铁碳合金相图详解

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1、第三章 铁碳合金相图非合金钢（GBT 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基重要由铁和碳构成的铁碳合金。理解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的某些问题。铁与碳可以形成一系列化合物：、等。的含碳量为6.69，铁碳合金含碳量超过6.69，脆性很大，没有实用价值，因此本章讨论的铁碳相图，实际是-相图。相图的两个组元是和。3.1 -系合金的组元与基本相3.l.l 组元纯铁 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538，20时的密度为。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体

2、构造（同素异构转变），即： -（体心）-（面心）-（体心）工业纯铁的力学性能大体如下：抗拉强度=180230，屈服强度100170，伸长率3050，硬度为5080。可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做构造材料，由于有高的磁导率，重要作为电工材料用于多种铁芯。 是铁和碳形成的间隙化合物，晶体构造十分复杂，一般称渗碳体，可用符号表达。具有很高的硬度但很脆，硬度约为9501050，抗拉强度=30，伸长率。3.1.2 基本相-相图中除了高温时存在的液相，和化合物相外，尚有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：高温铁素体 碳溶于-的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号表达。铁素体 碳溶于-的间隙固溶体，体心立

3、方晶格，用符号或表达。中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008,600时约为0.0057,在727时溶碳量最大，约为0.0218，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊规定可忽视不计。力学性能与工业纯铁相称。奥氏体 碳溶于-的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号或表达。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148时最大达2.11。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。3.2 -相图3.2.1 -相图中各点的温度、含碳量及含义-相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意变化。 C, (重量) 图3.1 -相图表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义符

4、号温度（）含碳量%（质量）含 义ABCDEFGHJKNPSQ153814951148122711481148912149514957271394727727600（室温）00.534.306.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.0057(0.0008)纯铁的熔点包晶转变时液态合金的成分共晶点Fe3C的熔点碳在-Fe中的最大溶解度Fe3C的成分-Fe-Fe同素异构转变点碳在-Fe中的最大溶解度包晶点Fe3C的成分-Fe-Fe同素异构转变点碳在-Fe中的最大溶解度共析点600（或室温）时碳在-Fe中的最大溶解度3.2.2 -相图中重要的点和线3.2.2.1 三个

5、重要的特性点点为包晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到1495时。点成分的与点成分的 发生包晶反映，生成点成分的。包晶反映在恒温下进行，反映过程中、三相共存，反映式为： 或 。点为共晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到1148时。点成分的发生共晶反映，生成点成分的和。共晶反映在恒温下进行，反映过程中、三相共存，反映式为： 或 。共晶反映的产物是与的共晶混合物，称莱氏体，用符号表达，因此共晶反映式也可体现为： 。莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状（727时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。点为共析点 合金在平衡结晶过程中冷却到727时点成分的发生共析反映，生成点成分的

6、和。共析反映在恒温下进行，反映过程中、三相共存，反映式为： 或 共析反映的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用符号表达，因而共析反映可简朴表达为：中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可清晰看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下：抗拉强度（） 770 延伸率（） 2035冲击韧性（） 3040 硬度（） 1803.2.2.2 相图中的特性线相图中的为液相线；为固相线。水平线为包晶反映线。碳含量0.090.53的铁碳含金在平衡结晶过程中均发生包晶反映。水平线为共晶反映线。碳含量

7、在2.116.69之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反映。水平线为共析反映线。碳含量0.02186.69之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反映。线在热解决中亦称线。线是合金冷却时自中开始析出的临界温度线，一般称线。线是碳在中的固溶线，一般称线。由于在1148时中溶碳量最大可达2.11，而在727时仅为0.77，因此碳含量不小于0.77的铁碳合金自1148冷至727的过程中，将从中析出。析出的渗碳体称为二次渗碳体（）。线亦是从中开始析出的临界温度线。线是碳在中的固溶线。在727时中溶碳量最大可达0.0218，室温时仅为0.0008，因此碳含量不小于0.0008的铁碳合金自727冷

8、至室温的过程中，将从中析出。析出的渗碳体称为三次渗碳体（）。线亦为从中开始析出的临界温度线。数量很少，往往可以忽视。下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽视这一析出过程。3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程根据-相图，铁碳含金可分为三类： 下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。3.3.1 工业纯铁以含碳0.01的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。合金在1点以上为液相。冷却至稍低于1点时，开始从中结晶出，至2点合金全部结晶为。从3点起，逐渐转变为，至4点所有转变完了。4-5点间冷却不变。自5点始，从中析出。在晶界处生核并长大，至6点时所有转变为。在6-7点间冷却不

