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1、Fe-Fe3C相图 A：1538、0 % C：1148、4.30 % E：1148、2.11 % F：1148、6.69 % G：912 、0 % J：1495、0.17 % N：1394、0 % P：727 、0.02 % S：727 、0.77 % Q：600 、0.0057 % 重要点温度、碳质量分数 1. 铁碳合金的组元 (1) Fe 铁是过渡族元素, 熔点为1538。 密度是7.87g/cm3。 纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394 及912时, 先后发生两次同素异构转变。 纯铁的机械性能：强度低、硬度低、塑性好。 抗拉强度 b 180 MPa230 MPa 屈服强度 0.2
2、 100 MPa170 MPa 延伸率 30%50% 断面收缩率 70%80% 冲击韧度 ak 1.6106 J/m22106 J/m2 硬度 50 HB80 HB (2) Fe3C Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物 , 通常称为渗碳体, 用Cm表示。 渗碳体的机械性能特点是硬而脆。 800 HB 00030 MPa 硬度冲击 韧度 ak 断面 收缩率 延伸率 抗拉强度 极限 b 2. 铁碳合金中的相 (1) 液相L 液相L是铁与碳的液溶体。 (2) 相 相又称高温铁素体, 是碳在-Fe中的间隙固溶 体,呈体心立方晶格, 在 1394以上存在。F或表示, 是碳在-Fe中的间隙固
3、溶体, 体心立方 晶格，碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%。在727 时溶碳量最大（0.0218%）。 铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。机械性 能与纯铁大致相同。 (3) 相 相也称铁素体, 用 相常称奥氏体, 用符号A或表示, 是碳在 -Fe 中的间隙固溶体, 面心立方晶格，碳的固溶度较 大, 在1148 时溶碳量最大达2.11%。 奥氏体的强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。 (4) 相 (5) Fe3C相 Fe3C相是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合 物, 性能特点是硬而脆。 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状 、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响 。
4、3. 相图中重要的点和线 (1) 重要的点 J点（包晶点） C点（共晶点） 共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L 、A、Fe3C三相共存，三相成分一定。 共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的 混和物, 称莱氏体（Le）。 其中的渗碳体称共晶渗碳体。 显微镜下莱氏体形态： 块状或粒状A(727时转变成珠光 体)分布在渗碳体基体上。 S点（共析点） 共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F 、Fe3C三相共存，三相成分一定。 共析反应的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。 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 珠光体形态：显微镜下珠光体的形态呈层 片状。相间分布渗碳体片与铁素体
5、片。 珠光体性能：强度较高, 塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间。 珠光体机械性能 抗拉强度极限 /b 冲击韧性 ak 延伸率 硬度 770 MPa 3105 J/m2 4105 J/m2 20%35%180 HB E点 1148，2.11%C 碳在-Fe中的最大溶解度 P点 727，0.0218%C 碳在-Fe中的最大溶解度 B点 1495,0.53 %C 包晶转变时液态合金的成分 水平线HJB :包晶反应 线 发生包晶反应。 水平线ECF :共晶反应线 发生共晶反应。 水平线PSK :共析反应 线 发生共析反应。亦称A1线 。 (2) Fe-Fe3C相图中重要的线 GS线 A中开始析
6、出F临界温度线, 称A3线。 ES线 碳在A中的固溶线，叫Acm线。从A中析 出Fe3C，叫二次渗碳体(Fe3CII)。亦是A中开始析出 Fe3CII的临界温度线。 PQ线 是碳在F中固溶线。是F中开始析出 Fe3CIII的临界温度线。 Fe3CIII数量极少, 往往予以忽略。 二、典型铁碳合金的平衡结晶过程 根据Fe-Fe3C相图, 铁碳合金可分为3类7种： (1)工业纯铁 w(C)0.0218% (2)钢 0.0218% w(C)2.11% 亚共析钢 0.0218%w(C)0.77% 共析钢 w(C) = 0.77% 过共析钢 0.77%w(C)2.11% (3)白口铸铁 2.11%w(C
7、)6.69% 亚共晶白口铸铁 2.11% w(C)4.3% 共晶白口铸铁 w(C) = 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3% w(C)6.69% 几种碳钢的钢号和碳质量分数 类型亚共析钢 共析钢过共析钢 钢号 204560T8T10T12 碳质量分数 /% 0.200.450.60 0.801.001.20 典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置 1. 工业纯铁平衡结晶过程 碳质量分数0.01% 1点以上 液相L 12点 L+ 23点 34点 +A 45点 A 56点 A+F 67点 F 78点 F晶界 析出Fe3CIII 室温平衡组织为 F+ Fe3CIII 纯铁的室温平衡组织 F呈白色块状
8、; Fe3CIII量极少, 呈小白片 状分布于F晶界处。 若忽略Fe3CIII, 则组织全为F。 室温平衡组织: F+ Fe3CIII 2.共析钢平衡结晶过程 老师提示：重点 内容 碳质量分数为0.77% 12点 L+A 23点 A 33点 AP 34点 P 共析钢的室温 平衡组织为: P 共析钢的室温组织 共析钢的室温组织组成物全部是P。 组成相为F和Fe3C, 它们的质量分数为： P(层片状) 3.亚共析钢平衡结晶过程 以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例 12点 L+。 22点 L+A 反应结束还有L 23点 L+A 34点 A 45点 A+F 55点 AP F不变化 56点 P+F 4
