材料科学基础-第五章 铁碳相图

① A0线: 渗碳体 Fe3C 的磁性转变 线， 230℃以上无磁性， 230℃以下铁磁性。 ② A2线: 铁素体 α 的磁性转变线。 770℃以上无磁性， 770℃以下铁磁性。
磁性转变 是否属于 相变？
（3）相图中的线
① GS线(A3 线)：
C. 三条重要的相界线
Fe-Fe3C相图
γ
冷却时开始析出
2.Fe-C合金中的基本相
（4）铁素体（α或F）
2.Fe-C合金中的基本相
（5）渗碳体（Fe3C） • 属于正交晶系，结构复 杂。
• Fe3C熔点为1227℃， Fe3C是一种亚稳化合物， 在一定条件下，分解而 形成石墨状的自由碳： Fe3C→3Fe + C
2.Fe-C合金中的基本相
（6）石墨（C） • 在一些条件下，碳以游 离 态 石 墨 (hcp) 稳 定 相 存在。所以石墨在 Fe-C 合金铸铁中也是一个基 本相。
Fe-C合金概述
• 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是现代机械制造工 业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成 分不一，其基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元 素 ， 故 统 称 为 铁 碳 合金 （ alloys of the ironcarbon system）。合金钢和合金铸铁实际上是 有意加入合金元素的铁碳合金。 • 铁碳相图描述了钢铁材料的成分、温度与组织 （相）之间的关系，是了解钢铁材料的基础。 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。
2.Fe-C合金中的基本相
（3）奥氏体(γ或A) C溶解于γ-Fe形成的间隙 固溶体。γ具有fcc结构。 可以溶解较多的碳， 1148℃时最多可以溶解 2.11%C，到727℃时含 碳量降到0.77%。碳原子 处于fcc晶格中正八面体 的中心。
2.Fe-C合金中的基本相
（3）奥氏体(γ或A) C溶解于γ-Fe形成的 间隙固溶体。γ具有 fcc结构。可以溶解较 多的碳，碳原子处于 fcc晶格中正八面体的 中心。
Fe-C合金的各种化合物
铁碳（Fe-Fe3C）相图
铁碳（Fe-Fe3C）相图
1.铁碳合金中的组元
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 。
2.Fe-C合金中的基本相
Fe-C 合金在不同条件下，
有5（6）个基本相：
L相、δ相、γ相、α相、 Fe3C相、（石墨(G)相）
2.Fe-C合金中的基本相
（1）液相(L)
Fe 与 C 在 高 温 下 形 成 的 液 体 溶 液 。 (ABCD 线 以上Fra Baidu bibliotek （2）δ相[高温铁素体]
C 溶解于 δ-Fe 形成的 间 隙 固 溶 体 。 在 1459℃ 时最大溶解度可达0.09%， 为 bcc 结构，也称高温铁 素体。
• 钢铁材料中的主要强化相。其中Fe可以被其它元素 Cr、Mn替代，形成 (Fe,Mn)3C，(Fe,Cr)3C，称为合 金渗碳体。
(2) 渗碳体(Fe3C)
Fe-Fe3C相图： 介稳定系相图。 Fe-C相图： 稳定系相图。
Fe-C合金双重相图
实线：Fe-Fe3C相图 虚线：Fe-C相图
若把两相图画在同一图上，称为 Fe-C 合金双重相图， 两相图各有不同的适用范围。
第三节 复杂二元相图的分析
步骤和方法：
(1) 首先看是否存在稳定化合物，如有则把相图分成 几个区域(基本相图)进行分析。
(2) 根据相区接触法则，弄清各相区的组成相。 (3) 找出所有的三相共存水平线及与其接触的三个单 相区，根据3个单相区与水平线的相互位置确定三相平 衡转变的类型及反应式。分析相图的关键步骤。
• 渗碳体是Fe3C，属于正交晶系， 结构复杂。 • Fe3C熔点为1227℃，Fe3C是一种 亚稳化合物，在一定条件下，分 解而形成石墨状的自由碳： Fe3C→3Fe + C
渗碳体的结构 • Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示。
• Fe3C在钢和铸铁中呈片状，粒状，网状和板条状。
