FeFe3C合金相图

第三章第三章 铁碳合金及合金钢概述铁碳合金及合金钢概述 钢铁钢铁是铁基合金（黑色金属）的总称铁和碳是是铁基合金（黑色金属）的总称铁和碳是钢铁材料两个最基本的钢铁材料两个最基本的组元组元碳的质量分数碳的质量分数0.0218%

⑵ Fe⑵ Fe3 3C C 是一种具有复杂是一种具有复杂结构的间隙化合物，通常结构的间隙化合物，通常称为渗碳体称为渗碳体含碳量含碳量6.69%，硬度很高，，硬度很高，强度低，塑性韧性很差强度低，塑性韧性很差理论熔化温度理论熔化温度1227℃是介稳定化合物，条件适当介稳定化合物，条件适当时，会分解成单质状态的时，会分解成单质状态的石墨石墨C 碳质量分数超过碳质量分数超过6.69%的铁碳合金的铁碳合金脆性很大，没有使脆性很大，没有使用价值用价值,所以有使用所以有使用意义并被深入研究意义并被深入研究的只有的只有Fe-Fe3C这一这一部分 固态铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶固态铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为格的现象，称为同素异构转变同素异构转变该特性是钢铁材料通过该特性是钢铁材料通过热处理获得多种组织结构与性能的理论依据热处理获得多种组织结构与性能的理论依据δ－Feα－Feγ－Fe1394℃912℃bccfccbcc固态铁的特性固态铁的特性——同素异构转变同素异构转变 Wc（（%））Feδ2. 铁碳合金中的铁碳合金中的相相 ⑴⑴液相液相L 铁与碳的液溶体。

铁与碳的液溶体⑵⑵δ相相 是是碳碳在在δ—Fe中中的的间间隙隙固固溶溶体体，，呈呈体体心心立立方方晶晶格格，，在在1394℃以以上上存存在在，，1495℃时溶碳量为时溶碳量为0.09%⑶⑶α相相 是是碳碳在在α—Fe中中的的间间隙隙固固溶溶体体，，呈呈体体心心立立方方晶晶格格其其中中碳碳的的固固溶溶度度室室温温 时时 约约 为为 0.0008%，， 600℃时时 为为0.0057%，，在在727℃时时为为0.0218%其其性性能能特特点点是是强强度度低低、、硬硬度度低低、、塑塑性性好好⑷⑷ γ相相 是是碳碳在在γ—Fe中中的的间间隙隙固固溶溶体体，，呈呈面面心心立立方方晶晶格格其其中中碳碳的的固固溶溶度度在在1148℃时时为为2.11%其其性性能能特特点点是是强强度度较低，硬度不高，易于塑性变形较低，硬度不高，易于塑性变形⑸⑸Fe3C相相 是是一一个个金金属属化化合合物物（（又又称称渗渗碳碳体体）），，根根据据其其生生成成条条件件不不同同有有条条状状、、网网状状、、片片状状、、粒粒状状等等形形态态，，对对铁铁碳合金的力学性能有很大影响碳合金的力学性能有很大影响 γαγ+Lδ+Lδ+ γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3Cα + γFe3C6.69L3. 铁碳合金平衡状态图铁碳合金平衡状态图分析分析包晶转变包晶转变匀匀晶晶转转变变共晶转变共晶转变共析转变共析转变（（1））铁碳相图中铁碳相图中三种三种基本的基本的转变转变FeFe3CGNAØ在在1495 ℃℃发生发生包晶转变包晶转变1495℃ LB+ HγJØ在在11481148℃℃发生发生共晶转变共晶转变1148℃LCγE+Fe3CØ 在在727727℃℃发生发生共析转变共析转变 727℃γS P+Fe3CSKP 727 ℃℃ L BJH1495 ℃℃ECF11481148℃℃D1227℃1227℃共析转变：共析转变：在一定温度下，一定成分的在一定温度下，一定成分的固相固相同时转同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。

