材料科学基础第四章相平衡与相图(4)

二、Fe－Fe3C相图分析 1.相图中各点、线、区及意义
液相线－ ABCD
线
固相线－ AHJECF
: 5个单相区:
•ABCD以上－液相区（L） • AHNA－ δ 铁素体区 • NJESGN－ γ奥氏体区 •GPQ以左－ α 铁素体区 •DFK-－Fe3C渗碳体区
•七个两相区:
L＋δ、 L+γ、 L+Fe3C 、 •δ + γ、 α + γ 、
图2-29 Fe-Fe3C相图
三条重要的特性线
•GS线又称A3 线：冷却时A向F转变的 •开始线或加热时F向A转变终了线；
• A→F 或 F→A • fcc→bcc或bcc →fcc
•GS线是由G点（ A3点）演变而来的， •随着含碳量的增加，奥氏体与铁素 •体的同素异晶转变温度逐渐降低， •从而由A3点演变成了A3线。
S点：共析点（0.77％C） PSK：共析反应线（727 ℃ ）也称A1线
AS→FP+ Fe3C 即：A0.77→F0.0218+ Fe3C 共析组织：珠光体 （ P ）
图2-29 Fe-Fe3C相图
0.09－0.53％C的所有铁碳合金冷 •至此温度都发生包晶转变：
•0.17％C（包晶）合金，反应前δ和L •的数量匹配得当，反应结束时δ和L •同时耗尽，变为单相奥氏体γ 。
α → Fe3CⅢ
最大的 Fe3CⅢ量： •W （Fe3CⅢ）＝0.0218－0.008 •／6.69－0.008＝0.33％
室温组织F+Fe3CⅢ 组成相为F+Fe3C
F + 少量Fe3CⅢ
Fe3CⅢ在晶界呈薄片状断续分布， 因量少，对性能影响不大，可忽略 不计。
•⑵ 共析钢 合金② •（W（C）＝0.77％） 1－2点温度区间：L → γ， 按
• γ + Fe3C 、F + Fe3C
图2-29 Fe-Fe3C相图
•三个重要的点和线
J点：包晶点(0.17%C） HJB：包晶反应线（1495℃）
LB+δH→AJ 即： L0.53+δ0.09→A0.17
•C点：共晶点（4.3％C） •ECF:为共晶反应线（1148 ℃ ） • Lc→AE+Fe3C •即：L4.3→A2.11+Fe3C •共晶组织：莱氏体（ Ld ）
它在共析铁素体与共析渗碳 体的相界面上形成并与共析 渗碳体连在一起，在显微镜 下难以分辨，其数量很少， 对珠光体组织和性能无明显 影响，一般都忽略不记。
室温组织：P 组成相为：F+Fe3C
F% 6.69 0.77 100% 88% 6.69
Fe3C% 1 88% 12% 珠光体组织中， W（ α）： W（ Fe3C ）＝8：1，即铁素体的体积应是 渗碳体的8倍。
•⑸ 共晶白口铸铁 W（C） ＝4.3％ •⑹亚共晶白口铸铁 W（C） ＝2.11％－4.3％ •⑺过共晶白口铸铁 W（C） ＝4.3％－6.69％
•碳钢与白口铸铁的界限是2.11％C： •0.0218％ －2.11％不发生共晶转变属于碳钢， •2.11％－ 6.69％发生共晶转变属于白口铸铁。
•2.画铁碳相图的步骤：
图2-29 Fe-Fe3C相图
•ES线又称Acm线：C在A中的溶解度变化曲线；当温度低于此线时， •从奥氏体中就要析出二次渗碳体 A→Fe3CⅡ •记作Fe3CⅡ，ES线又称为二次渗碳体的开始析出线。又称Acm线。 •E点（1148 ℃）为γ的最大溶碳量。Fe3CⅡ网状分布在A晶界上。
PQ线：C在F中的溶解线； •在 727 ℃时（P点）溶碳达最大值 •为0.0218%C， 在300 ℃以下，减少 •到0.008％C； •0.0218%C→0.008%C，F→Fe3CⅢ
•6.3个恒温转变反应式： •L＋δ→A、 L→A＋Fe3C、A→F＋Fe3C。
7.3个匀晶转变：L→δ、L→ A、L→Fe3CⅠ 8.2个同素异构转变：δ-Fe→γ-Fe→α-Fe
•9.两个脱溶转变：A→ A＋Fe3CⅡ F→F＋Fe3CⅢ
几种碳钢的钢号和碳质量分数
类型
亚共析钢
共析钢 过共析钢
钢号
匀晶转变结晶出奥氏体，在2点 结晶完毕，全部转变为奥氏体。
2－3温区： γ冷却过程。 冷却到3点（727℃）时：在恒温下发生共析转变，
γ S→ αp＋ Fe3C 形成珠光体，两相一般为层片状分布。
•继续冷却时：珠光体中的 •铁素体的含碳量将沿着PQ •线变化，共析铁素体要析 •出三次渗碳体； •（α → Fe3CⅢ ）
•1.纯Fe的转变点：一个熔点和两个同素异 •构转变点。注意温度 •（A—1538℃、N—1394℃、G—912℃）。 •2.画三条水平线。注意由温度确度水平线 •高低位置、由水平线起始点的成分数值确 •定水平线长短位置。
•3.写各点的符号（字母）并连线。分三个 •相图形式连线。 •4.10个成分点。HJB ECF PSK Q •5.6个温度。A N G（熔点和同 •素异构转变温度）；HJB 线、PSK线、ECF线。
