材料科学基础——铁碳相图

温 度
Fe Fe3C Fe2C FeC
C
(6.69%C)
渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。 但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某 些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的 形式存在。
因此，铁碳相图有两类： Ⅰ 液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧 靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％ Ⅱ 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中 C含量的范围是0～100％。
7.26%
P% 1 7.26% 92.74%
a) 硝酸酒精浸蚀 白色网状相为二次渗碳体
暗黑色为珠光体
b) 苦味酸钠的浸蚀 黑色网状为二次渗碳体
浅白色为珠光体
5. 共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )
共晶白口铸铁组织金相图
共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )
相组成： α +Fe3C
% 6.69 4.3 35.7%
A型
B型
b. 亚共晶成分铁-石墨相图凝固
如果碳含量偏低，则在共晶转变之前有较多的先 共晶奥氏体呈树枝状析出，此时奥氏体—石墨共 晶只能在枝晶间生长。此时石墨呈D型分布。
石墨在枝晶间呈点片状分布
D型
c. 过共晶成分铁-石墨相图凝固
过共晶成分的铁碳合金凝固后组织中含有初 次石墨
C型：初次石墨呈粗大的片状 F型：初次石墨呈星状分布
6.69
Fe3C% 1 35.7% 64.3%
组织组成： Fe3C+P——Ld‘
Fe3C%
4.3 0.77 6.69 0.77
15.5%
P% 115.5% 84.5%
6. 亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铸铁组织金相图
亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )
相组成： α +Fe3C
铁素体（Ferrite）
碳在α-Fe中的间隙固溶体称为α铁素体，简称为 铁素体(Ｆ)；最大溶碳量为727℃时的 wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性 能为：σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、 δ30%~50%，αk160~200J/㎝2 、硬度~80HB 。
Ld’
过共晶铸铁 4.30-6.69% F+Fe3C Fe3C+Ld’
补充：Fe-石墨相图
02
5
A
1538℃
H
B1493℃
J
N 1394℃
γ
G 910℃
αM P O770℃
P SS
Q 230℃
10
15
20 D 25
L
E 1154℃
C
E 1148℃
C
γ＋G
738℃
727℃
α＋G
D
G F F
K
K
1
2
3
M 770℃
0
纯铁的磁性转变点
N 1394℃
0
γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）
O
770℃ ～0.5 ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度
P
727℃ 0.0218
碳在α-Fe中的最大溶解度
S
727℃ 0.77
共析点（A1）
Q
600℃ 0.0057
600℃时碳在α-Fe中的溶解度
液相线：ABCD 固相线：AHJECF 五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C 七个两相区：L＋ δ，L＋ γ，L＋ Fe3C， δ＋ γ ，
0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69
0 0.09
说明
纯铁的熔点 包晶转变时液态合金的成分
共晶点 渗碳体的熔点 碳在γ-Fe中的最大溶解度 共晶反应生成的渗碳体 α-Fe向γ-Fe转变温度（A3） 碳在δ-Fe中的最大溶解度
J 1495℃ 0.17
包晶点
K
727℃ 6.69
共析反应生成的渗碳体
4
5
6
与Fe-Fe3C相图的不同之处： 1）液相线：ABCD’
固相线：AHJE’C’F’ 2）在Fe-Fe3C相图中所有析出渗碳体的线、点，
在Fe-石墨相图中除位置除有所改变外，都是析 出石墨：
C’D’线析出初次石墨 E’S’线析出二次石墨 E’C’F’线通过共晶转变形成的共晶体是奥氏 体与片状石墨组成的团状组织。
% 6.69 3.0 55.2%
6.69
Fe3C% 1 55.2% 44.8%
组织组成： Fe3C+P+Ld’——？
7. 过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )
过共晶白口铸铁组织金相图
过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )
相组成： α +Fe3C
% 6.69 5.0 25.3%
碳含量
相组成 组织组成
工业纯铁 <0.0218% F+Fe3C
F
亚共析钢 0.0218-0.77% F+Fe3C F+P
共析钢
0.77% F+Fe3C
P
过共析钢 0.77-2.11% F+Fe3C Fe3C+P
亚共晶铸铁 2.11-4.30% F+Fe3C Fe3C+P+Ld’
共晶铸铁
4.30% F+Fe3C
6.69
Fe3C% 1 25.3% 74.7%
组织组成： Fe3C+Ld‘
Fe3C%
5.0 4.3 6.69 4.3
29.3%
Ld'% 1 29.3% 70.7%
总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下
的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量 的增加，渗碳量不断增多。而室温组织组成物却 有α、Fe3CⅢL、dP、 Fe3CⅡ、Fe3CⅠ 和Ld’。
4.2 Fe - Fe3C 相图分析
T
Fe
Fe3C
Fe - Fe3C 相图
A
T
匀晶相图 L+A
共晶相图
L
D
E
A
G 共析相图
A+
A+F S Fe3CⅡ F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
1148℃
C
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ
P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’
( P+Fe3C )
各类铁碳合金中的石墨形态
1. 共析组织是由铁素体和石墨组成的，石墨呈点 状分布在铁素体基体上。
2. 碳含量大于2.08%的合金中，二次石墨和共析 石墨一般都依附在共晶石墨上生长。最终得到 片状石墨加铁素体组织。
a. 共晶成分铁-石墨相图凝固
石墨可有两种形态： A型 石墨无方向性均匀分布 B型 石墨呈片状与点状聚集成的菊花 状分布
3.共析转变反应式:
AS 727℃ ( FP + Fe3C ) P
