第四章 铁碳合金

wγ ＝
6.69 4.30 100% 6.69 2.11
＝52%
＝1-52%＝48% 含碳量在2.11%～6.69%之间的合金，都要进行共晶转变，这类合 金叫做铸铁，因组织中都含有莱氏体，并因断口呈银白色而叫做白口 铸铁。
3
wFe C
其中，碳含量在2.11%～4.30%之间的合金叫亚共晶白口铸铁 。这类合金由液相开始凝固时，从BC线开始析出先共晶奥氏体， 然后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体。先共晶奥氏体 一般具有树枝晶的形貌。值得指出的是在共晶温度1148℃与共析 温度727℃之间，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中的碳含量都将从 2.11%降至0.77%，并析出二次渗碳体(用Fe3CⅡ表示)，随后又都 在727℃转变为珠光体。 含碳量为4.3%～6.69%范围内的合金叫过共晶白口铸铁。这 类合金冷却时，冷却到CD线开始从液相中析出先共晶渗碳体，然 后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体。先共晶渗碳体呈 板片状，也称为一次渗碳体(用Fe3CⅠ)。
图4.4
渗碳体晶胞中的原子数
4.2
4.2.1
Fe-Fe3C相图分析
相图中的点、线、区及其意义
图4.5
Fe-Fe3C相图
相图上的液相线是ABCD，固相线是AHJECF，相图中有五个单相 区，分别是： ABCD以上——液相区(L) AHNA——δ 固溶体区(δ ) NJESGN——奥氏体区(γ ) GPQG——铁素体区(α ) DFKL——渗碳体区(Fe3C或Cm) 相图上有七个两相区，它们分别存在于相邻两个单相区之间， 这些两相区分别是： ABJHA——液相＋δ 固溶体区(L＋δ ) JBCEJ——液相＋奥氏体区(L＋γ ) DCFD——液相＋渗碳体区(L＋Fe3C) HJNH——δ 固溶体＋奥氏体区(δ ＋γ ) GSPG——铁素体＋奥氏体区(α ＋γ ) ECFKSE——奥氏体＋渗碳体(γ ＋Fe3C)
PK
6.69 0.0218
=1-88.7%=11.3% 渗碳体与铁素体含量的比值为 wFe3C / w ≈1/8。这就是说，如果忽略 α 铁素体和渗碳体比体积上的微小差别，则铁素体的体积是渗碳体的8倍，在 金相显微镜下观察时，珠光体组织中较厚的片是铁素体，较薄的片是渗碳 体。
3
wFe C
图4.6是不同放大倍数下的珠光体组织照片。珠光体组织
3.2.4
共析转变(PSK线)
Fe-Fe3C相图上的共析转变是在727℃恒温下，由含碳量为0.77%的奥氏 体转变为含碳量为0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物，其反应式为 727℃ γ s αp ＋Fe3C 共析转变的产物称为珠光体，用符号P表示。共析转变的水平线PSK， 称为共析线或共析温度，常用符号A1表示。凡是含碳量大于0.0218%的铁碳 合金都将发生共析转变。 经共析转变形成的珠光体是层片状的，其中的铁素体和渗碳体的含量 可以用杠杆定律进行计算： 6.69 0.77 SK wα = = ×100%=88.7%
4.3
铁碳合金平衡结晶过程及组织
现从每种类型中选择一种合金来分析其平衡结晶过程和 组织，所选合金的成分在相图上的位置如图4.7所示。
第四章 铁碳合金
碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。了解铁
碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各种热加工 工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都有十分重要的 意义。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。 现在，仅研究铁-渗碳体的部分。这不仅简化了我们对铁 -碳二元系的认识难度，而且由于实际使用的金属合金其 含碳量一般不超过5%，所以先来重点研究Fe-Fe3C相图十
中片层排列方向相同的领域叫做一个珠光体领域或珠光体团 。相邻珠光体团的取向不同，在显微镜下，不同的珠光体团
的片层粗细不同，这是由于它们的取向不同所致。
(a) 500× 图4.6
(b) 1000× 不同放大倍数下的珠光体
3.2.5
Fe-Fe3C相图中三条重要的特征线