• 渗碳体硬而脆(800HBW)，塑性极低，延伸率接近于0。
(5) 在应用相图分析实际情况时，切记相图只给出体 系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相 的形状、大小和分布（这些只取决于相的本性及形成 条件）；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条 件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它们的非平 衡条件下可能出现的相和组织。 (6) 相图的正确与否可用相律来判断。
A3线：
Acm 线:
γ
γ
开始析出
全部溶入 开始析出 全部溶入
α
Fe3CⅡ
A0 线
A0、A1、A2、A3、Acm 线 温度依次升高。
Fe-Fe3C相图
4. Fe—C合金分类
按有无共晶转变分为碳钢和铸铁两大类: Wc＞ 2.11%铸铁；Wc＜ 2.11%碳钢；Wc＜ 0.0218%工业纯 铁
2.11 0.0218
组织
硬度 延伸率δ 强度 （HB）（塑性、韧性） （Mpa） 50-80 800 180 30％-50％ 0 20％-35％ 180-230 30 770
铁素体
α
渗碳体
Fe3C
珠光体 P=α+Fe3C
珠光体P的硬度、塑性、韧性介于α和Fe3C之间； 强度最高。
（3）相图中的线
B. 两条磁性转变线
Fe-Fe3C相图
白色片状为α， 黑色片状为Fe3C
共析钢的室温组织（500×）
珠光体P： 白色片状为α， 黑色片状为Fe3C
T10钢退火组织
T12钢球化退火组织
（3）亚共析钢（Wc=0.0218～0.77%）
以 Wc=0.4%的合金 为例：
结晶过程如下： L→L+δ→L+δ+γ →L+γ→γ→α+γ →α+P+γ→α+P （α中析出Fe3CⅢ量 少忽略不计）
5.两条磁性转变线温度，是否相变？
6.三条重要的固态转变线的意义。 7.铁碳合金的分类
5. Fe-C合金的平衡结晶过程及组织
（1）工业纯铁（Wc＜0.0218%）
以 Wc=0.01% 的 合 金 为 例 • 转变过程： L→L+δ→δ→δ+γ→γ →α+γ→α→α+ Fe3CⅢ • 室温组织为： α+ Fe3CⅢ • 匀晶转变＋多晶型 转变＋脱溶沉淀 Fe3CⅢ最大量： (0.0218-0)/(6.69-0) 0.0218% =0.33%
4. Fe—C合金分类
根据组织特征分为七种类型：
1)工业纯铁:Wc<0.0218% 铁素体α
2)钢: Wc=0.0218～2.11%奥氏体γ
• 共析钢Wc=0.77% • 亚共析钢Wc=0.0218～0.77% • 过共析钢Wc=0.77～2.11% 0.0218 2.11
3)白口铸铁:Wc=2.11～6.69%莱氏体γ+Fe3C
• 共晶白口铸铁Wc=4.30% • 亚共晶白口铸铁Wc=2.11~4.30% • 过共晶白口铸铁Wc=4.30~6.69%
Fe-Fe3C 相图应掌握的内容
1.按比例默画出Fe-Fe3C 相图，说明
特性点的符号、成分、温度及意义 2.特征温度 A0、A1、A2、A3、Acm的
意义
3.填相区，并回答： 铁素体、奥氏体、渗碳体的结构、性 质、表示法，为什么A 溶碳能力高于 F？ 4.Fe-Fe3C 相图的三个恒温转变式、 转变产物及性能。
室温组织为：α+ P 0.77% 匀晶转变＋包晶转 变＋共析转变＋脱 溶沉淀 α P
加热时全部溶入
α
② ES线(Acm线)： 碳在γ中的溶解度曲线 γ
冷却时开始析出 加热时全部溶入
Fe3CⅡ
③ PQ线： 碳在α中的溶解度曲线
α
冷却时开始析出 加热时全部溶入
Fe3CⅢ
A0、A1、A2、A3、Acm的区别
A0线：230℃ Fe3C的磁性转变线 A1线：共析转变线 A2线：α的磁性转变线 Acm 线 A1 线
（2）相图中的相区
Fe-Fe3C相图
3. Fe-Fe3C相图分析
（3）相图中的线
特性线： 由不同成分合金具有 相同意义的点连接起 来的 A. 三条水平恒温转变线 B. 二条磁性转变线 C. 三条重要的相界线
Fe-Fe3C相图
（3）相图中的线
A. 三条水平恒温转变线
Fe-Fe3C相图
①HJB--包晶转变线： L0.53+δ0.09 或 LB+δH