变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程共晶转变：共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转在一定温度下，一定成分的液相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程γβα共析转变：共析转变：γ → α+β转变产物：共析组织转变产物：共析组织Lβα共晶转变：共晶转变：L → α+β转变产物：共晶组织转变产物：共晶组织注意：注意：共析转变共析转变与与共晶转变共晶转变的的区别区别以以相相组成物表示的组成物表示的Fe-Fe3C相图相图（（2））铁碳相图中主要的铁碳相图中主要的点、线、区点、线、区 含义含义 (P68图4-3)(1) 点点 (见见P69)(2) 线线 液相线液相线 固相线固相线 三条水平线三条水平线 三条特征线三条特征线(3) 区区 4个单相区个单相区 1条垂直线条垂直线 7个双相区个双相区 L       L +     +   L+   L+ Fe3C   + Fe3C   + Fe3C   +   以以组织组成物组织组成物表示的表示的Fe-Fe3C相图相图 (P68图图4-3)以以组织组成物组织组成物和和相组成物相组成物表示的表示的Fe-Fe3C相图相图 L+   L   + Fe3C     + Fe3C   +    +L       +   L+ Fe3C 二、铁二、铁—碳合金中的组织及其性能碳合金中的组织及其性能（（P66））（一）奥氏体（（一）奥氏体（A））（二）铁素体（（二）铁素体（F））（三）珠光体（（三）珠光体（P））（四）莱氏体（（四）莱氏体（L'd））（五）渗碳体（（五）渗碳体（Fe3CІ、、Fe3CⅡ、、Fe3C Ⅲ ））相：相：面心立方，面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号处在八面体间隙位置，用符号γ表示。

表示组织：组织：称为奥氏体，用符号称为奥氏体，用符号A表示含碳量：含碳量：0~2.11%温度范围：温度范围：727 ℃℃ ~1495 ℃℃力学性能：力学性能：强度、硬度低；强度、硬度低； 塑性好钢材加热到奥氏体区后进行锻造钢材加热到奥氏体区后进行锻造和轧制奥氏体不锈钢（奥氏体不锈钢（18－－8型不锈钢）型不锈钢）PGQSECJNBDFK2.11727℃1495℃（一）奥氏体（（一）奥氏体（A A）） —— —— C C溶于溶于 -Fe-Fe形成的固溶体形成的固溶体相：相：体心立方，体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号处在八面体间隙位置，用符号 表示表示组织：组织：称为铁素体，用符号称为铁素体，用符号F表示含碳量：含碳量：0~0.0218%(727 ℃℃) 0~0.0008%(室温室温)温度范围：温度范围：<912℃℃力学性能：力学性能：强度、硬度低；强度、硬度低；塑性好二）铁素体（（二）铁素体（F））——C溶于溶于 -Fe形成的固溶体形成的固溶体工业纯铁工业纯铁——<0.02%C，，冷轧提高强度，得到冷轧板冷轧提高强度，得到冷轧板PGQSECJNBDFK912 ℃℃0.02180.0008工业纯铁室温组织工业纯铁室温组织 FF晶界晶界相：相： + Fe3C两种相组成两种相组成组织：组织：珠光体，珠光体，用符号用符号P表示表示含碳量：含碳量：0.77% (称为共析钢称为共析钢)温度范围：温度范围：<727℃℃力学性能：力学性能：强度、硬度较高；强度、硬度较高；塑性较好。

塑性较好 钢丝绳钢丝绳（三）珠光体（（三）珠光体（P））—— 和和Fe3C形成的机械混合物形成的机械混合物  SP（（ P+Fe3C））727℃727℃⇌0.77GPQSECJNBDFK  +Fe3C共析钢室温组织共析钢室温组织珠光体（珠光体（P））P相：相： + Fe3C两种相组织：组织：莱氏体或室温莱氏体，用符号莱氏体或室温莱氏体，用符号L’L’d d表示含碳量：含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁称共晶白口铸铁)温度范围：温度范围：<727℃℃（四）莱氏体（（四）莱氏体（L’d））—P和和Fe3C形成的机械混合物形成的机械混合物LCL Ld d（（  E+Fe3C））1148℃⇌LdGPQSECJNBDFK  +Fe3C1148℃727℃4.3L’d室温组织室温组织: : L’ L’d d( (P + Fe3CⅡ +Fe3C））  s + Fe3CⅡ 727 ℃+tP727 ℃-tL'd [(P+Fe3CⅡ)+Fe3C]共晶白口铸铁的室温组织共晶白口铸铁的室温组织   L（五）渗碳体（五）渗碳体Fe3CⅠL Fe3CⅡ  Fe3CⅢFe3C共析共析 片状片状Fe3C共晶共晶 基体基体  1. C% >4.3%LLFe3CⅠL   +Fe3C 即即Ld  Fe3CⅡ    +Fe3C即即P 室温组织室温组织: Fe3CⅠ+L'd即即Fe3CⅠ+[(P+ Fe3CⅡ)+Fe3C]t1t2t3有关三种渗碳体的结晶过程的简单分析有关三种渗碳体的结晶过程的简单分析共共晶晶转转变变共析转变共析转变  2. 2.11%

