5 铁碳合金和铁碳相图5.1 铁碳合金的组元与基本相5.2 铁碳合金相图5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系5.4 铁碳合金相图的应用 铁碳合金主要由铁和碳两种元素组成,包括碳钢和铸铁，是现代工农业生产上使用最多的金属材料 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 5.1 铁碳合金的组元与基本相铁碳合金的组元：Fe：熔点1538,密度7.87103/m3 ，纯铁从液态冷却到室温的冷却曲线如图所示： Fe的同素异构转变：-Fe= -Fe = -Fe 纯Fe机械性能：强度、硬度低，塑性好C：碳在铁碳合金中有三种存在形式C作为间隙原子溶入纯铁的三种同素异晶体中，形成三种间隙固溶体超过固溶体的固溶度后，C与Fe形成化合物 C以游离态的石墨存在（Fe- Fe3C相图中无石墨）。
Fe3C：渗碳体，Fe与C形成的一种复杂间隙化合物其机械性能的特点是硬而脆铁碳合金中的相：液相：铁与碳形成的液体高温铁素体：是碳在-Fe中的间隙固溶体，用表示，体心立方晶格，1394以上存在，1495时溶碳量最大，为0.09%铁素体：是碳在-Fe中的间隙固溶体，用F 或表示，体心立方晶格，912以下存在，727时溶解碳量最大，为0.0218%, 室温仅为0.0008%,其性能是强度低，硬度低，塑性好奥氏体：是碳在-Fe中的间隙固溶体,用A或表示，面心立方晶格，在1495-727范围内存在，1148溶解碳量最大为2.11%其性能是强度低，硬度低，塑性好渗碳体：用Fe3C或Cm表示，含碳6.69%，根据其形成条件的不同有条状、网状、粒状、片状等形态Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在 Fe-Fe3C相图5.2 铁碳合金相图1.相图分析特征点LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + J点：包晶点，金金在平衡结晶的过程中冷却到1495时，B点成分的L与H点成分的发生包晶反应，生成J点成分的： L0.53 + 0.09= 0.17 反应过程中L、三相共存。
C点：共晶点，金金在平衡结晶的过程中冷却到1148时,C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的和Fe3C： L4.3 = （2.11 +Fe3C） 反应过程中L、Fe3C、三相共存 (2.11 +Fe3C)称之为莱氏体，用Ld表示莱氏体中的Fe3C为共晶渗碳体 为蜂窝状,在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上Ld以Fe3C为基，性能硬而脆变态莱氏体 S点：共析点，金金在平衡结晶的过程中冷却到727时，S点成分的发生共晶反应，生成P点成分的和Fe3C： 0.77=（ 0.0218+Fe3C） 反应过程中、Fe3C、三相共存 (0.0218 +Fe3C)称之为珠光体，用P表示珠光体中的Fe3C为共析渗碳体，珠光体在显微镜下呈片层状，在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条）强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间 珠光体组织 特征线ABCD：液相线AHJECFD：固相线HJB：包晶线，碳含量为0.090.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应ECF：共晶线,碳含量为2.116.69%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共晶反应。
PSK：共析线，碳含量为0.02186.69%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共析反应通常称A1GS线：合金冷却时从中开始析出的临界温度线通常称A3转变称固溶体的同素异晶转变ES线:碳在中的固溶线，通常叫做Acm线由于在1148时中溶碳量最大,可达2.11%，而在727时仅为077，因此碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148冷至727的过程中，将从中析出Fe3C析出的渗碳体称为二次渗碳体Fe3CAcm线亦为从中开始析出Fe3C的临界温度线PQ线:是碳在中的固溶线在727时9中溶碳量最大可达0.0218，室温时仅为0.0008%，因此碳含量大于0.0008的铁碳合金自727冷至室温的过程中，将从中析出Fe3C析出的渗碳体称为三次渗碳体Fe3CPQ线亦为从中开始析出Fe3C的临界温度线Fe3C数量极少，往往予以忽略补充：Fe-Fe3C相图中Fe3C的五种来源成分位于CF之间的铁碳合金，当缓冷至CD线以下时，将发生匀晶反应：LFe3C， Fe3C为单相组织，呈长条状成分位于EF之间的铁碳合金，当缓冷至EF线时，将发生共晶反应： Lc （E +Fe3C共晶）， Fe3C共晶为Ld的组成部分，不是单独的组织。
从1148缓冷至727时，如的成分位于ES线以右（过饱和），将从中析出Fe3C：如是通过匀晶反应从L相中析出，则Fe3C为单相组织，呈网状位于晶界如是通过共晶反应得到，则Fe3C为Ld的组成部分，不是单独的组织成分位于PK之间的铁碳合金，当缓冷至PK线时，将发生共析反应： S（ P+Fe3C共析 ），Fe3C共析为P的组成部分，不是单独的组织从727缓冷至室温时，如的成分位于PQ线以右（过饱和），将从中析出Fe3C：如是通过固溶体的同素异晶转变从中析出，则Fe3C为单相组织，呈小片状位于晶界如是通过共析反应得到，则Fe3C为P的组成部分，不是单独的组织2.典型铁碳合金的平衡结晶过程 根据FeFe3C相图，铁碳合金可分为三类： (1)工业纯铁( C00218% ) (2)钢( 0.0218C2.11% ) a.亚共析钢( 00218%C077% ) b.共析钢( C=0.77% ) c.过共析钢( 0.77%C2.11% ) (3)白口铸铁( 2.11% C 6.69% ) a.亚共晶白口铸铁(2.114.3 ) b. 共晶白口铸铁( =4.3%) c.过共晶白口铸铁( 4.3% c 6.69% ) 按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁。
