铁碳相图以及铁碳合金

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1、铁碳相图以及铁碳合金 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)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5），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。，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 化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite

2、)，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。 【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： 图1 铁碳双重相图 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-Fe中的最大溶解

3、度为2.11%，而在体心立方(BCC)的-Fe和-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Fe和Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用、或F表示, 由于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(HB5080)低，塑性(延伸率为30%50%)高。

4、铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2） 碳溶解于Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用或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(HB170220)较低，塑性(延伸率为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

5、，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：Fe3C3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。 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 固溶体区AHNA 奥氏体区()NJESGN 铁素体区()GPQ(Fe3C)DFK直线以左 图6 Fe-Fe3C相图 渗碳体区 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+AHJBA LBJECB LDCFD +HNJH +GPSG + Fe3CESKFCE + Fe3CPQLKSP+ Fe3C+ 三相区3个 包晶线水平线HJB(L+) 共晶线水平线ECF(L+Fe

6、3C) 共析线水平线PSK(+ 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1 Fe-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-Fe中的最大溶解度 F 1148 6.67 渗碳体的成分 G 912 0 纯铁转变温度 H 1495 0.09 碳在-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 纯铁转变温度 P 727 0.0218

7、碳在-Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点 600 0.0057 600C碳在-Fe中的溶解度 Q 200 710-7 200C 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； 0.09含碳量为0.09%的固溶体； 0.17含碳量为0.17%的固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。 含碳量在0.090.53%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Ld表示。

8、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。，用符号 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

9、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710-7%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）。 根据铁碳合金的

10、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%0.77%，具有铁素体+珠光体P的组织，且含碳量越高（接近0.77%）,珠光体的相对量越多，铁素体量越少。 共析钢(Eutectoid)：含碳0.77%，组织是全部珠光体P。 过共析钢(Hyper-eutectoid)：含碳量0.77%2.11%，组织是珠光体P+

11、渗碳体Fe3C。 3.白口铁含碳量2.11%6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。但是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。根据室温组织不同，白口铁又分为： 亚共晶白口铁(Hypo-eutecticwhiteiron)：含碳 2.11%4.30%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C+莱氏体Ld。 共晶白口铁(Eutecticwhiteiron)：含碳4.30%，组织是莱氏体Ld。 过共晶白口铁(Hyper-eutecticwhiteiron)：含碳 4.3%6.69%，组织是渗碳体 Fe3C+莱氏体Ld。 工业纯铁在缓慢冷却过程中发生的组织转变主要是同素异晶转变和Fe3CI

12、II的析出。在冷却过程中合金的组织转变情况见动画演示。室温下工业纯铁的组织为铁素体以及分布在晶界处极少量的三次渗碳体(Fe3CIII)。工业纯铁实际室温组织的照片见图2。工业纯铁冷却过程中的组织转变 工业纯铁冷却过程中的组织转变 根据Fe-Fe3C相图，共析钢从液态冷却到室温要发生三次组织转变：匀晶转变L（奥氏体），共析转变(+Fe3C)（珠光体P）,中析出三次渗碳体(Fe3CIII)。具体转变过程见动画演示。室温下共析钢的组织组成全部为珠光体（可以忽略Fe3CIII）。图 8 是共析钢室温组织（珠光体）的金相照片。 共析钢冷却过程中的组织转变 图8 共析钢的室温组织(P) 共析钢只有一种组织

13、（忽略Fe3CIII），即珠光体P，珠光体由和Fe3C两个相组成。应用杠杆定律可以计算出和Fe3C两个相的相对量。 例题 计算珠光体中和Fe3C两个相的相对量。 解：应选择+Fe3C二相区，共析温度（727） 或QFe3C=1-Q=1-88.75%=11.25% 含碳0.45%的亚共析钢是应用十分广泛的一种钢，通常称为45号钢。45钢在液态到室温的冷却过程中将发生以下转变：匀晶转变L0.45L0.53+，包晶转变L0.53+0.45，同素异晶转变0.45+0.77，共析转变0.77(+Fe3C)。转变过程见动画演示。室温下45钢的组织为：铁素体+珠光体P（+Fe3C）。45钢的实际室温组织照片

14、见图9。所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在于相对量的差别：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的量越少。图10和图11分别是20钢(0.20%C)和60钢(0.60%C)的组织照片，可以明显看出铁素体与珠光体的相对量随含碳量的变化。应用杠杆定律可以准确计算相对量的多少。 45钢冷却过程中的组织转变 图9 45钢的室温组织 图10 20钢的室温组织 图11 60钢的室温组织 例题 应用杠杆定律计算45钢中铁素体和珠光体P的相对量。 解：应选择+二相区，共析温度 或QP=1-Q=1-42.77%=57.23% 同样可以计算出20钢：Q=76.18%,QP=

15、23.82%； 60钢：Q=22.72%,QP=77.28%。 过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3CII），奥氏体的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变0.77(+Fe3C)，形成珠光体P。因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(+Fe3C)+Fe3CII。具体转变过程见动画演示。实际1.2%C（T12）钢的室温组织照片见图12。对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中 Fe3CII的量增大。由于大量的Fe3CII会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe3CII的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe3CII网）或相应的热处理后才能使用。 过共析钢冷却过程中的组织转变演示 图12 1.2%C过共析钢的室温组织 图13 1.4%C过共析钢的室温组织 比较图12和图13，可以看出1.4%C钢中的Fe3CII的量比1.2%C中明显的多。 共晶白口铁在从液态缓慢冷却到室温的过程中，首先在1148进行共晶转变，液相全部凝固成为高温莱氏体Ld（共晶组织）： 在1148到727之间，莱氏体中的奥氏体将按照ES线的变化趋势析出二次渗碳体Fe3CII，而奥氏体在727时的含