9、变。在7-8点间，从晶界析出。因此合金的室温平衡组织为+。呈白色块状；量很少，呈小白片状分布于晶界处。若忽视，则组织全为。图3.2工业纯铁结晶过程示意图3.3.2 共析钢其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。合金冷却时，于1点起从中结晶出，至2点所有结晶完了。在2-3点间冷却不变。至3点时，发生共析反映生成。从3继续冷却至4点，皆不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织所有为，呈层片状。共析钢的室温组织构成物也所有是，而构成相为和，它们的相对质量为：;图3.3 共析钢结晶过程示意图3.3.3 亚共析钢以含碳0.4的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示。合金冷却时，从1点起自中结晶

10、出，至2点时，成分变为0.53，变为0.09，发生包晶反映生成，反映结束后尚有多余的。2点如下，自中不断结晶出，至3点合金所有转变为。在3-4点间冷却不变。从4点起，冷却时由中析出，在晶界处优先生核并长大，而和的成分分别沿和线变化。至5点时，的成分变为0.77，的成分变为0.0218。此时发生共析反映，转变为，不变化。从5继续冷却至6点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为+。呈白色块状；呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量不小于0.6的亚共析钢，室温平衡组织中的常呈白色网状，包围在周边。图3.4 亚共析钢结晶过程示意图含0.4的亚共析钢的组织构成物（和）的相对质量为：；构成相（和）的

11、相对质量为：由于室温下的含碳量极微，若将中的含碳量忽视不计，则钢中的含碳量所有在中，因此亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据的含量可求出钢的含碳量为：。由于和的密度相近，钢中和的含量（质量百分数）可以近似用相应的面积百分数来估算。图3.5 过共析钢结晶过程示意图3.3.4 过共析钢以碳含量为1.2的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示。合金冷却时，从1点起自中结晶出，至2点所有结晶完了。在2-3点间冷却不变，从3点起，由中析出，呈网状分布在晶界上。至4点时的碳含量降为0.77，4-4发生共析反映转变为，而 不变化。在4-5点间冷却时组织不发生转变。因此室温平衡组织为

12、+。在显微镜下，呈网状分布在层片状周边。含1.2的过共析钢的构成相为和；组织构成物为和，它们的相对质量为：3.3.5 共晶白口铸铁共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示。图3.6 共晶白口铸铁结晶过程示意图合金在1点发生共晶反映，由转变为（高温）莱氏体（+）。在1-2点间，中的不断析出。与共晶无界线相连，在显微镜下无法辨别，但此时的莱氏体由+构成。由于的析出，至2点时的碳含量降为0.77，并发生共析反映转变为；高温莱氏体转变成低温莱氏体(+)。从2至3点组织不变化。因此室温平衡组织仍为，由黑色条状或粒状和白色基体构成（见图3.12）。共晶白口铸铁的组织构成物全为，而构成相还是和，它

13、们的相对重量可用杠杆定律求出。3.3.6 亚共晶白口铸铁 以碳含量为3的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶讨程如图3.7所示。图3.7 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图合金自1点起，从中结晶出初生，至2点时的成分变为含4.3（的成分变为含2.11），发生共晶反映转变为，而不参与反映。在2-3点间继续冷却时，初生不断在其外围或晶界上析出，同步中的也析出。至3点温度时，所有的成分均变为0.77，初生发生共析反映转变为；高温莱氏体也转变为低温莱氏体。在3如下到4点，冷却不引起转变。因此室温平衡组织为+。网状分布在粗大块状的周边，则由条状或粒状和基体构成。亚共晶白口铸铁的构成相为和。组织构成物为、和。它们

14、的相对质量可以两次运用杠杆定律求出。先求合金钢冷却到2点温度时初生和的相对质量：通过共晶反映所有转变为，并随后转变为低温莱氏体，因此 = = = 41。再求3点温度时（共析转变前）由初生析出的及共析成分的的相对质量：。由于发生共析反映转变为，因此的相对质量就是46。3.3.7 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁大同小异，唯一的区别是：其先析出相是一次渗碳体（）而不是，并且由于没有先析出，进而其室温组织中除中的以外再没有，即室温下组织为，构成相也同样为和，它们的质量分数的计算仍然用杠杆定律，措施同上。3.4 含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系3.4.1 按组织划分的-相图由-相图，可知铁碳合金室温平衡组织都由和两相构成，随含碳量增高，含量下降，由100按直线关系变至0（含6.69时）；含量相应增长，由0按直线关系变至100（含6.69时）。变化含碳量，不仅引起构成相的质量分数变化，并且产生不同结晶过程，从而导致构成相的形态、分布变化，也即变化了铁碳合金的组织。由图3.8，可见随着含碳量增长，室温组织变化如下：（+）+。构成相的相对含量及组织形态的变化，会对铁碳合金性能产生很大影响。