铁碳合金相图钢和铁是工业上应用最广泛的金属材料

当液态合金温度降到1点以后，开始结晶出奥 氏体，直至2点结晶完毕，在2-3点间是单相 奥氏体的冷却，当温度降到3点(S点)，奥氏 体在恒温下发生共析反应，形成珠光体。温 度继续下降至室温，珠光体不再发生组织变 化。所以，共析钢室温时的平衡组织为珠光 体。如图为共析钢的显微组织示意图。
2.亚共析钢的组织转变 亚共析钢冷却过程中的组织转变如 图所示。
一、铁碳合金相图的主要点、线、区 1、主要特性点 Fe-C相图中主要特性点的温度、含碳量及其 含义见下表。
2、主要特性线
ACD线：液相线，在此线以上的区域为液相， 当合金液冷却到此线时开始结晶。 AECF线：固相线，合金熔液冷却到此线时结 晶完毕，此线以下为固相区。 ECF线：共晶线，它是一条重要的水平线， 温度为1148℃，液态合金冷却到此线时，在恒温 条件下，将从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体 的机械混合物，即发生共晶反应： 所形成的共晶体为莱氏体。
一、铁素体(F) 它是碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体 称为铁素体(简称α固溶体)。通常用符号 F表示。晶体结构呈体心立方晶格，碳 在α铁中的溶解度极小，随温度的升高略 有增加，在室温时的溶解度仅有0.008% ，在727℃ 时最大溶解度为0.0218%。铁 素体的性能几乎与纯铁相同，它的强度 和硬度较低，σb=250MPa，HBS=80，塑 性和韧性则很高，δ= 50%。
在1148～727℃之间的莱氏体是A 与 渗碳体组成的混合物，在727℃以下的莱 氏体是P与渗碳体组成的混合物，莱氏 体的性能基本上与渗碳体相同，因此， 上述这三种不同的组织的铸铁统称为白 口铸铁。
三、典型铁碳合金的结晶过程分析 (一)钢的组织转变 1.共析钢的组织转变 含碳量0.77%的共析钢冷却过程中的组织转变如图所 示。
四、铁碳合金相图的应用
1 .在选材方面的应用 铁碳合金相图总结了铁碳合金组织和性能随成分的变 化规律。这样，就可以根据零件的服务条件和性能要求， 来选择合适的材料。碳对铁碳合金的组织和性能有着重大 的影响，如右图所示。不同成份的铁碳合金在机械性能和 工艺性能等方面产生了极大的差异。 根据图中成分―组织―性能关系的规律，可以按照零件 或工具性能要求，进行合理的选材。如果需要塑性好韧性 高的材料时，则可选用铁素体组织多的碳钢；对于要求综 合机械性能较高的材料，可选用组织是铁素体加珠光体的 碳钢。当需要硬度高、耐磨性好的材料时，则应选含碳更 高的其组织是珠光体加渗碳体的碳钢。
三、渗碳体(Fe3C) 它是铁与碳形成的金属化合物Fe3C ，含碳量为6.69%，其晶胞是八面体， 晶格构造十分复杂。渗碳体的性能很硬 很脆，HBW≈800，δ≈0。渗碳体在钢中 主要起强化作用，随着钢中含碳量的增 加，渗碳体的数量增多，钢的强度和硬 度提高，而塑性下降。
四、珠光体(P) 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的 机械混合物，用符号P表示，它是由硬 的渗碳体片和软的铁素体片层片相间， 交错排列而成的组织。所以其性能介于 它们二者之间，强度较高,σb=750MPa ，HBS=180，同时保持着良好的塑性和 韧性δ=（20～25）%。
3、相图中的主要相区 Fe-C相图中的主要相区见下表。
二、钢和生铁的划分 E点成分是钢与生铁的分界线，E点左边的铁 碳合金称为钢( 含碳量小于0.0218%的称为纯铁)。 E点右边的称为生铁。
1.工业纯铁（C<0.0218%） 常温组织为F，Fe3CIII数量极少，经常忽 略。
2.钢(0.0218～2.11) %C 钢的共同特点是在AESG区域中全是A组织， 当温度下降时A发生如下的转变：若钢的含碳量等 于0.77%时，A在727 ℃时全部转变为珠光体，即 A →P；若含碳量小于0.77%时，则A在GS线首先 析出F，冷却到PSK线时剩余的A发生共析反应转 变为P，最后的组织为F+P；若含碳量大于0. 77% 时，则A在ES线首先析出二次渗碳体， 冷却到 PSK线时，A发生共析反应变成P，最后的组织为 P+Fe3CII，所以根据A析出的情况，钢可分为三种 ：亚共析钢：(0.0218～0.77) %C,常温组织为F+P 共析钢：C=0.77%，常温组织为P。 过共析钢：(0.77～2.11) %C，常温组织为 P+Fe3CII。
3.生铁(白口铁) (2.11～6.69) %C 生铁的共同特点是在ECF线上都有共晶 反应，都有莱氏体的组织存在。生铁也分为 三种： 亚共晶生铁：(2.11～4.3)%C，常温组 织为：P+Fe3CII+Ld′ 。 共晶生铁：C=4.3%，常温组织为Ld′ 。 过共晶生铁：(4.3～6.69)%C，常温组织 为Ld′+Fe3CI 。
PSK线：共析线，代号A1。也是一条重要的水平线， 温度为727℃，当合金冷却到此线时，从奥氏体中同时析 出铁素体和渗碳体的机械混合物，即共析反应：