在分析和认识相图中的相、相区及相变线的特点之后， 就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变 化。
铁碳相图
（重点掌握） 1.铁碳相图 2.铁碳合金的结晶过程和组织变化 3.铁碳合金的成分、组织与性能间的关系 4.钢中的杂质元素及其对性能的影响 5.铁石墨相图 6.石墨与基体对铸铁机械性能的影响
思考题：
为什么C在γ
中的溶解能力
高于α？
什么是α、γ？
影响间隙固溶体溶解度的因素？ γ：FCC，八面体间隙大小0.414 α：BCC，八面体间隙大小0.155
3. Fe-Fe3C相图分析
相图分解为三个部分 包晶转变部分 共晶转变部分 共析转变部分
Fe-Fe3C相图
3. Fe-Fe3C相图分析 （1）相图中的点
相图中各特性点的 温度、成分和意义： A、B、C、D、E、 F、G、H、J、K、 N、P、S、Q
Fe-Fe3C相图
3. Fe-Fe3C相图分析 （1）相图中的点
3. Fe-Fe3C相图分析
单相区（5个）： L、δ、γ、 α、Fe3C 双相区（7个）： L+δ、L+γ、L+Fe3C、 δ+γ、γ+Fe3C γ+α、α+ Fe3C 三相区（3个） ： L+δ+γ（HJB线）、 L+γ+ Fe3C（ECF线）、 γ+α+ Fe3C（PSK线）
碳在γ-Fe晶格中的位置
2.Fe-C合金中的基本相
（3）奥氏体(γ或A) 奥氏体的晶粒呈平直 多边形。
奥氏体的显微组织
2.Fe-C合金中的基本相
（4）铁素体（α或F） C溶于α-Fe形成的间 隙固溶体。C原子处 于八面体间隙。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。
1495℃ 1495℃
γ0.17 γJ
转变产物： 奥氏体（用A 或γ) 强度低，塑性好
（3）相图中的线
A. 三条水平恒温转变线
Fe-Fe3C相图
②ECF--共晶转变线： L4.3 1148℃ γ2.11 + Fe3C 或 LC
1148℃
γE + Fe3C
转变产物： γ和 Fe3C组成的机械混 合物称为莱氏体 ，用 Ld表示。 硬、脆、无法加工
（3）相图中的线
A. 三条水平恒温转变线
Fe-Fe3C相图
③PSK--共析转变线： γ0.77 或 γS
727℃ 727℃
α0.0218 + Fe3C αP + Fe3C
转变产物： α和Fe3C组成的机械混 合物称为珠光体，用P 表示。 室温下， α、 P、 Fe3C 是钢中的基本组织。
铁素体、渗碳体、珠光体的性能比较
工业纯铁室温组织图（200×）
Fe3CⅢ
α
（2）共析钢（Wc=0.77%）
结晶过程如下： L→L+γ→γ → α+ Fe3C +γ →P（α+ Fe3C） 室温组织为P （α+ Fe3C）， P呈层片状， 匀晶转变＋共析 转变＋脱溶沉淀
0.77%
白色片状为α， 黑色片状为Fe3C
共析钢的室温组织
第三节 复杂二元相图的分析
(4) 应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规 律。 单相区：相成分与原合金相同。 双相区：在不同温度下，两相成分分别沿相界线变 化，各相的相对量可由杠杆法则求得。 三相共存(平衡)时：三个相的成分固定不变，可用 杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。
第三节 复杂二元相图的分析
纯铁固态下具有同素异构转变： 912℃以下为体心立方(bcc) 结构，912℃到1394℃之间 为面心立方(fcc)结构, 1394℃到熔点之间为体心立方 (bcc)结构。另外，纯铁770℃发生磁性转变。
(1)
纯铁（Fe）
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
(1)
纯铁（Fe）
纯铁的显微组织
(2) 渗碳体(Fe3C)
Fe-C合金概述
• Fe 与 C 形 成 系 列 化 合 物 ： Fe3C 、 Fe2C 、 FeC 。 Fe-C 相图分成 Fe-Fe3C, Fe3C–Fe2C, Fe2C-FeC ， FeC-C 四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。