铁碳相图以及铁碳合金

铁碳相图以及铁碳合金 Post By：2009-12-6 16:33:51钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。

因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。

Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。

所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。

由于化合物是硬脆相5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。

，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。

因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。

Fe-Fe3C 相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。

这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe -石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。

图1 铁碳双重相图【说明】图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。

铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。

纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。

碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。

纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1 394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。

工业纯铁的显微组织见图2。

图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。

铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。

铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。

具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。

奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。

奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。

图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。

渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。

在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。

这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。

图6 Fe-Fe3C相图单相区——5个相图中有5个基本的相，相应的有5个相区：液相区(L)——ABCD以上区域δ固溶体区——AHNA奥氏体区(γ)——NJESGNC)——DFK直线以左铁素体区(α)——GPQ(Fe3渗碳体区两相区——7个7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间：L+δ——AHJBALγ——BJECBL——DCFDδ+γ——HNJHγ+α——GPSGγ+ Fe3C——ESKFCEα+ Fe3C——PQLKSP+ Fe3C+三相区——3个包晶线——水平线HJB(Lδ+γ)C)共晶线——水平线ECF(Lγ+Fe3C)++共析线——水平线PSK(γ+α+ Fe3相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表1。

表1 Fe-Fe3C相图中的特性点支持(1) 中立(0) 反对(0) 单帖管理| 引用 | 回复δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。

含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。

共晶转变发生在1148℃（水平线ECF），反应式为：共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体L表示。

凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时，都会d发生共晶反应，形成莱氏体。

，用符号共析转变发生727℃（水平线PSK），反应式为：共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P表示。

含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727℃时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。

Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。

奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。

而在727℃时，溶碳量仅为0. 77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3C II)。

PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。

727℃时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃仅可以溶解7×10-7%C。

所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3C III)。

由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。

GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。

根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可以分为纯铁、钢和白口铁三类。

图7 Fe-Fe3C合金分类1.纯铁——含碳量<0.0218%，显微组织为铁素体。

2.钢——含碳量0.0218%～2.11%，特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。

根据室温组织的不同，钢又可以分为：亚共析钢(Hypo-eutectoidsteel)：含碳量0.0218%~0.77%，具有铁素体α+珠光体P的组织，且含碳量越高（接近0.77%）,珠光体的相对量越多，铁素体量越少。

共析钢(Eutectoid)：含碳0.77%，组织是全部珠光体P。

过共析钢(Hyper-eutectoid)：含碳量0.77%～2.11%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C。

3.白口铁——含碳量2.11%～6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。

但是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。

根据室温组织不同，白口铁又分为：室温下45钢的组织为：铁素体α+珠光体P（α+Fe3C）。

45钢的实际室温组织照片见图9。

所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在于相对量的差别：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的量越少。

图10和图11分别是2 0钢(0.20%C)和60钢(0.60%C)的组织照片，可以明显看出铁素体与珠光体的相对量随含碳量的变化。

应用杠杆定律可以准确计算相对量的多少。

45钢冷却过程中的组织转变图9 45钢的室温组织图10 20钢的室温组织图11 60钢的室温组织例题应用杠杆定律计算45钢中铁素体α和珠光体P的相对量。

解：应选择α+γ二相区，共析温度或QP=1-Qα=1-42.77%=57.23%同样可以计算出20钢：Qα=76.18%,QP=23.82%；60钢：Qα=22.72%,QP=77.28%。

过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体γ；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3CII），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光体P。

因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(α+Fe3C)+Fe3CII。

具体转变过程见动画演示。

实际1.2% C（T12）钢的室温组织照片见图12。

对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中Fe3CII的量增大。

由于大量的Fe3CII会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe3CII的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe3CII网）或相应的热处理后才能使用。

过共析钢冷却过程中的组织转变演示图12 1.2%C过共析钢的室温组织图13 1.4%C过共析钢的室温组织比较图12和图13，可以看出1.4%C钢中的Fe3CII的量比1.2%C中明显的多。

共晶白口铁在从液态缓慢冷却到室温的过程中，首先在1148℃进行共晶转变，液相全部凝固成为高温莱氏体Ld（共晶组织）：在1148℃到727℃之间，莱氏体中的奥氏体γ将按照ES线的变化趋势析出二次渗碳体Fe3CII，而奥氏体在727℃时的含碳量降到0.77%；此时，奥氏体进行共析转变，将全部转变成珠光体P：以上转变过程见动画演示。

经过共析转变的莱氏体，称为低温莱氏体，用符号Ld'表示，以区别Ld。

珠光体中的渗碳体叫做共析渗碳体，共晶组织中的渗碳体叫做共晶渗碳体。

所以，共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体Ld'，其组织组成为：P+Fe3C 共晶+Fe3C II。

图14是共晶白口铁的实际室温组织照片。

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过共晶白口铁在从液态到室温的冷却过程中，先从液相中结晶出来的是一次渗碳体Fe3CI，剩余的液相在1148℃进行共晶转变。

以下的过程与共晶白口铁相同（见下面动画演示）。

因此，过共晶白口铁的室温组织为：Fe3CI+Ld’。

见图16。

过共晶白口铁(5.0%C)冷却过程中的组织转变图16 过共晶白口铁的室温组织图中白色条状组织为一次渗碳体Fe3CI，其余为共晶组织（低温莱氏体Ld’）。

所有白口铁因含有大量的渗碳体而具有很高的硬度，极低的塑性，属于脆性材料。

在生产中白口铁主要用于抗磨件，如：轧辊、犁铧、抗磨衬板，等。

另外，生产可锻铸铁也需要先生产出白口铸铁坯件，然后通过石墨化热处理得到可锻铸铁件。

所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体α和渗碳体Fe3C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成物。