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1、铁碳相图和铁碳合金铁碳相图和铁碳合金( 一)钢( S t e e l s ) 和铸铁( C a s ti r o n s ) 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( F e ) 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。F e和 C能够形成 F e3C ,F e2C和 F e C等多种稳定化合物。所以，F e - C相图可以划分成F e - F e3C ,F e3C - F e2C ,F e2C - F e C和 F e C - 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
2、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 F e - F e3C 部分。化合物 F e3C 称为渗碳体( C e m e n t i t e ) ，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为 F e 和 C ，C 原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为 F e - F e3C 和 F e - 石墨双重相图（图 1 ） 。F e - F e3C 相图主要用于钢，而 F e - 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 F e - F e3C 相图，F e - 石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是 F e3C 。图 1铁碳双重相图Create
3、PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer【说明】图 1 中虚线表示 F e - 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 F e的晶体结构不同，C在 F e中的溶解度差别较大。碳在面心立方( F C C ) 的- F e中的最大溶解度为 2 . 1 1 % ，而在体心立方( B C C ) 的- F e 和- F e 中最大仅分别为 0 . 0 2
4、 1 8 % 和0 . 0 9 % 。纯铁纯铁的熔点 1 5 3 8 ，固态下具有同素异晶转变：9 1 2 以下为体心立方( B C C ) 晶体结构，9 1 2 到 1 3 9 4 之间为面心立方( F C C ) ,1 3 9 4 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F e 和F e 中形成的固溶体称为铁素体( F e r r i t e ) ， 用、 或F 表示,由于F e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 . 0 0 5 % ） ，所以其性能与纯铁相似：硬度( H B
5、5 0 8 0 ) 低，塑性( 延伸率为 3 0 % 5 0 % ) 高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图 2 ）碳溶解于F e 中形成的固溶体称为奥氏体( A u s t e n i t e ) ，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，1 1 4 8 时最多可以溶解 2 . 1 1 % 的碳，到 7 2 7 时含Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer碳量降到 0 . 8 % 。奥氏体的硬度( H B
6、1 7 0 2 2 0 ) 较低，塑性( 延伸率为 4 0 % 5 0 % ) 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F e晶格中的位置图 5 渗碳体的晶格渗碳体( F e3C )渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为 6 . 6 7 % （有些书上为 6 . 6 9 % ） ，具有复杂的晶体结构 （图 5 ） ，熔点为 1 2 2 7 。渗碳体硬度极高（H B 8 0 0 ） ，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：F e3C 3 F e+C ( 石墨) 。这一过程对于铸 铁和石墨钢具有重要
7、意义。铁碳相图和铁碳合金( 二)Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer图 6 F e - F e3C 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 )A B C D 以上区域固溶体区A H N A奥氏体区( )N J E S G N铁素体区( )G P Q 以左渗碳体区( F e3C )D F K 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 + A H J B AL + B J
8、 E C BL +F e3CD C F D+ H N J H+ G P S GCreate PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer+F e3CE S K F C E+F e3CP Q L K S P三相区3 个包晶线水平线 H J B ( L + + )共晶线水平线 E C F ( L + + F e3C )共析线水平线 P S K ( + +F e3C )相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表 1 。表 1F e - F e3C 相
9、图中的特性点符号T/ C%说明A1 5 3 80纯铁的熔点B1 4 9 50 . 5 3包晶转变时液相成分C1 1 4 84 . 3 0共晶点D1 2 2 76 . 6 7渗碳体的熔点E1 1 4 82 . 1 1碳在- F e 中的最大溶解度F1 1 4 86 . 6 7渗碳体的成分G9 1 20纯铁? 转变温度H1 4 9 50 . 0 9碳在- F e 中的最大溶解度J1 4 9 50 . 1 7包晶点K7 2 76 . 6 7渗碳体的成分N1 3 9 40纯铁?转变温度P7 2 70 . 0 2 1 8碳在- F e 中的最大溶解度S7 2 70 . 7 7共析点6 0 00 . 0
10、0 5 76 0 0 ?NC 碳在- F e 中的溶解度 Q 2 0 07 1 0- 72 0 0 ?/ C 碳在- F e 中的溶解度Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF PrinterF e - F e3C 相图包含三个恒温转变：包晶、共晶、共析。包晶转变发生在 1 4 9 5 （水平线 H J B ） ，反应式为：式中L0 . 5 3含碳量为 0 . 5 3 % 的液相；0 . 0 9含碳量为 0 . 0 9 % 的固溶体；0 . 1
11、7含碳量为 0 . 1 7 % 的固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。含碳量在 0 . 0 9 0 . 5 3 % 之间的合金冷却到 1 4 9 5 时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。共晶转变发生在 1 1 4 8 （水平线 E C F ） ，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 . 1 1 % 的铁碳合金冷却到 1 1 4 8 时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。共析转变发生 7 2 7 （水平线 P S K ） ，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 . 0 2 1
12、 8 % 的铁碳合金， 冷却至 7 2 7 时， 其中的奥氏体必将发生共析转变， 形成珠光体。F e - F e3C 相图中的 E S 、P Q 、G S 三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：E S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 1 1 4 8 时，可以溶解2 . 1 1 % 的碳。而在 7 2 7 时，溶碳量仅为 0 . 7 7 % ，因此含碳量大于 0 . 7 7 % 的合金，从 1 1 4 8 冷到 7 2 7 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( F e3CI I) 。P Q线是碳在铁素体中的溶解度曲线。7 2 7 时铁素体中溶解
13、的碳最多( 0 . 0 2 1 8 % ) ，而在2 0 0 仅可以溶解 7 1 0- 7% C 。所以铁碳合金由 7 2 7 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( F e3CI I I) 。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。Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF PrinterG S线是冷却过程中，奥氏体向
14、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 F e - F e3C 合金分类1 . 纯铁含碳量 0 . 0 2 1 8 % ，显微组织为铁素体。2 . 钢含碳量 0 . 0 2 1 8 % 2 . 1 1 % ，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( H y p o - e u t e c t o i d s t e e l )
15、：含碳量 0 . 0 2 1 8 % 0 . 7 7 % ，具有铁素体+ 珠光体 P 的组织，且含碳量越高（接近 0 . 7 7 % ）, 珠光体的相对量越多，铁素体量越少。共析钢( E u t e c t o i d ) ：含碳 0 . 7 7 % ，组织是全部珠光体 P 。过共析钢( H y p e r - e u t e c t o i d ) ：含碳量 0 . 7 7 % 2 . 1 1 % ，组织是珠光体 P + 渗碳体 F e3C 。3 . 白口铁含碳量 2 . 1 1 % 6 . 6 9 % ，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
16、锻造。根据室温组织不同，白口铁又分为：Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer亚共晶白口铁( H y p o - e u t e c t i c w h i t e i r o n ) ：含碳 2 . 1 1 % 4 . 3 0 % ，组织是珠光体 P + 渗碳体 F e3C + 莱氏体Ld 。共晶白口铁( E u t e c t i c w h i t e i r o n ) ：含碳 4 . 3 0 % ，组织是莱氏体 Ld 。过共晶白口铁( H y p e r - e u t e c t i c w h i t e i r o n ) ：含碳 4 . 3 % 6 . 6 9 % ，组织是渗碳体 F e3C + 莱氏体 Ld 。工业纯铁在
