Fe—C合金的组织和性能

（3）Fe—Fe3C相图中的区
Fe—Fe3C相图中的区： ·4个单相区：L、δ、γ、α · 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、 γ+ Fe3C、γ+α、α+ Fe3C ·3个三相共存区：L+γ+ Fe3C（ECF线）、 L+δ+γ（HJB线）、γ+α+ Fe3C（PSK线）
4. Fe—C合金分类
A.三条水平恒温转变线
①包晶线： HJB 线（ 1459℃）， J 为包晶点， wc=0.09 ～ 0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即： L0.53+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ） ② 共 晶 线 ： ECF 水 平 线 （ 1148℃ ） ， C 点 为 共 晶 点 ， wc=2.11 ～ 6.69% 的 Fe 、 C 合金缓冷到 EFC 线均发生共晶反应， 即： L4.30→γ2.11+ Fe3C （LC→γE+ Fe3C） 转 变 产 物 为 γ 和 Fe3C 组 成 的 共 晶 混 合 物 称 为 莱 氏 体 （ledeburite），用Ld表示。 ③ 共 析 线 ： PSK 水 平 线 （ 727℃ ） ， S 点 为 共 析 点 。 凡 wc>0.0218% 的 Fe 、 C 合金冷却到 PSK 线均发生共析反应，即： γ0.77→α0.0218 + Fe3C （γS→αP+ Fe3C） 转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体 （pearlite），用P表示。共析转变温度常用A1表示。
5.碳素结构钢的分类和编号
关于钢和铸铁的命名法则，国内和国际上都有强制性标准。 下面给大家介绍一下碳素结构钢的分类和牌号。 一.分类 1.根据钢的含碳量分类 （1）低碳钢 Wc≤0.25% （2）中碳钢 Wc=0.25～0.60% （3）高碳钢 Wc≥0.60% 2.根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类 （1） 普通碳素钢 Ws≤0.055% Wp≤0.045% （2） 优质碳素钢 Ws≤0.040% Wp≤0.040% （3） 高级优质碳素钢 Ws≤0.030% Wp≤0.030% 3.根据钢的用途分类 （1）碳素结构钢 （2）碳素工具钢
Fe—Fe3C相图相图中的各特性点所对应的温 度、成分和意义如下表： A 、 B 、 C、 D、 E、 F、 G 、 H、 J、 K 、 N、 P 、 S、Q各点
（2）Fe—Fe3C相图的线 Fe—Fe3C相图有一些特性线，它们是由不 同成分合金具有相同意义的点连接起来的。 有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线(水 平)和三条重要的相界线。 Fe—Fe3C相 图中各线的意义如表（讲义P4－51）
Fe—C合金中的基本相 －B
（4） 奥氏体（austenite） 奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶体 称为奥氏体（ austenite ）。 γ 具有 fcc 结构。具有面 心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C 时最多可以溶解 2.11% 的碳，到 727°C 时含碳量降到 0.8% 。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心， 单相γ区存在于NJBESGN区域内（727---1459℃）。奥 氏 体 的 硬 度 (HB170~220) 较 低 ， 塑 性 ( 延 伸 率 δ 为 40%~50%) 高。奥氏体的显微组织见下图。 γ 是顺磁性 （ paramagnetism ），具有 fcc 结构。晶粒呈平直多边 形。
B. 两条磁性转变线

① 230℃为水平线为 Fe3C 的磁性转变线， 230℃ 以上 Fe3C 无磁性， 230℃以下为铁磁性。常用 A0 表 示 ② 770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁 磁性，770℃以下为铁磁体。线)
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图全貌。根据分析围 绕三条水平线可把Fe—Fe3C相图分解为三个 部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶 部分，左下角的共析部分。 分析点、 线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变 线 、重要的相界线
Fe-Fe3C相图
（1）Fe—Fe3C相图的点
（3）白口铸铁
白 口 铸 铁 （ white cast iron ） 是 含碳 量 在 Wc=2.11 ～ 6.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共 晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的 铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所 以性能很脆，不能锻断。它们的断口呈银白色，故称为白 口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种： 共晶白口铸铁（eutectoid cast iron）：Wc=4.30% 亚 共 晶 白 口 铸 铁 （ hypoeutectoid cast iron ） ： Wc=2.11～4.30% 过 共 晶 白 口 铸 铁 （ hypereutectoid cast iron ） ： Wc=4.30～6.69% 上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁 ( 生铁) 的理论分界线。
纯铁的同素异构转变
纯铁的显微组织
(2) 渗碳体(Fe3C)
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 ) ，其晶体 结构如图。 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。 Fe3C 熔点为 1227℃， 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)。这一过程对于铸铁和石墨钢具 有重要意义。所以 Fe—Fe3C 相图又叫介稳定系相图， Fe－C相图又叫稳定系相图，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.