1. GS线 GS线又称A3线，它是在冷却过程中，由奥氏体析出铁素体的 开始线，或者说在加热过程中，铁素体溶入奥氏体的终了线。实 际上，GS线是由G点(A3)演变而来的，随着含碳量的增加，使奥氏 体向铁素体的同素异晶转变温度逐渐下降，从而由A3点变成了A3 线。 2. ES线 ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。当温度低于此曲线时， 从奥氏体中析出次生的渗碳体，通常称之为二次渗碳体，因此该 曲线又是二次渗碳体析出的开始线。ES线又叫Acm线。 由相图可以看出，E点表示奥氏体的最大溶碳量，即奥氏体 的含碳量在1148℃时为2.11%，其物质的量比相当于9.1%。可以 表明，此时铁与碳的物质的量比差不多是101，相当于2.5个奥氏 体晶胞中才有1个碳原子。
3.2.3
共晶转变(水平线ECF)
Fe-Fe3C相图上的共晶转变是在1148℃的恒温下，由含碳量为4.3% 的液相转变为含碳量为2.11%的奥氏体和含碳量为6.69%的渗碳体组成 的混合物。其反应式为 1148℃ LC γE ＋Fe3C 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，称为莱氏体，用Ld表 示。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈短棒状分布在渗 碳体的基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。 莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量可用杠杆定律求出
4.1 纯铁的冷却曲线
固态下的同素异晶转变与液态结晶一样，也是形核与长大的 过程，为了与液态结晶相区别，将这种固态下的相变结晶过程称 为重结晶。应当指出，α -Fe在770℃还将发生磁性转变，即由高 温的顺磁性状态转变为低温的铁磁性状态。通常把这种磁性转变 称为A2转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。在发生磁性转变 时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。
分必要。
4.1
4.1.1 纯铁
铁碳合金的组元及基本相
1. 铁的同素异晶转变 图4.1是铁的冷却曲线。纯铁在 1538℃结晶为δ -Fe。当温度继续冷却 至1394℃时，δ -Fe转变为γ -Fe，通 常把δ -Fe→γ -Fe的转变称为A4转变 ，转变的平衡临界点称为A4点。当温 度继续冷却至912℃时，γ -Fe又转变 为α -Fe，把γ -Fe→α -Fe的转变称为 A3转变，转变的平衡临界点称为A3点。 912℃以下，铁的晶体结构不再发生变 化。因此，铁具有三种同素异晶状态 ，即δ -Fe、γ -Fe和α -Fe。
对于含碳量低于0.09%的合金，在按匀晶转变凝固为δ 固溶体 之后，继续冷却时将在NH与NJ线之间发生固溶体的同素异晶转变， 转变为单相奥氏体。含碳量在0.53%～2.11%之间的合金，按匀晶转 变后，组织也是单相奥氏体。 总之，含碳量低于2.11%的合金在冷却过程中，都可在一定的 温度区间内得到单相的奥氏体组织。这类合金叫做钢。 应当指出，对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子 的扩散较快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金 元素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。
4.1.2 1. 碳
碳与渗碳体
自然界中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合金中
碳不会以金刚石形态存在。石墨的空间点阵属于六方晶系 ，具有简单六方晶体结构，六方层中邻近原子间距为
0.142nm，层间距为0.340nm，碳原子在六方层中具有很强
的共价键，层与层之间则结合较弱，因此石墨很容易沿着 这些层滑动。其硬度很低，只有3HB～5HB，而塑性几乎接
近于零。铁碳合金中的石墨常用符号G或C表示。
2. 渗碳体 在铁碳合金中，铁与碳可以形成间隙化合物Fe3C，其含碳量为 6.69%，称为渗碳体，可用符号Cm表示，是铁碳合金中重要的 基本相。 渗碳体属于正交晶系，晶体结构十分复杂，三个晶格常数分别 为a＝0.4524nm，b＝0.5089nm，c＝0.6743nm。
3. 纯铁的性能与应用
纯铁的力学性能其大致范围如下：
屈服强度：98MPa～166MPa 抗拉强度：176MPa～274MPa 延伸率：30%～50% 断面收缩率：70%～80% 冲击韧性：160J/cm2～200J/cm2 硬度：50HB～80HB 纯铁有很好塑性和韧性，但其强度和硬度很低，很少用作 结构材料。纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性。工业上 炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率，可用于要求软磁 性的场合，-Fe晶粒
