铁碳合金相图PPT演示文稿

Fe3C → 3Fe+C（石墨）
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第二节 铁 碳 合 金 相 图
一、相图图形介绍
• 在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金脆性大，没有 使用价值。因此只研究含碳量小于6.69%的这一部分，通常称 为铁碳合金相图，也称Fe-Fe3C相图，如图2-1所示。
• 在Fe—Fe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金 的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。包 晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但是 在1400℃以上发生反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织 和性能都没有什么影响，故不予研究。Fe—Fe3C相图可简化 为图2-2形式。
• 铁碳合金相图的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。
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A N
G
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纯铁的冷却曲线
Fe-Fe3C相图（局部）
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一、铁素体
• 碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方晶格的 α-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁 素体中的溶解度很小。在727℃时最大固溶度为0.0218%，而在室温时固溶度 几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：
• 渗碳体的硬度高达HB800，但脆性大，塑性和韧性几 乎是零。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主 要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性 能影响很大。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、 网状和板状形态存在。
• 在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生 下面的分解反应，析出石墨态的碳。反应式如下：
铁碳合金相图
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主要内容
• 铁碳合金的相结构 • 铁碳合金相图 • 碳钢与铸铁 • 铁碳合金相图的应用及其局限
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第一节 铁碳合金的相结构
• 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的δ-Fe，随后随着温度 的降低发生同素异构转变，得到面心立方晶格的γ-Fe，再冷 却生成体心立方晶格的α-Fe。
727
0.77
共析点
11
铁碳合金相图中各主要线的意义：
AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。 ECF为共晶线。若含碳量在ECF线的范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃时 即发生共晶反应，形成莱氏体。 ES为碳在奥氏体中溶解度曲线，简称Acm。从该线可以看出，在1148℃时碳在奥氏 体中的最大溶解度为2.11%，在727℃时，溶解度为0.77%，随着温度降低，碳在奥 氏体中的溶解度也降低而从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称 为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。从液相中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体（Fe3CⅠ）， 从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。
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图2-1 Fe-Fe3C
相图
图2-2 简化的Fe-Fe3C相图
L+Fe 3C
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• 相图的右上部为共晶相图。在1148℃时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：
恒温
Fe3C
L4.3 1148℃
A2.11 +
以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织，称为莱氏体，以符号Ld表示。
GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称A3线。
GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。
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• 珠光体是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：
抗拉强度δ b 布氏硬度 HB
750-900Mpa 180-280HB
断后延伸率 A11.3 冲击韧性 a K
20%~25% 30~40J/cm²
• 由此可见，珠光体力学性能介 于铁素体与渗碳体之间，具有 较好的塑性和韧性，强度较高， 硬度适中。正火后便可得到珠 光体组织。
抗拉强度σ b 180-280Mpa 屈服强度σ S 100-170Mpa
断后伸长率A11.3 30%-50%
冲击韧性αK 布氏硬度HB
160-200 J/cm2 50-80HBS
• 由此可见，铁素体有优良的塑 性和韧性，但强度，硬度较低， 在铁碳合金中是软韧相。铁素 体是912℃以下的平衡相，也 称做常温相，在铁碳相图中用
符号F或α表示。
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二、奥氏体
• 碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有 面心立方晶格的γ-Fe的晶格间隙半径为0.052nm，比α-Fe 的间隙稍大，在1148℃时碳原子在其中的最大固溶度为 2.11%。随着温度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在 727℃时是0.77%(共析点)。
二、相图中点、线和相区的意义
• 铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。
特性点 温度（℃） 含碳量（％）
特性点含义
A
Βιβλιοθήκη Baidu
1538
0
纯铁的熔点
C
1148
4.3
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
碳在奥氏体中的最大溶解度
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G
912
0
α-Fe γ-Fe的同素异构转变点
S
• 碳溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。 当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物 相Fe3C，称为渗碳体。
• 碳原子溶入δ-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。它在 1394℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性 能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。
• 奥氏体是727℃以上的平衡相，也称高温相。在高温下，奥 氏体具有极好的塑性，所以在此相区具有良好的热轧、锻 造等热加工工艺性能。在铁碳合金相图中，奥氏体通常用 符号A或γ表示。
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三、渗碳体
• 渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有复杂结构间隙 化合物，属于复杂八面体结构，含碳量6.69%。
• 相图的左下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是
从液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同
时析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在
727℃时发生共析反应：
恒温
A0.77
F0.0218 + Fe3C
727℃
以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号P表示。