通常沿晶界析出工业纯铁室温组织工业纯铁室温组织性能：性能：σb 、、HBS↓δ 、、Ak↑F晶界晶界（二）亚共析钢（二）亚共析钢 （（0.0218% < Wc <0.77%））组织：组织：P＋＋F组织特征：组织特征：随随WC% ↑，，①①P% ↑ ，，F% ↓ ；； ②②F形态由块状形态由块状→断续网状断续网状性能特点：性能特点：随随WC% ↑，， P% ↑，， σb 、、HBS ↑，， δ 、、Ak ↓15钢钢FP45钢钢FP65钢钢FP钢中含碳量钢中含碳量%＝＝Vp×0.77%＋＋VF×0.0008% 在显微分析中常以在显微分析中常以P与与F的面积数量比来估的面积数量比来估计计亚共析钢亚共析钢的含碳量的含碳量即：即：C％＝％＝50％％P×0.8％％C＝＝0.40％％此钢含碳量约为此钢含碳量约为0.40％，即％，即40钢钢 磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：组织中含有组织中含有50％％P和和50％％F，， 例如，例如，一种未知钢号的碳钢一种未知钢号的碳钢(退火态退火态)，利用金，利用金相法估算此钢的碳含量。

相法估算此钢的碳含量可忽略可忽略共析钢室温组织共析钢室温组织（三）共析钢（三）共析钢（（WC=0.77%））组织：组织：P性能：性能：良好的综合力学性能（良好的综合力学性能（具有强度较高和一定的塑、韧性具有强度较高和一定的塑、韧性））P组织特征：组织特征：Fe3C片状片状分布于分布于F基体上，呈贝壳状基体上，呈贝壳状T12钢退火组织钢退火组织 （（4%硝酸酒精浸蚀硝酸酒精浸蚀））（四）过共析钢（四）过共析钢（（0.77%

硬而脆L’dFe3CІ四、四、组织组成物与含碳量关系组织组成物与含碳量关系（（P77））工业纯铁工业纯铁 Wc < 0.02 F+Fe3C Ⅲ亚共析钢亚共析钢 0.0218 < Wc <0.77 F+P 共析钢共析钢 Wc= 0.77 P过共析钢过共析钢 0.77 < Wc < 2.11 P+Fe3CⅡ亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11 < Wc < 4.3 P+ Fe3CⅡ+L’d共晶白口铸铁共晶白口铸铁 Wc =4.3 L’d 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4.3 < Wc < 6.69 Fe3CⅠ +L’d 类别名称类别名称 含碳量含碳量Wc （（%）） 室温平衡组织室温平衡组织15钢钢45钢钢65钢钢T12 Wc↑，，则则Fe3C↑，，且其形态由且其形态由点点状状→层层片片状状→网网状状 →基体基体 →粗粗大板片大板片状，而状，而 F↓且其形态由且其形态由大块大块 状状→断续断续网网状状→层层片片状。

状 L+ A L P+Fe3CⅡ+L'd   + A L+ Fe3CⅠ   AF   + LF+AF+Fe3CⅢ A+Fe3CⅡ Fe3CⅠ+LdA+Fe3CⅡ+Ld Fe3CⅠ+L'dP+Fe3CⅡ F+P Fe3C 随着含碳量的变化，铁碳合金的组织变化顺序为：随着含碳量的变化，铁碳合金的组织变化顺序为：FF＋＋Fe3CⅢF＋＋PPP+Fe3CⅡP+ Fe3CⅡ＋＋Ld'Ld'Ld'＋＋ Fe3CⅠLd'P0100Fe3CⅡFe3CⅠ组织组成组织组成物相对质物相对质量分数量分数/％％F0100Fe3C相组成物相组成物相对质量相对质量分数分数/％％ 工业纯铁工业纯铁碳素钢碳素钢白口铸铁白口铸铁由图可知：由图可知：Wc≤1.0%时：随钢中时：随钢中Wc↑，则，则其其HB、、σb↑，，δ、、ΨAk↓；； 为保证工业用钢应具有为保证工业用钢应具有足够的足够的σb 和一定的和一定的δ 、、Ak ，，故其故其碳碳含量一般都含量一般都不超过不超过Wc1.3% ~1.4%HBAkδΨσb1.0五、含碳量与力学性能的关系五、含碳量与力学性能的关系（（P79）） 因钢中出现因钢中出现Fe3CⅡ网网而导致而导致钢的钢的σb ↓，，但但HB ↑当当 Wc>1.0%时：时：σb↓而而HB↑。