(b)重结晶后的-Fe晶粒 (c)A3转变后的-Fe晶粒 图4.2 纯铁结晶后的组织
2. 铁素体与奥氏体
铁素体是碳溶于α -Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格， 常用符号F或α 表示。奥氏体是碳溶于γ -Fe 中的间隙固溶体， 为面心立方晶格，常用符号A或γ 表示。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多。奥氏体的最大溶碳量 为2.11%(在温度为1148℃时)，而铁素体的最大溶碳量仅为 0.0218%(在温度为727℃时)，在室温下的溶碳能力更低，一般 在0.008%以下。 面心立方晶格比体心立方晶格具有较大的致密度，而奥氏 体比铁素体具有较大的溶碳能力的原因是与晶体结构中的间隙 尺寸有关。 碳溶于体心立方晶格δ -Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以 δ 表示，于1495℃时的最大溶碳量为0.09%。 铁素体的性能与纯铁基本相同，居里点也是770℃。奥氏体 的塑性很好，且具有顺磁性。
相图上有三条水平线，分别是：
HJB——包晶转变线 ECF——共晶转变线 PSK——共析转变线
下面围绕三条水平线分三个部分进行分析。
表4-1
铁碳合金相图中的特征点
3.2.2
包晶转变(水平线HJB)
在1495℃的恒温下，含碳量为0.53%的液相与含碳量为0.09%的δ 铁素 体发生包晶反应，形成含碳量为0.17%的奥氏体，其反应式为 1495℃ LB＋δ H γ J 进行包晶反应时，奥氏体沿δ 相与液相的界面形核，并向δ 相和液相 两个方向长大。包晶反应终了时，δ 相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体 。含碳量在0.09%～0.17%之间的合金，由于δ 铁素体的量较多，当包晶反 应结束后，液相耗尽，仍残留一部分δ 铁素体。这部分δ 相在随后的冷却 过程中，通过同素异晶转变而变成奥氏体。含碳量在0.17%～0.53%之间的 合金，由于反应前的δ 相较少，液相较多，所以在包晶反应结束后，仍残 留一定量的液相，这部分液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体。可见，凡 是含碳量在0.09%～0.53%的合金，都要经历包晶转变过程，而且不论在包 晶转变前后转变过程如何，最终都要获得单相奥氏体。
4.3 渗碳体晶胞中的原子位置
渗碳体具有很高的硬度，约为 800HB ，但塑性很差，伸长 率 接 近 于 零 。 渗 碳体 于 低 温下 具 有 一定 的 铁 磁性 ， 但 是 在 230℃以上，铁磁性就消失了，所以230℃是渗碳体的磁性转变 温度，称为A0转变。根据理论计算，渗碳体的熔点为l227℃。
3. PQ线
PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。铁素体中的最大碳
的溶解度，在727℃时达到最大值为0.0218%。随着温度 的降低，铁素体的溶碳量逐渐降低，在300℃以下，溶碳量
小于0.001%。因此，当铁素体从727℃冷却下来时，要从
铁素体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，通常用Fe3CⅢ 表示。
铁碳合金的组织是液态结晶和固态重结晶的综合结果，研 究铁碳合金的结晶过程，目的在于分析合金的组织形成，以考 虑其对性能的影响。为了讨论方便，先将铁碳合金进行分类。 通常将其分为三大类，即含碳量低于0.0218%的为工业纯铁，含 碳量在0.0218%～2.11%的为碳钢，含碳量大于2.11%的为铸铁。 Fe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C形式存在，断口呈亮白色，称 为白口铸铁。
根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型。
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
工业纯铁：含碳量低于0.0218%； 共析钢：含碳量为0.77%； 亚共析钢：含碳量为0.0218%～0.77%； 过共析钢：含碳量为0.77%～2.11%； 共晶白口铸铁：含碳量为4.30%； 亚共晶白口铸铁：含碳量为2.11%～4.30%； 过共晶白口铸铁：含碳量为4.30%～6.69%。