•这种由铁素体析出的渗碳体称为 •三次渗碳体。 •Fe3CⅢ呈短杆状，量极少，可忽略。
图2-29 Fe-Fe3C相图
•三、铁碳合金及平衡结晶 •1 .铁碳合金 •根据含碳量及组织特征， •铁碳合金可分为7种。
⑴ 工业纯铁
•W（C）＜0.0218％ •只发生同素异晶转变
碳钢 白口铸铁
•⑵ 共析钢 W（C）＝0.77％ •⑶ 亚共析钢 W（C）＝ 0.0218％－ 0.77％ •⑷ 过共析钢 W（C）＝0.77％－2.11％
20 45 60
T8 T10 T12
碳质量分 数/%
0.20
0.45
Байду номын сангаас0.60
0.80
1.00 1.20
⑴ 工业纯铁 合金Ⅰ
1－2 温度区间： L → δ 按匀晶转变结晶出固溶体。
2－3温度区间： δ相冷却过程。 冷至3点： δ → γ，发生δ固溶 体同素异晶转变，奥氏体优先在δ 相的晶界上形核并长大，这一转变 在4点结束，合金全部为奥氏体。
δ铁素体：
称高温铁素体，碳溶于δ- Fe中的间隙
固溶体，体心立方晶格(bcc) ，用符号 δ表示。
三种固溶体的溶碳能力：
铁素体：
最大溶碳量（727℃）为0.0218％，室温 下为0.008％。
奥氏体：
奥氏体的最大溶碳量（1148 ℃）为 •2.11％，随着温度降低，其溶解度也减 •小，在727℃时，为0.77%C。
2.渗碳体 Fe3C相
3.石墨 C或G
是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为6.69％， 可用符号Cm表示，熔点为1227 ℃，晶格类型 是正交晶系，硬度很高HB＝800，延伸率近另。 230 ℃（A0）为居里点，230 ℃以下具有一定 的铁磁性。
•渗碳体是一种亚稳定相。在一定条件 •下会发生分解，转化为石墨 • Fe3C－3Fe＋C（石墨） •石墨含有100％的碳，具有六方晶格， •是灰口铸铁中的一个基本组成相。 •硬度HB3－5，塑性几乎为另，可用符 •号C或G表示。
γ S→ αp＋ F3C
5点以下：先共析α和 P中的共析铁素 体析出Fe3CⅢ，因数量很少忽略不记。
室温组织F+P 组成相为F+Fe3C
含碳量越高珠光体量越 多，先共析铁素体量越少。
（ 见图5－43a、b、c）
计算W（C）＝0.40％碳钢 室温下组织组成物和相组 成物的相对量：
•组织组成物含量为: •W（F）＝0.77－0.40／0.77－0.0218 •＝49.5％ •W（p）=1－49.5％＝50.5％
渗碳体是一个稳定的化合物，将其 •作为一个组元与铁构成Fe－Fe3C 相 •图。由于钢的含碳量最多不超过 •2.11％，铸铁中含碳量最多不超过 •5％，所以研究铁碳合金，只需研 •究Fe－Fe3C部分即可。
为全面反映铁碳合金的组织状态， 将 Fe－Fe3C和Fe－C综合在一起， 绘成双重相图，如图5－37所示。
4－5温区：γ相冷却过程。 冷却到5点：γ → α 发生γ固溶体的同素异晶转变， 同样铁素体也是在奥氏体晶 界形核，并长大。
•温度降到6点： •奥氏体全部转变为α铁 •素体。
6－7温区： α相冷却。 冷至7点时：碳在铁素体中的溶解度达 到饱和，当温度降至7 点以下时，从 铁素体中将析出三次渗碳体
图中实线部分为Fe－Fe3C相图，虚线表示Fe－C相图 （虚线与实线重合的部分以实线表示）。 相图中包括包晶相图、共晶相图、共析相图组成。
一、铁碳合金的组元及基本相
• 1.纯铁 • 铁是过渡族元素，熔点为1538℃。在固态下铁可以
发生两种同素异晶转变，具有两种同素异晶状态。
•将δ-Fe →γ -Fe 的转变温度称为A4点， •γ -Fe → α -Fe的转变温度称为A3点。 •同素异晶转变与液态结晶一样，也是一种相变过程。为了区别于 •液态结晶，通常将固态下的相变过程称为重结晶。
δ铁素体：
•δ铁素体的最大溶碳量（1495 ℃）为 •0.09％。
•奥氏体的溶碳能力大于铁素体的原因： •奥氏体晶体间隙大，面心立方晶格（γ-Fe）八面体半径为 •0.0535nm（950 ℃）;体心立方晶格（ α-Fe）八面体半径 •为0.0186nm（20 ℃），碳的原子半径为0.077nm 。
铁素体的性能 奥氏体的性能
力学性能以及物理、化学性能 与纯铁极相近，塑性、韧性很 好（δ=30%~50%），强度、 硬度很低（σb=180~280Mpa）。 居里点也是770℃。
强度、硬度低，塑性、韧性高。 在铁碳合金平衡状态时，奥氏 体为高温下存在的基本相，也 是绝大多数钢种进行锻压、轧 制等加工变形所要求的组织。
（3）亚共析钢 合金③
W（C）＝0.40％ 1－2温度区间： L → δ按匀晶 转变结晶出δ固溶体。