铁碳合金相图

第二节 Fe-Fe3C 相图

相图：表示在平衡条件下（极其缓慢加热和冷却）合金成分、温度、组织状态之间的关系图形称为合金相图，又称合金状态图。本节主要讨论铁碳合金相图。

相图测定方法：最常用的相图测定方法为热分析法，即对合金系中不同成分的合金进行加热熔化，观察在极其缓慢加热和冷却过程中内部组织的变化，测出其相变临界点，并标于“温度——成分”坐标中，绘成相图。（以Cu-Ni相图为例,点击此处可观看Cu-Ni合金相图测定原理）

由于Wc>6.69%的铁碳合金脆性极大，加工困难，生产中无实用价值，并且Fe3C（Wc = 6.69%）可以作为一个独立组元。因此，我们仅研究Wc为0%~ 6.69%的Fe-Fe3C相图部分。为便于研究，将相图左上角部分简化，得到简化后的Fe-Fe3C相图。

一、Fe-Fe

3

C相图分析

相图分析思路：特性点---

→特性线---

→相

区

简化后的Fe-Fe3C相图可看作由两个简单组元组成的典型二元相图，图中纵坐标表示温度，横坐标表示成分。左端原点Wc=0%，即纯铁；右端点Wc=6.69%，即Fe3C。横坐标上任何一个固定的成分均代表一种铁碳合金。例如S点，表示Wc=0.77%的铁碳合金。

Fe-Fe

C相图

3

C相图的特性点

1、Fe-Fe

3

Fe-Fe3C相图中特性点的成分和温度与被测材料纯度和测试条件有关，故在不同资料中，各特性点位置略有不同。各特性点的温度、成分及含义见下表。

Fe-Fe3C相图特性点

特性点温度t/℃Wc/% 含义

A1538 0 纯铁的熔点

C1148 4.3 共晶点，LC→ld

D1227 6.69 渗碳体的熔点（计算值）

E1148 2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度

G912 0 纯铁的同素异晶转变点，α-Fe→γ-Fe

C相图的特性线

2、Fe-Fe

3

Fe-Fe3C相图的特性线是不同成分合金具有相同物理意义临界点的连接线，简化的Fe-Fe3C 相图中各特性线的名称及含义如表2-2所示

Fe-Fe3C相图特性线

3、Fe-Fe

C相图的相区（标示于相图中）

3

[相图分析要点]：

•五个重要的成份点: P、S、E、C、F

¨四条重要的线: ECF、PSK、ES、GS

¨三个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变反应式、包晶转变（本节略）

11二个重要温度: 1148 ℃、727 ℃

二、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程及其组织

铁碳合金的分类：工业纯铁、钢、白口铸铁。

1、共析钢的结晶过程及平衡组织

图中（1）线的共析钢从高温液态冷却时，与相图中的AC、.AE和.PSK线分别交于1、2、3点。该合金在1点温度以上全部为液相（L）；缓冷至1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体；缓冷至2点温度时，液相全部结晶为奥氏体；当温度缓冷至3点温度时（727℃）时，奥氏体发生共析转变，生成珠光体组织，用符号P表示，共析转变式为。这种由一定成分的固相，在一定温度下同时析出紧密相邻的两种或多种不同固相的转变，称为共析转变，发生共析转变的温度称共析温度。当温度继续下降时，铁素体成分沿PQ线变化，将会有少量的渗碳体（称为Fe3CⅢ）从铁素体中析出，并与共析渗碳体混在一起，这种渗碳体（Fe3CⅢ）在显微镜下难以分辩，故可忽略不计。因此，共析钢的室温平衡组织为珠光体。

工程材料及成形工艺基础

共析钢显微组织

2、亚共析钢的结晶过程及平衡组织

以图中（2）合金为例。冷却时与图中的AC、.AE.、GS和PSK线分别交于1、2、3、4点。该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降纸，铁素体量不断增多，成分沿GP线变化，奥氏体量逐渐减少；当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。随后的冷却过程中，也会从铁素体中析出三次渗碳体（Fe3CⅢ），但因量少忽略不计，因此亚共析钢的室温平衡组织为珠光体和铁素体。必须指出，随亚共析钢含碳量的增加，组织中铁素体量将减少。图中白亮色部分为铁素体，呈黑色或片层状的为珠光体。

工程材料及成形工艺基础

20钢45钢65钢

亚共析钢显微组织

3、过共析钢的结晶过程及平衡组织

过共析钢的结晶过程以图中（3）中合金为例。冷却时与图中AC、.AE、.ES和PSK线分别交于1、2、3、4点。该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出渗碳体（称此为二次渗碳体Fe3CⅡ），随温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而剩余奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至4点（727℃）时，奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。因此，过共析钢室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。二次渗碳体一般以网状形式沿奥氏体晶界分布。图中片状或黑色组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。

工程材料及成形工艺基础

过共析钢显微组织(T12钢)

4、共晶白口铸铁的结晶过程及组织

共晶白口铸铁（如图2-2合金Ⅳ）的碳质量分数Wc=4.3%，该合金冷却时，与图中EF、.PSK 线分别交于1、2点。该合金在1点以上为液相，缓冷至1点温度（即C点、1148℃）时，液体在恒温下同时结晶出奥氏体和渗碳体两种固相，称为莱氏体或高温莱氏体，用符号Ld表示。这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种或多种固相的转变，称为共晶转变。共晶转变式为 Ld---→(AE+Fe3C)。共晶转变完成后，莱氏体在继续冷却过程中，其中的奥氏体将不断折出二次渗碳体，奥氏体中的含碳量沿ES线逐渐向共析成分接近，当温度降到2点（727℃）