按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，断口为银白色，称为白口铸铁，即全部碳以Fe3C形成存在，部分或全部碳以石墨形式存在时称为灰口铸铁 (1)工业纯铁(C00218) 以碳含量为0.1%的铁碳合金为例，对其冷却曲线和平衡结晶过程解释如下: 合金的冷却曲线及平衡结晶过程 合金液体在1-2点间转变为，3-4点间，5-6点间到7点，从中析出Fe3C工业纯铁的结晶过程 工业纯铁室温平衡状态显微组织工业纯铁的室温组织组成物为+Fe3C 组成相为、 Fe3C(2)共析钢( C=0.77)合金的冷却曲线及平衡结晶过程:合金液体在1-2点间转变为到S点发生共析转变： S(P+Fe3C), 全部转变为珠光体S点以下，共析 中析出Fe3C，与共析Fe3C结合不易分辨共析钢的结晶过程共析钢室温平衡状态显微组织 共析钢的室温组织组成物为P，组成相为+ Fe3C它们的相对重量为： =100%*(6.69-0.77)/6.69=88; Fe3C= 1-88=12 500800(3)亚共析钢(0.0218C0.77)合金的冷却曲线及平衡结晶过程:以0.45%C的钢为例.合金在4点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为到4点，由 中析出 。
到5点, 成分沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体温度继续下降， 中析出Fe3C，由于与共析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计. 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的室温组织组成物为 p+在0.02180.77%C 范围内珠光体的量随含碳量增加而增加含0.4C钢中组织组成物的相对重量为： )/(0.77-0.02)=51; = 1-51=49 组成相为、 Fe3C ，它们的相对重量为： =100%*(6.69-0.4)/6.69=94; = 1-94=6利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积%0.77% (忽略中含碳量，P面积%=QP)含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织(4)过共析钢(0.77C2.11)合金的冷却曲线及平衡结晶过程:合金在12点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C,其沿晶界呈网状分布 到4点， 成分沿ES线变化到S点，余下的 转变为P过共析钢的结晶过程过共析钢室温平衡状态显微组织过共析钢的室温组织组成物为 p+ Fe3C 含1.2C钢中组织组成物的相对重量为： Fe3C=100%*(1.2-0.77)/(6.69-0.77)=7; p= 1-7=93 组成相为、 Fe3C。
(5)共晶白口铸铁(=4.3%) 合金的冷却曲线及平衡结晶过程: 合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Ld),莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状. C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析出Fe3C Fe3C与共晶Fe3C 结合，不易分辨 温度降到2点, 成分达到0.77%,共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体（变态莱氏体）, 用Ld表示. Fe3C共晶白口铁的结晶过程共晶白口铸铁室温平衡状态显微组织共晶白口铸铁的室温组织组成物为Ld 组成相为、 Fe3C (6)亚共晶白口铸铁(2.114.3 )合金的冷却曲线及平衡结晶过程:合金在12点间析出 到2点，液相成分变到C点,并转变为Ld23点间从中析出Fe3C，一次的Fe3C被共晶 衬托出来到3点， 转变为P,Ld转变为Ld亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铸铁室温平衡状态显微组织亚共晶白口铸铁的室温组织组成物为 P+ Fe3C + Ld 含3%C亚共晶白口铸铁钢中组织组成物的相对重量为： 2.11 =100%*(4.3-3)/(4.3-2.11)=59; L4.3=1-59=41 Fe3C =59%*(2.11-0.77)/(6.69-0.77)=13; P=0.77 = 59%*(6.69-2.11)/(6.69-0.77)=46 组成相为、 Fe3C。
(7)过共晶白口铸铁( 4.3% c 6.69% ) 合金的冷却曲线及平衡结晶过程:12点间从液相中析出Fe3C，呈粗条片状到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Ld2点以下, Fe3C成分重量不再发生变化, Ld变化同共晶合金过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铸铁室温平衡状态显微组织过共晶白口铸铁的室温组织组成物为 Fe3C + Ld 含4.3%C过共晶白口铸铁钢中组织组成物的相对重量为： Fe3C =100%*(5-4.3)/(6.69-4.3)=29; Ld=1-29% =71 组成相为、 Fe3C 组织组成物与相组成物标注区别主要在+ 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 组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C + Fe3CFeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ FALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 1.成分与组织的关系 Fe3C、的相对重量由杠杆定律确定。
随碳含量的增加，的量逐渐变少，由100按直线关系变至0；Fe3C的量则逐渐增多，相应地由0%变至100同时，两相相互组合的形态，即合金的组织也随碳含量的增加，组织按下列顺序变化： +P P - P+Fe3C - P+Fe3C+Ld Ld- Ld+Fe3C 。