4.3 典型铁碳合金的平衡凝固
工业纯铁(iron)：C%<0.0218%
钢(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分为： 共析钢(eutectoid steel)： C%： 0.77% 亚共析钢(hypeutectoid steel) ： C%： 0.0218～0.77% 过共析钢(hypereutectoid steel) ： C%： 0.77～2.11%
不进行
充分进行 部分进行 不进行 不进行
F＋G F＋P＋G
P＋G Ld’＋P＋G
不进行 Ld’ ＋P＋Fe3C
碳含量
相组成 组织组成
工业纯铁 <0.0218% F+Fe3C
F
亚共析钢 0.0218-0.77% F+Fe3C F+P
共析钢
0.77% F+Fe3C
P
过共析钢 0.77-2.11% F+Fe3C Fe3C+P
铸铁(cast iron)： C%： 2.11～6.69%，有较好的铸造 性能、质脆，不能锻造。又分为： 共晶铸铁(eutectic cast iron)： C%： 4.30% 亚共晶铸铁(hypoeutectic cast iron) ： C%： 2.11～ 4.30% 过共晶铸铁(hypereutectic cast iron) ： C%： 4.30～ 6.69%
碳在δ-Fe中形成的间隙固溶体称为δ铁素体，(δ) ，最大溶碳量为1495℃时的0.09％。
奥氏体（Austenite）
碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体 (A)，最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％； 奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力 学性能为：σb400MPa、δ40%~50%、 170~220HB。
α＋ γ，α＋ Fe3C， γ ＋ Fe3C 两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230℃的虚线
（渗碳体的）
三条水平相变线：HJB——包晶转变线 ECF——共晶转变线 PSK——共析转变线
1.包晶转变反应式:
LB + H 1495℃ AJ
2.共晶转变反应式:
1148℃
LC
( AE + Fe3C ) Ld
亚共析钢组织金相图
亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
相组成： α +Fe3C
% 6.69 0.45 93.3%
6.69
Fe3C% 1 93.3% 6.7%
组织组成： α +P
% 0.77 0.45 41.6%
0.77
P% 1 41.6% 58.4%
a
b
a)含碳量0.20％
L
2.08A
4.25
0.68A
0.0218F
α－Fe
G共晶 G二次 G共析 G三次
第一阶段 第二阶段
程
度
名称 第一阶段 第二阶段 第三阶段
显微组织
灰口 铸铁
麻口 铸铁 白口 铸铁
充分进行 充分进行 充分进行 部分进行
不进行
充分进行 充分进行 充分进行 部分进行
C型
F型
d. 进行变质处理
浇铸前在液体里加入镁或稀土元素并加入少 量硅：石墨呈球状——球墨铸铁
含碳量小于2.11％的合金在一般情况下都是按照亚稳系统 转变的。
含碳量高于2.11％的合金，在实际生产中是把成分控制在 共晶或亚共晶范围内，在高温区，按稳定系统凝固与转 变，得到共晶与二次石墨；在低温区，按亚稳系统转变 得到珠光体。
A
1538℃
H
B1493℃
J
L
N 1394℃ γ+ L
1154℃
C
γ
E 1148℃
G 910℃
M O770℃
α PS
γ＋Cm
738℃
727℃
α ＋Cm
D
L+Cm
F
K
230℃
Q
Fe
1
2
3
4
5
6 Fe3C
4.1 铁碳合金中的组元及相 纯铁（iron）
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内 ，利用这一特性，工程上常将钢加热到高 温奥氏体状态下进行塑性成形。
渗碳体（Cementite）
渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近 似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示 ，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬 度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为 ：硬度800HB、抗拉强度(σb)30MPa、伸长率 (δ)~0、冲击韧度(αk)~0。
材料科学基础
Fundamentals of Materials Science
第四章 Fe-Fe3C相图
Fe-Fe3C phase diagram
4.1 铁碳合金组元性质 4.2 Fe-Fe3C相图分析★ ★ ★ ★ 4.3 铁碳合金平衡结晶过程★ ★ ★ ★ 4.4 Fe-Fe3C相图的应用 ★ ★ 4.5 碳钢★
1. 工业纯铁 ( Wc < 0.0218% )
纯铁组织 金相图
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
共析钢组织金相图
共析钢 ( Wc = 0.77% )
相组成：α+Fe3C 组织组成：P
% 6.69 0.77 88%
6.69 Fe3C% 1 88% 12%
3. 亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
c
b)含碳量0.40％
c)含碳量0.60％
4. 过共析钢 ( Wc = 1.2% )
过共析钢组织金相图
过共析钢 ( Wc = 1.2% )
相组成： α +Fe3C
% 6.69 1.2 82.1%
6.69
Fe3C% 1 82.1% 17.9%
组织组成： Fe3C+P
Fe3C%
1.2 0.77 6.69 0.77
L+ Fe3CⅠ F
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K
Ld’+Fe3CⅠ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
符 号 温 度/℃
A 1538℃ B 1495℃ C 1148℃ D 1227℃ E 1148℃ F 1148℃ G 912℃ H 1495℃
ω（C）/%
珠光体（Pearlite）
F＋Fe3C的一种机械 混合物，用符号P表 示，其组织为层片状 结构，综合了铁素体 和渗碳体优点，其综 合力学性能好。
莱氏体（Ledeburite）
莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混 合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗 碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了 渗碳体特点，硬而脆。
1000
900
800
700 600 500
1538℃
1394℃ δ - Fe
γ - Fe
912℃
α - Fe 时间
力学性能：σb＝176～274MPa σ0.2＝98～166MPa δ＝30～50％，ψ＝70～80％ HB＝50～80 aK＝1.5～2MNm/m2
应 用：主要应用于电子材料，作为铁芯。