渗碳体的晶格
Fe-Fe3C双重相图
2. Fe—C合金中的基本相 －A
在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温 度)下，可有六个基本相： L相、δ相、γ相、α相、 Fe3C相、石墨（C） （1）液相(L) Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上) （2）δ相[高温铁素体（high temperature ferrite）] C在δ－Fe的间隙固溶体。在1459℃ 时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，也称高温铁素 体（high temperature ferrite）。 （3）渗碳体（cementite） 前面已讨论过
碳在γ－Fe晶格中的位置
奥氏体的显微组织
Fe—C合金中的基本相 －C
（5）铁素体（ferrite） 铁素体（α或 F ）是 C 溶于α－ Fe 形成的间隙固溶体称为 铁素体（ ferrite ）。 C 原子溶于八面体间隙。单相α相在 CPQ 以左部分。铁素体的含碳量非常低，在 727℃时 C 在α－ Fe 中最大溶解量为 0.0218% ，室温下含碳仅为 0.005% ，所以 其性能与纯铁相似：硬度 (HB50-80) 低，塑性 ( 延伸率δ为 30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈 多边形。是铁磁性，具有bcc结构。 （6） 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite） (hcp) 稳定相存在。所以石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本 相。
Fe 、 C 合金通常按其含碳量 (Wc) 及其室温平衡组 织 分 为 三 大 类 ： 工 业 纯 铁 （ pure iron ） 、 碳 钢 （ carbon steel ）、铸铁（ cast iron ）。根据碳 钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即：
（1）工业纯铁：(Wc<0.0218%)显微组织为固溶体。
（2）钢
钢（steel）是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%) 之间的Fe、C合金。其特点是： 高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。因而 可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温 组织的不同，碳钢（carbon steel）又可分为： 共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77% 亚 共 析 钢 （ hypoeutectoid steel ） ： Wc=0.0218～0.77% 过 共 析 钢 （ hypereutectoid steel ） ： Wc=0.77～2.11%
• 二.碳钢的编号 • 我国的钢材编号是采用国际化学符号，数字及汉语拼音 字母并用的原则，碳钢的具体编号方法如下： • 1.普通碳素结构钢 • 该类钢牌号表示方法是用“Q+数字+符号”表示 ，其中 Q代表屈服点的字母，数字表示屈服点数值（MPa），质量 等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F，b，Z，TZ） 等四部分按顺序组成。如Q235-A.F，表示屈服强度数值为 235MPa的A级沸腾钢。质量等级符号表示普碳钢中杂质硫 磷含量的高低，C，D级的含量最低，质量好。脱氧方法符 号从F起依次分别表示沸腾钢，半镇静钢， 镇静钢及特殊镇 静钢，后两种钢牌号中的脱氧方法符号可省略。主要有： Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
Fe—C合金的组织和性能
钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属 材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的 基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳 合金（alloys of the iron－carbon system）。因此， 学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问 题是非常重要的。 铁碳相图(如图7.50)是一个较复杂的二元合金相图， 它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。 在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、 Fe2C 、 FeC 。 所 以 ， Fe-C 相 图 可 以 划 分 成 Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是 硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业 上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所 说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
① GS线：A中开始析出α或α全部溶入(升温时) γ的转变线。 常用 A3 表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共 析α相开始析出线。常称为A3线或A3温度。 ② ES 线： C 在γ中溶解度曲线。常用 Acm 表示，称为 Acm 温度。 低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液(CD 线)态合金中直接析出的一次 Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为 二次Fe3C。 ③ PQ 线： C 在α中溶解度曲线。在 727℃时， C 在α中的最大 溶解度 0.0218% ，但温度下降， C 在中溶解度下降，会析出 少量的渗碳体，，称为三次 Fe3C 。以区别于沿 CD 线和 ES 线 析出的Fe3C。
Fe-Fe3C相图
1.Fe—C合金中的组元 铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C）
(1)
纯铁（Fe）
纯铁（pure iron） WFe > 99.8%，原子序数26， 原子相对质量 55.85 ，纯铁的熔点 1538℃，汽 化点2738℃，密度7.87g/㎝³ 。 纯铁固态下具有 同素异构转变 （ allotropic transformation ） ： 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。 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）。
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。 Fe3C 中碳 和 Fe可以被其它元素替代形成以 Fe3C为基的固溶体。 Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固 溶体，称为合金渗碳体。