3-26七种典型合金在铁碳合金相图中的位置

㈠工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程

合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。

继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。

温度降低到3点以后，开始从铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，铁素体全部转变为奥氏体。

在4~5点之间，不发生组织转变。

冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。

在6-7点之间冷却，不发生组织转变。

温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe3CIII。

7点以下，随温度下降，Fe3CIII量不断增加，室温下Fe3CIII的最大量为：

。

图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。

工业纯铁的室温组织为+Fe3CIII，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3CIII。

图3-27工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-28工业纯铁的显微组织400×

㈡共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程

共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3-29。

合金液体在1~2点间通过匀晶反应转变为奥氏体。

在2~3点之间,不发生组织转变。

到达3点以后，发生共析转变：

0。

770。

0218+Fe3C，由奥氏体相同时析出铁素体和渗碳体。

反应结束后，奥氏体全部转变为珠光体。

继续冷却会从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体，但是它们往往依附在共析渗碳体上，难于分辨。

共析钢的室温组织为100%的珠光体，如图3-30所示。

由图3-30可以看出，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈指纹状，其中白色的基底为铁素体，黑色的层片为渗碳体。

室温下珠光体中两相的相对重量百分比为：

。

图3-29共析钢的冷却曲线及组织转变示意图图3-30珠光体组织400×

㈢亚共析钢（图3-27中合金③）的结晶过程

含碳量在0.09%~0.53%之间的亚共析钢结晶时将发生包晶反应。

现以含0.45%C的钢为例分析亚共析钢的结晶过程，其冷却曲线及组织转变示于图3-31。

该合金从液态缓慢冷却到1点后，发生匀晶反应,开始析出铁素体。

到达2点温度时，匀晶反应停止，开始发生包晶转变：

L0.53+0.090.17。

包晶转变结束后，除了新形成的奥氏体外，液相还有剩余。

温度继续下降，在2-3点之间，剩余的液相通过匀晶反应全部转变为奥氏体。

在3-4点之间，不发生组织变化。

冷却到4点，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降低，铁素体数量增多。

温度降到5点，奥氏体的成分沿GS线变化到S点，此时，奥氏体向铁素体的转变结束，剩余的奥氏体发生共析反应：

0.770.0218+Fe3C，转变为珠光体。

温度继续下降，从铁素体中析出三次渗碳体，但是由于其数量很少，因此可忽略不计。

亚共析钢的室温组织为珠光体+铁素体，如图3-32所示，图中的白色组织为先共析铁素体，黑色组织为珠光体。

图3-31亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图

（a）0.20%C（a）0.45%C

图3-32亚共析钢的显微组织400×

室温下，含0.45%C亚共析钢中先共析铁素体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：

。

而铁素体和渗碳体两相的相对重量百分比为：

。

在0.0218%~0.77%C范围内珠光体的相对重量随含碳量的增加而增加。

由于室温下铁素体中含碳量极低，珠光体与铁素体密度相近，所以在忽略铁素体中含碳量的情况下，可以利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，近似地估算亚共析钢的含碳量：

。

式中，

，为珠光体的面积百分比。

㈣过共析钢（图3-26中合金④）的结晶过程

过共析钢的结晶过程及组织转变示于图3-33。

合金液体在1~2点间发生匀晶转变，全部转变为奥氏体。

冷却到3点后，开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，并在晶界上呈网状分布。

在3~4点之间，二次渗碳体量不断增多。

温度降到4点，二次渗碳体析出停止，奥氏体成分沿ES线变化到S点，剩余的奥氏体发生共析反应：

0.770.0218+Fe3C，转变为珠光体。

继续冷却，二次渗碳体不再发生变化，珠光体的变化同共析钢。

过共析钢的室温组织为珠光体+网状二次渗碳体，如图3–34所示，图中的白色网状的是二次渗碳体，黑色为珠光体。

室温下，含1.2%C过共析钢中二次渗碳体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：

。

过共析钢中Fe3CⅡ的量随含碳量增加而增加，当含碳量达到2.11%时，Fe3CⅡ量最大：

。

图3-33过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图

（a）硝酸酒精浸蚀（b）苦味酸钠浸蚀

图3-34过共析钢的显微组织400×

㈤共晶白口铸铁（图3-26中合金⑤）的结晶过程

共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，其结晶过程如图3-35所示。

该合金液态冷却到1点即1148C时，发生共晶反应：

L4。

32。

11+Fe3C，全部转变为莱氏体（Le），莱氏体是共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合物，呈蜂窝状。