9、0钢的室温平衡组织 F呈白色块状; P呈层片状, 放大倍数不高时 呈黑色块状。 碳质量分数大于0.6%的亚共析钢, 室温平衡 组织中的F呈白色网状, 包围在P周围。 含0.4%C的亚共析钢组织组成物为F和P。 室温平衡组织: F+P 含0.4%C的亚共析钢组织组成物为F和P。 钢的组成相为F和Fe3C： 亚共析钢的碳质量分数估算 如果忽略F中的碳含量，则P的质量分数为： w(P)=w(C)/0.77% 亚共析钢的碳质量分数估算： w(C)=w(P)0.77% 式中, w(C)表示钢的碳质量分数, w(P)表示钢中P的质量分数。 由于P和F的密度相近, 钢中P和F的质 量分数可用显微镜下观察到的
10、P和F的面积 百分数来估算。 4.过共析钢平衡结晶过程 碳质量分数为1.2% 12点 L+A 23点 A 34点 AFe3CII, Fe3CII呈网状分布 在A晶界上。 44点 AP ， Fe3CII不变化。 45点 P+Fe3CII T12钢的室温平衡组织 Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。 含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe3C 组织组成物为Fe3CII和P： P+Fe3CII 此时的莱氏体由A+ Fe3CII+ Fe3C组成。 22点 AP，高温莱氏体Le转变成低温莱氏体 Le(P+ Fe3CII+ Fe3C)。 23点 Le 5.共晶白口铸铁 平衡结晶过程 11点 LLe 即
11、L(A+Fe3C) 。 12点 Le中的 A析出Fe3CII。 共晶白口铸铁的室温平衡组织 Le由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组 成。 共晶白口铸铁的组织组成物：全为 Le, 组成相：F和Fe3C。 室温平衡组织: Le 23点 A晶界析出Fe3CII 组织为 A+Fe3CII+Le 33点 AP; 高温莱氏体Le转变为低温莱氏体 Le。 34点 P+Fe3CII+Le 6.亚共晶白口铸铁 平衡结晶过程 w（C）3% 12点 L+A 。 22点 LLe, 共晶反应结束 时:A+Le 网状Fe3CII分布在粗大块状P的周围, Le由 条状或粒状P和Fe3C基体组成。 亚共晶白口铸铁的组成相
12、为F和Fe3C; 组织组成物:P、Fe3CII、Le。 亚共晶白口铸铁的室温平衡组织 室温平衡组织: P+Fe3CII+Le 7.过共晶白口 铸铁平衡结晶过程 共析温度时高温莱氏体Le转变为低温 莱氏体Le。 得到 Fe3CI+Le 合金先从L中 结晶出Fe3CI。 然后L发生共 晶反应转变为Le 。 Fe3CI呈长条状 Le由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成 。 过共晶白口铸铁的室温平衡组织 室温平衡组织： Fe3CI+Le 三、铁碳合金的成分组织性能关系 1.碳含量与组成相的质 量分数之间的关系 铁碳合金（除纯铁）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
13、律确定。 随碳含量的增加, F的 量逐渐变少, Fe3C的量则逐 渐增多。 2.碳含量与组织组成物 的质量分数之间的关系 室温下, 随碳含量增大, 组织按下列顺序变化： F、F+P、P、P+Fe3CII 、 P+Fe3CII+Le、Le、 Le+Fe3CI、Fe3C 组织组成物的质量分数 用杠杆定律求出。 3.铁碳合金的性能与碳含 量之间关系 （1）硬度 碳含量增加, Fe3C增多, F 减少,合金的硬度呈直线关系增 大, 由全部为F的硬度约80 HB 增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 （2）强度 碳含量增加, 亚共析钢强 度增加。超过共析成分后, Fe3CII沿晶界出现, 强度增高变
14、 慢。到约0.9%C时, Fe3CII沿晶 界形成完整的网, 强度降低。 碳质量分数到2.11%后出现Le, 强度降到很低。 （3）塑性 铁碳合金中Fe3C是极脆的 相。随碳含量的增大, 合金的 塑性连续下降。到合金成为白 口铸铁时, 塑性近于零值。 亚共析钢的性能估算 硬度80w（F）+180w（P） (HB) 或硬度80w（F）+800w（Fe3C） (HB) 强度(b)230w（F）+770w（P）(MPa) 延伸率( )50w（F）+20w（P）(%) 式中的数字相应为F、P或Fe3C的大概硬度、强 度和延伸率; w（F）、w（P）、w（Fe3C）为组织中F、P或 Fe3C的质量分数。
15、 四、Fe- Fe3C相图的应用 在生产中具有巨大的实际意义, 主要应用: 钢铁材料的选用 加工工艺的制订 1.在钢铁材料选用方面的应用 Fe- Fe3C相图所表明的成分-组织-性能的 规律,为钢铁材料的选用提供了根据。 纯铁 强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其 导磁率高, 矫顽力低, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。 钢 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的 材料, 选用碳含量较低的钢材。 机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的 材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选 碳含量高的钢种。 白口铸铁 硬度高、脆性大，不能切削加工，不能 锻造，但耐磨性好，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。 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相图确定合金浇注温度。浇 注温度一般在液相线以上50 100 。 纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好, 凝 固温度区间最小, 流动性好, 分散缩孔少, 可 以获得致密的铸件。 铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。 铸钢的碳质量分数在0.15-0.6%之间, 钢 的结晶温度区间较小, 铸造性能较好。 3.在热锻、热轧工艺方面的
