4.铁碳合金

第四章 铁碳合金
§ 4-2 Fe - Fe3C相图分析
图 铁碳相图
第四章 铁碳合金
一、相图中的点、线、区及意义
1．相图分析
表 铁碳相图中的特征点
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义
A 1538
0
纯铁的熔点
B 1495
0.53 包晶转变时液态合金的成分
C 1148
0.43 共晶点
D 1227 E 1148
第四章 铁碳合金
渗碳体wc=6.69%，熔点为 1227℃，渗碳体不发生同素 异晶转变；230℃以下时有弱 铁磁性，硬度很高 （950~1050HV），而塑性和 韧性几乎为零。 渗碳体是一个独立的相。 因其性能又脆又硬，没有单 独用它做为组织使用，而是 多与铁素体或奥氏体共同组 成双相组织。
第四章 铁碳合金
第四章 铁碳合金
纯铁的冷却曲线及 晶体结构变化
第四章 铁碳合金
碳在γ－Fe晶格中的位置
第四章 铁碳合金
奥氏体的显微组织
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铁素体的显微组织
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铁的固溶体
晶格类型 最大含碳量
性质
铁素体 （F）
体心立方 0.0218%
室温下铁素体的性 能与纯铁相似。
奥氏体 （A）
面心立方 2.11%
石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑 性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。
第四章 铁碳合金
思考题： 下列说法正确的是： A.铁素体是碳溶解于α-Fe中形成的固溶体，具有体心立 方晶体结构；
B.渗碳体是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体，具有体心立方 晶体结构； C.奥氏体是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体，具有面心立方 晶体结构。
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图 铁碳相图
第四章 铁碳合金
§ 4-1 铁碳合金的组元及基本相 一、纯铁
铁碳相图的组元为纯铁和碳。 纯铁（pure iron） 熔点1538℃，汽化点2738℃，密度 7.87g/㎝³。 纯铁固态下具有同素异构转变：912°C以下为体心立方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心立方(fcc) 结构, 1394°C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。
θ-碳化物称为渗碳体，一般用Fe3C 表示。 χ-碳化物又称Hagg碳化物，一般用Fe2.2C或Fe5C化学式 表示。具有底心单斜点阵。其存在温度低于θ-碳化物。 ε-碳化物一般用Fe2.4C或FexC化学式表示，具有密排六方 点阵。当碳在α-Fe过饱和固溶体于250℃以下加热时，可析 出ε-碳化物，并随加热温度提高而转变为χ或θ-碳化物。 三、石墨
Fe3C中各铁原子之间是纯金属键，铁原子和碳 原子之间可能同时存在金属键和离子键
第四章 铁碳合金
Fe3C是一种亚稳化合物，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)。 所以Fe—Fe3C相图为介稳定系相图，Fe－C相图为稳 定系相图，若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一 图上，称为Fe－C合金双重相图。 • Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。 • Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳 体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁 材料中的主要强化相。 • F体溶e3。体C中F，e碳被称和C为rF、合e可 M金n以渗等被碳原其体子它。金元属素置替换代，形形成成以以FFee3C3C为为基基的的固固溶
高温铁素 体 （δ）
体心立方 0.09%
奥氏体具有良好的 塑性、韧性和一定 的强度、硬度。
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二、渗碳体(铁碳化合物)
渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C) 形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)。Fe3C是 由C原子构成的一个斜方晶格， 原子周围有六个Fe原 子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体 共有，Fe:C=3:1。
第四章 铁碳合金
第四章 铁碳合金
在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、 Fe2C、FeC。通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
第四章 铁碳合金
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材 料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有 重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、 Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是 Fe- Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图, 此时相 图的组元为Fe和Fe3C。
6.69 Fe3C的熔点 2.11 碳在 γ-Fe中的最大溶解度
F 1148 G 912
6.69 Fe3C的成分
0
α与γ同素异构转变点(A3)
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表 铁碳相图中的特征点（续）
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义
在铁碳合金中，当条件适当时，碳原于也可以单质状 态——石墨形式存在，且多出现于铸铁组织中。
第四章 铁碳合金
石墨(Graphite)具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子 以共价键结合,间距0.142nm结合力较强，两层晶面的间 距为0.34nm，结合力弱。
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石墨组织记G(Graphite)。
第四章 铁碳合金
纯铁具有磁性转变（768℃磁性转变、magnetic transformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少 用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。 α相 C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α 相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。 γ相 C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ 相形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。 δ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相 出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素 体。
片状石墨＋铁素体和珠光体的混合组织。
灰铸
石
铁的
墨 片
的
显微
三 维
形
铁 素 体 灰 铸 铁
组织
貌
铁
素
珠 光 体 灰 铸 铁
体 加 珠 光 体 灰 铸
铁
球墨铸铁的显微组织
铁
素 体 球 墨 铸 铁
珠 光 体 球 墨 铸
铁
铁
素
体
球
加
墨
珠
铸
光
铁
体
中
球
的
墨
石
铸
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墨
铁
球
第四章 铁碳合金
石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面 的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片 状。