此时：

，

。

温度继续下降，共晶奥氏体成分沿ES线变化，同时析出二次渗碳体，由于二次渗碳体与共晶渗碳体结合在一起而不易分辨，因而莱氏体仍作为一个组织看待。

温度降到2点，奥氏体成分达到0.77%，并发生共析反应，转变为珠光体。

这种由珠光体与共晶渗碳体组成的组织称为低温莱氏体，用符号Le’表示，此时，

，

。

温度继续下降，莱氏体中珠光体的变化与共析钢的相同，珠光体与渗碳体的相对重量不再发生变化。

共晶白口铸铁的室温组织为Le’（P+Fe3C），它保留了共晶转变产物的形态特征，如图3-36所示，图中黑色蜂窝状为珠光体，白色基体为共晶渗碳体。

室温下两相的相对重量百分比为：

，

。

图3-35共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-36共晶白口铸铁的显微组织400×

㈥亚共晶白口铸铁（图3-26中合金⑥）的结晶过程

以含3.0%C的亚共晶白口铸铁为例进行分析，图3-37为其冷却曲线及组织转变示意图。

当合金液体冷却到1点温度时，发生匀晶反应，结晶出奥氏体，称为一次奥氏体或先共晶奥氏体。

在1~2点之间，奥氏体量不断增多并呈树枝状长大。

冷却到2点以后，剩余液相的成分沿BC线变化到C点，并发生共晶转变，转变为莱氏体。

继续降温，将从一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体。

由于一次奥氏体粗大，沿其周边析出的二次渗碳体被共晶奥氏体衬托出来。

而共晶奥氏体析出二次渗碳体的过程，与共晶白口铸铁相同。

温度降到3点，奥氏体成分沿GS线变到S点，并发生共析反应，转变为珠光体。

其室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’，如图3-38所示，图中树枝状的黑色粗块为珠光体，其周围被莱氏体中珠光体衬托出的白圈为二次渗碳体，其余为低温莱氏体。

室温下，含3.0%C白口铸铁中三种组织组成物的相对重量百分比为：

，

，

。

而该合金在结晶过程中所析出的所有二次渗碳体（包括一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体）的总量为：

。

图3-37亚共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-38亚共晶白口铸铁的显微组织400×

㈦过共晶白口铸铁（图3-26中合金⑦）的结晶过程

过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示于图3-39。

合金液体在1--2点间发生匀晶反应，结晶出一次渗碳体Fe3CⅠ。

一次渗碳体呈粗条片状。

冷却到2点，余下的液相成分沿DC线变化到C点，并发生共晶反应，转变为莱氏体。

继续冷却，一次渗碳体成分重量不再发生变化，而莱氏体的变化同共晶合金。

过共晶白口铸铁的室温组织为Fe3CⅠ+Le’，如图3-40所示，图中粗大的白色条片为一次渗碳体，其余为低温莱氏体。

图3-39过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-40过共晶白口铸铁的显微组织400×

㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注

根据以上对铁碳合金相图的分析，可将组织组成物标注在铁碳合金相图中，如图3-41所示。

组织组成物的标注与相组成物的标注的主要区别在+Fe3C和+Fe3C两个相区，+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。

用组织组成物标注的相图直观地反映了各合金在不同温度下的组织状态。

图3-41以组织组成物标注的铁碳合金相图

铁碳合金相图

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。

1铁碳合金中的基本相

11.11,铁素体（ferrite）

11.22,奥氏体（Austenite）

11.33,渗碳体（Cementite）

2铁碳合金相图分析

12.1上半部分-------共晶转变

12.2下半部分-----共析转变

12.3相图中的一些特征点

12.4铁碳相图中的特性线

12.5相图中的相区

3含碳量对铁碳合金组织和性能的影响

1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.

δ=30%~50%,AKU=128~160Jσb=180~280MPa,50~80HBS.

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.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.

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.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.

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.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.

2铁碳合金相图分析

Fe—Fe3C相图看起来比较复杂,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.

上半部分-------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.

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.

下半部分-----共析转变

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.

共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体.

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.根据相图分析如下点：

相图中重要的点（14个）：

1.组元的熔点:

A（0,1538）铁的熔点;D（6.69,1227）Fe3C的熔点

2.同素异构转变点:

N（0,1394）δ-Feγ-Fe;G（0,912）γ-Feα-Fe

3.碳在铁中最大溶解度点:

P（0.0218,727）,碳在α-Fe中的最大溶解度

E（2.11,1148）,碳在γ-Fe中的最大溶解度

H（0.09,1495）,碳在δ-Fe中的最大溶解度

Q（0.0008,RT）,室温下碳在α-Fe中的溶解度

三相共存点:

S（共析点,0.77,727）,（A+F+Fe3C）

C（共晶点,4.3,1148）,（A+L+Fe3C）

J（包晶点,0.17,1495）（δ+A+L）

其它点

B（0.53,1495）,发生包晶反应时液相的成分

F（6.69,1148）,渗碳体

K（6.69,727）,渗碳体

铁碳相图中的特性线

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）

水平线ECF为共晶反应线.

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反应.

水平线PSK为共析反应线

碳质量分数为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.

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.

ES线是碳在A中的固溶线,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.在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%,室温时仅为0.0008%,因此碳质量分数大于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.

相图中的相区

1.单相区（4个+1个）:

L,δ,A,F,（+Fe3C）

2.两相区（7个）:

L+δ,L+Fe3C,L+A,δ+A,A+F,A+Fe3C,F+Fe3C.

3含碳量对铁碳合金组织和性能的影响

1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响

按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系

2．含碳量对机械性能的影响

渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。

3．含碳量对工艺性能的影响

对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。

含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。

对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。

由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。

锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。

对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。

从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。

一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接

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