铁碳合金相图分析及应用

第五章铁碳合金相图及应用
[重点掌握]
1、铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；
2、根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；
3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。

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,相图中的组元只有Fe和Fe3C。

第一节铁碳合金基本相
一、铁素体
1．δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。

2．α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。

F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）
二、奥氏体
γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）
强度低，易塑性变形
三、渗碳体
Fe3C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,
渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。

渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。

第二节Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的点、线、面
1．三条水平线和三个重要点
（1）包晶转变线HJB，J为包晶点。

1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。

冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。

共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号Le表示。

（3）共析转变线PSK，S点为共析点。

合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分的A发生共析反应：
A →F（0.0218%C）+Fe3C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）
共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe3C三相共存。

共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。

珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间, 其机械性能如下：
抗拉强度极限σb≈770MPa
冲击韧性a k≈3×105 J/m2～4×105J/m2
延伸率δ≈20%～35%
硬度：180HB
2．液固相线
液相线ABCD 固相线AECF
二、Fe-C合金平衡结晶过程
7种典型Fe-C合金的平衡结晶过程：
（看动画：Fe-C合金平衡结晶过程）
1.工业纯铁|
2.共析钢
3.亚共析钢
4.过共析钢
5.共晶白口铁
6.亚共晶白口铸铁
7.过共晶白口铸铁
1．工业纯铁（C%≤0.0218%）
铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。

纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。

L →L+A →A →A+F →F →F+Fe3C III
相组成物：F+Fe3C (C%>0.0008%)或F（C%<0.0008%）
相相对量：F%=Fe3C%=
组织组成物：F和Fe3C III
工业纯铁的显微组织300×
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。

主要机械性能如下：
抗拉强度极限σb180MPa～230MPa
抗拉屈服极限σ0.2100MPa～170MPa
延伸率δ30%～50%
断面收缩率ψ70%～80%
冲击韧性a k1.6×106J/m2～2×106 J/m2
硬度50HB～80HB
2．共析钢C%=0.77%
L →L+A →A →A+P →P
光学显微镜下观察的珠光体组织600×
相组成物：F和Fe3C
相相对量：F%=Fe3C%=
组织组成物：P
3．亚共析钢0.0218%＜C%＜0.77%
L →L+A →A →A+F →A+P+F →P+F
亚共析钢的室温组织200×45钢金相
相组成物：F，Fe3C
相相对量：F%=Fe3C%=
组织组成物：F、P
P%=F%=
4．过共析钢
L →L+A →A →A+Fe3C II→A+P+Fe3C II→P+Fe3C II
(a) (b)
图7.21 含碳1.2%的过共析钢缓冷后的组织500×
(a)硝酸酒精浸蚀，白色网状相为二次渗碳体，暗黑色为珠光体
(b)苦味酸钠浸蚀，黑色为二次渗碳体，浅白色为珠光体
相组成物：F，Fe3C F%=Fe3C%=
组织组成物：P，Fe3C II
组织相对量：Fe3C II%=P%=
5．共晶白口铁（C%=4.3%）
L→L+Le→Le (A+Fe3C共晶)→Le (A+Fe3C共晶+Fe3C II)→
Le’(P+Fe3C II+Fe3C)
共晶白口铸铁的室温组织（白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒是由共晶奥氏体转变而来的珠光体）250×
相组成物：F，Fe3C F%=Fe3C%=
组织组成物：Le'
6．亚共晶白口铸铁，2.11%＜C%＜4.3%
亚共晶白口铸铁在室温下的组织（黑色树植状组成体是珠光体，其余为莱氏体）80×
相组成物：F%=Fe3C%=
组织组成物：P，Le’，Fe3C II
7．过共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁冷却到室温后的组织（白色条片是一次渗碳体，其余为莱氏体）250×
相组成物：F%=Fe3C%=
组织组成物：Le’%=Lc%=Fe3C%=
小结：
标注组织的铁碳相图
第三节、Fe-C合金的成分-组织-性能关系
1．含碳量——铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成, 两相的质量分数由杠杆定律确定。

随C%↑→F%↓，Fe3C%↑
2．含碳量——组织
F→ F+P→ PdP+Fe3C II→ P+Fe3C II+Le’→ Le’→ Le’+Fe3C II→ Fe3C 3．含碳量——性能HB：取决于相及相对量
强度：C%↑→σ↑，—— 0.9%↑→σ↓
塑性、韧性：C%↑→塑性↓、韧性↓
第四节. Fe- Fe3C相图的应用
Fe- Fe3C相图在生产中具有巨大的实际意义, 主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。

1. 在钢铁材料选用方面的应用Fe- Fe3C相图所表明的成分-组织-性能的规律,为钢铁材料的选用提供了根据。

建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选用碳含量较低的钢材。

机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。

工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选碳含量高的钢钟。

纯铁的强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其导磁率高, 矫顽力低, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。

白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、犁铧、球磨机的磨球等。

2. 在铸造工艺方面的应用根据Fe- Fe
C相图确定合金的浇注温度。

浇
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注温度一般在液相线以上50℃～100℃。

纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散缩孔少, 可以获得致密的铸件, 所以选在共晶成分附近。

在铸钢生产中, 碳含量规定在0.15-0.6%之间, 因为这个围钢的结晶温度区间较小, 铸造性能较好。

3.在热锻、热轧工艺方面的应用钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。

一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100℃～200℃围。

一般始锻温度为1150℃～1250℃, 终锻温度为750℃～850℃。

4. 在热处理工艺方面的应用：一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe- Fe3C相图确定的。

因此有重要的意义。

在运用Fe-Fe
C相图时应注意以下两点：
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①Fe-Fe
C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态, 如含有其它元素,
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相图将发生变化。

②Fe-Fe
C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态, 若冷却或加
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热速度较快时, 其组织转变就不能只用相图来分析了。