09讲 铁碳合金的组元与基本相 Fe-Fe3C相图分析

《机械制造技术基础》教案

教学内容：铁碳合金的组元与基本相 Fe-Fe 3C 相图分析 教学方式：结合实际，由浅如深讲解 教学目的：

1．了解纯铁的同素异构转变；

2．清楚铁碳合金的基本相及其性能；

3．掌握Fe-Fe 3C 相图的相区、特性点及特性线。

重点、难点：铁碳合金的基本相 Fe-Fe 3C 相图的相区、特性点及特性线 教学过程：

第4章 铁碳相图

铁碳相图是研究在平衡状态下铁碳合金成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具，掌握铁碳相图对于制定钢铁材料的加工工艺具有重要的指导意义。

4.1 铁碳合金的组元与基本相

4.1.1纯铁的同素异构转变

自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。如图4-1所示。纯铁的同素异构转变可概括如下：

1538C 1394912()Fe C C Fe Fe Fe δγα︒︒︒−−−→−−−→−−−→---←−−−←−−−←−−−

液态 α-Fe 和δ-Fe 都是体心立方晶格，γ-Fe 为面心立方晶格。纯铁具有同素异构转变的特

征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依

据。纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。

4.1.2铁碳合金的基本组织

铁碳合金在熔化温度以上可以形成均匀的液体，该液体称为铁碳合金的液相，用符号L 表示。

在固态下碳可以有限地溶于铁的同素异构体中形成间隙固溶体；当含碳量超过它在相应温度固相的溶解度时则会析出具有复杂晶体结构的间隙化合物——渗碳体。

根据铁和碳的相互作用，铁碳合金中可形成五种组织：

1．铁素体（F ） 图4-1 纯铁的同素异构转变

铁素体是碳溶解在α-Fe 中形成的间隙固溶体，它仍保持α-Fe 的体心立方晶格结构。由于α-Fe 晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃），所以是几乎不含碳的纯铁。

铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。

2

180280MPa HBS=5080 =3050% 128160J/cm

b KU a σδ==

显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。

图4-2 铁素体晶胞示意图 图4-3 奥氏体晶胞示意图

2．奥氏体（A ）

奥氏体是碳溶解在γ-Fe 中形成的间隙固溶体。它保持γ-Fe 的面心立方晶格结构。因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量达到2.11%。

奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。

400MPa;HBS=160200;=4050%b σδ≈

由于γ-Fe 一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。 3．渗碳体（Fe 3C ）

渗碳体是铁与碳形成的具有复杂斜方结构的间隙化合物，含碳量为 6.69%，硬度很高（800HBW ），塑性和韧性几乎为零。主要作为铁碳合金中的强化相存在。

显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽，并在一定条件下可以分解出石墨。 4．珠光体（P ）

珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体（机械混合物）。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。

力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。

770MPa HBS=180 =2035%b σδ=

显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。 5．莱氏体（Ld ）

莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。铁碳合金中含碳量为 4.3%的液体冷却到1148℃时发生共晶转变，生成高温莱氏体（Ld ）。合金继续冷却到727℃时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体（L ’d ）。统称莱氏体。

莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。

4.2 Fe —Fe 3C 相图分析

铁碳合金相图是表示在缓慢冷却的条件下，表明铁碳合金成分、温度、组织变化规律的简明图解，它也是选择材料和制定有关热处理工艺时的重要依据。

由于W C >6.69%的铁碳合金脆性很大，在工业生产中没有使用价值，所以我们只研究W C 小于6.69%的部分。W C =6.69%对应的正好全部是渗碳体，把它看作一个组元，实际上我们研究的铁碳相图是Fe-Fe 3C 相图。为了便于研究分析将其简化，便得到了简化的Fe-Fe 3C 相图，如图4-4所示。

图4-4 简化的Fe-Fe 3C 相图 简化的Fe-Fe 3C 相图可视为有两个简单的典型二元相图组合而成。图中的右上半部分为

共晶转变类型的相图，左下半部分为共析转变类型的相图。

简化的Fe-Fe 3C 相图纵坐标为温度，横坐标为碳的质量百分数，其中包括共晶和共析二种典型反应。

4.2.1 Fe-Fe 3C 相图中典型点的含义 见表3-1

表3-1 Fe-Fe 3C 相图中几个特性点

符号 温度/℃ 含碳量（%）

说 明 A 1538 0 纯铁的熔点

C 1148 4.3 共晶点，3A+Fe C

L C

D 1227 6.69 渗碳体的熔点

E 1148 2.11 碳在γ-Fe 中的最大溶解度

G 912 0 纯铁的同素异构转变点Fe Fe α

γ--

P 727 0.0218 碳在Fe α-中的最大溶解度 S

727

0.77

共析点，3s

A F Fe C +

4.2.2 Fe-Fe 3C 相图中特性线的意义 见表3-2

表3-2 简化的Fe-Fe 3C 相图中的特性线

Fe 3C

W C (%)图3-4 简化Fe-Fe 3C 相图

F

0.0218

K

F 0 2.110.77

4.3

D