为什么？为什么？ 1.硬度硬度 主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大关系增大2.强度强度 对组织形态很敏感随碳含量的增加，亚共对组织形态很敏感随碳含量的增加，亚共析钢中析钢中 P 增多而增多而 F 减少P的强度比较高，所以亚共的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大到约析钢的强度随碳含量的增大而增大到约wc=0.9％时，％时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低沿晶界形成完整的网，强度迅速降低 3.随碳含量的增大，随碳含量的增大，F量不断减少，合金的量不断减少，合金的塑性、韧塑性、韧性性连续下降连续下降工业上广泛使用的钢含碳量工业上广泛使用的钢含碳量≤1.3％～％～1.4％硬度硬度≈80×F%+180×P% (HB) 对于应用最广的结构材料对于应用最广的结构材料亚共析钢亚共析钢，合金的硬度、，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：强度和塑性可根据成分或组织作如下估算： 或或硬度硬度≈≈80×F%+800×Fe3C% (HB) 强度强度≈≈230×F%+770×P% (MPa)延伸率延伸率(δ)(δ)≈≈50×F%+20×P% (%)六、铁碳相图的应用六、铁碳相图的应用1.在钢铁材料选用方面的应用在钢铁材料选用方面的应用 ●●建建筑筑结结构构和和各各种种型型钢钢需需用用塑塑性性、、韧韧性性好好的的材材料料，，因因此此选用碳含量较低的钢材。

选用碳含量较低的钢材●●各各种种机机械械零零件件需需用用强强度度、、塑塑性性及及韧韧性性都都较较好好的的材材料料应应选选用用碳碳含含量量适适中中的的中中碳碳钢钢各各种种工工具具需需用用硬硬度度高高和和耐耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种磨性好的材料，则选碳含量高的钢种●●纯纯铁铁磁磁导导率率高高，，矫矫顽顽力力低低，，可可作作软软磁磁材材料料使使用用，，例例如如做电磁铁的铁心等做电磁铁的铁心等●●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、造，但其耐磨性好，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，例如拔丝模、冷轧辊、货不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等车轮、犁铧、球磨机的磨球等  2. 在铸造工艺方面的应用在铸造工艺方面的应用 根据根据Fe-FeFe-Fe3 3C C相图可以确定合金的浇注温度浇注温相图可以确定合金的浇注温度浇注温度一般在液相线以上度一般在液相线以上5050～～100℃100℃ 3. 在热缎、热轧工艺方面的应用在热缎、热轧工艺方面的应用 锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。

一般始缎、锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行一般始缎、始轧温度控制在固相线以下始轧温度控制在固相线以下100～～200℃范围内，终缎、范围内，终缎、终轧温度不能过低亚共析钢热加工终止温度多控制在终轧温度不能过低亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，过共析钢变形终止温度应控制以上一点，过共析钢变形终止温度应控制在PSK线线以上一点，一般始缎温度为以上一点，一般始缎温度为1150～～1250℃，终缎温度为，终缎温度为800～～850℃  4.4.在热处理工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用 Fe-FeFe-Fe3 3C C相相图图对对于于制制订订热热处处理理工工艺艺有有着着特特别别重重要要的的意意义义一一些些热热处处理理工工艺艺如如退退火火、、正正火火、、淬淬火火的的加加热热温温度度都都是依据是依据Fe-FeFe-Fe3 3C C相图确定的相图确定的在运用在运用Fe-FeFe-Fe3 3C C相图时应注意以下两点：相图时应注意以下两点： ① ① Fe-FeFe-Fe3 3C C相相图图只只反反映映铁铁碳碳二二元元合合金金中中相相的的平平衡衡状状态态，，如含有其它元素，相图将发生变化。

如含有其它元素，相图将发生变化 ② ② Fe-FeFe-Fe3 3C C相相图图反反映映的的是是平平衡衡条条件件下下铁铁碳碳合合金金中中相相的的状状态态，，若若冷冷却却或或加加热热速速度度较较快快时时，，其其组组织织转转变变就就不不能能只用相图来分析了只用相图来分析了。