所形成的共析体为珠光体。 ES线 ：代号Acm。是碳在奥氏体中的溶解度线。在 1148℃时奥氏体中的溶碳能力最大为2.11%，随着温度降 低溶解度沿此线降低，而在727℃时仅为0.77%C，所以 含碳量大于0.77%的铁碳合金，自1148℃冷至727℃的过 程中，由于奥氏体含碳量的减少， 将从奥氏体中析出二 次渗碳体(Fe3CII)，以区别于自液体中结晶出的一次渗碳 体(Fe3CI)。 GS线 ：代号A3，奥氏体冷却到此线时，开始析出铁 素体，使奥氏体含碳量沿此线向0.77%递增。
当温度降到1点以后，开始从合金液中结晶出 奥氏体，奥氏体的数量随温度的降低而逐渐 增多，温度降到2点，合金液全部凝固，在23点之间是单一奥氏体冷却。温度降到3点后， 从奥氏体中不断析出铁素体。温度降到4点， 剩余的奥氏体在恒温下转变成珠光体。4点以 下不再发生组织变化， 所以亚共析钢的室温 平衡组织是由铁素体和珠光体组成的。其显 微组织如图所示。亚共析钢中含碳量愈高， 铁素体愈少，而珠光体量则愈多，反之亦然。
3.过共析钢的组织转变 过共析钢冷却过程中的组织转变如 图所示。
当温度降到1点以后，开始从合金液中结 晶出奥氏体，直到2点结晶完毕。在2-3 点之间为单相奥氏体。到3点时从奥氏体 中析出二次渗碳体。随着温度的下降， 析出的二次渗碳体不断增加，奥氏体的 数量与含碳量却逐渐减少，4点时，剩余 的奥氏体的数量进行共析反应，生成珠 光体。4点以后组织不再发生变化，所以 过共析钢的室温平衡组织是由珠光体和 呈网状的二次渗碳体组成，其显微组织 如图所示。
二、奥氏体(A) 碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称为 奥氏体(简称γ固溶体)，通常用符号A表 示。晶体结构呈面心立方晶格。由于γ铁 晶格中间隙较大，因此在727℃时能溶 解0.77%碳，在1148℃时的最大溶解度 达到2.11%，奥氏体存在于727℃以上的 高温区间，具有一定的强度和硬度，以 及很好的塑性，是绝大多数钢在高温进 行锻造或轧制时所要求的组织。
铁碳合金相图是研究铁碳合金的基 础。它是研究铁碳合金的成分、温度和 组织结构之间关系的图形。铁碳合金相 图是人类经过长期实践并进行大量科学 实验总结出来的。由于C>6.69%的铁碳 合金脆性极大，没有使用价值，因此相 图成分轴仅标出含碳量小于6.69%的合 金部分， 如图所示是简化了的铁碳合金 相图。
2.在铸造方面的应用 根据铁碳合金相图确定浇铸温度，一般 在液相线以上150℃左右。并且还可选择 流动性好的合金，即接近共晶成分的合 金应用最广泛。因其熔点低，结晶温度 间隔小，流动性好，组织致密。
3．在锻造方面的应用 可以确定钢材在锻造时必须选择在奥氏体区的适 当温度范围内进行，因为奥氏体单相变形均匀， 强度较低，塑性较好，便于塑性变形。 4．在焊接方面的应用 焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的 ，可根据铁碳合金相图分析低碳钢焊接接头的组 织变化情况。 5．在热处理方面的应用 根据铁碳合金相图拟订淬火、退火、正火等各种 热处理加热规范，有着特别重要的意义。
共晶生铁的显微组织 如图。
亚共晶生铁的组织转变如图所示，其常温 组织为珠光体，二次渗碳体和低温莱氏体。
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过共晶生铁的结晶过程如图所示，其常温 组织为一次渗碳体和低温莱氏体。生铁组织 的特点都含有莱氏体，其性能基本上与渗碳 体相同，因此上述的三种不同组织的铸铁都 是很硬很脆的。在生产上把这三种铸铁统称 为白口铸铁。在727℃以上的白口铸铁组织 是由奥氏体和渗碳体所组成，727℃以下的 白口铸铁组织是由珠光体和渗碳体组成。
第四章 铁碳合金相图 钢和铁是工业上应用最广泛的金属材料， 它们都是铁碳合金。不同成分的钢和铸铁的 组织都不相同，因此，它们的性能和应用也 不一样。 铁碳合金中碳原子和铁原子可以有几种 不同的结合方式：一种是碳溶于铁中形成固 溶体；另一种是碳和铁化合形成化合物；此 外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混 合物。
五、莱氏体(Ld) 奥氏体与渗碳体的机械混合物称为 莱氏体，用符号Ld表示。它是C=4.3% 的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变 的产物。因奥氏体在727℃时将转变为 珠光体，所以在727℃以下， 莱氏体由 珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为 低温莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的 机械性能和渗碳体相似，硬度很高，塑 性很差。
(二)生铁的组织转变 可用分析钢的同样方法来分析生铁的组 织转变。这里仅以共晶生铁为例。 1.共晶生铁的组织转变 共晶生铁冷却过程中的组织转变如图所 示。
当温度降到1点(C点)时，在恒温下发生 共晶反应，全部液体均转变为莱氏体， 即共晶渗碳体基体上分布着奥氏体的共 晶体。在1-2点之间从奥氏体中不断析出 二次渗碳体，但因它混合于基体之中而 无法分辨，当冷却到2点时，剩余的奥氏 体在恒温下发生共析反应，转变成珠光 体。因此，共晶白口铁的平衡组织是由 珠光体和渗碳体组成的低温莱氏体。共 晶生铁的显微组织 如图。