材料科學(xué)基礎(chǔ)-鐵碳相圖

材料科學(xué)基礎(chǔ)FundamentalsofMaterialsScience第四章Fe-Fe3C相圖Fe-Fe3Cphasediagram4.1鐵碳合金組元性質(zhì)4.2Fe-Fe3C相圖分析★★★★4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過程★★

★★4.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用★★4.5碳鋼★Fe3CFe2CFeC溫度FeC(6.69%C)滲碳體是個(gè)亞穩(wěn)定的相，石墨才是穩(wěn)定的相。但石墨的表面能很大，只有在極緩慢冷卻或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。因此，鐵碳相圖有兩類：

Ⅰ

液體、固溶體和滲碳體之間亞穩(wěn)平衡，是緊靠鐵端部分，其中C含量的范圍是0～6.69％

Ⅱ

液體、固溶體和石墨之間的穩(wěn)定平衡，其中C含量的范圍是0～100％。

123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγαγ＋CmL+Cmα＋CmFeFe3Cγ+L4.1鐵碳合金中的組元及相

純鐵（iron）1394℃1538℃10006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe力學(xué)性能：σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％

HB＝50～80aK＝1.5～2MNm/m2應(yīng)用：主要應(yīng)用于電子材料，作為鐵芯。碳在α-Fe中的間隙固溶體稱為α鐵素體，簡稱為鐵素體(Ｆ)；最大溶碳量為727℃時(shí)的wc=0.0218%，最小為室溫時(shí)的wc=0.0008%；性能為：σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、δ30%~50%，αk160~200J/㎝2、硬度~80HB。碳在δ-Fe中形成的間隙固溶體稱為δ鐵素體，(δ)，最大溶碳量為1495℃時(shí)的0.09％。鐵素體（Ferrite）碳在γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體(A)，最高溶碳量為1148℃時(shí)的wc=2.11％；奧氏體具有高塑性、低硬度和強(qiáng)度，其力學(xué)性能為：σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。奧氏體主要存在于727℃以上的高溫范圍內(nèi)，利用這一特性，工程上常將鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行塑性成形。奧氏體（Austenite）滲碳體（Cementite）滲碳體是指晶體點(diǎn)陣為復(fù)雜正交點(diǎn)陣，化學(xué)式近似于Fe3C的一種間隙式化合物，用符號Fe3C表示，其含碳量為wc=6.69%，滲碳體具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力學(xué)性能指標(biāo)大致為：硬度800HB、抗拉強(qiáng)度(σb)30MPa、伸長率(δ)~0、沖擊韌度(αk)~0。珠光體（Pearlite）F＋Fe3C的一種機(jī)械

混合物，用符號P表

示，其組織為層片狀

結(jié)構(gòu)，綜合了鐵素體

和滲碳體優(yōu)點(diǎn)，其綜

合力學(xué)性能好。萊氏體（Ledeburite）萊氏體是由A＋Fe3C組成的一種機(jī)械混合物，用符號Ld表示，其組織結(jié)構(gòu)為滲碳體基體上分布的奧氏體，主要體現(xiàn)了滲碳體特點(diǎn)，硬而脆。4.2Fe-Fe3C

相圖分析FeT°Fe3C

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖(P+Fe3C)符號溫度/℃

ω（C）/%說明A1538℃0純鐵的熔點(diǎn)B1495℃0.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分C1148℃4.30共晶點(diǎn)D1227℃6.69滲碳體的熔點(diǎn)E1148℃2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F1148℃6.69共晶反應(yīng)生成的滲碳體G912℃0α-Fe向γ-Fe轉(zhuǎn)變溫度（A3）H1495℃0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J1495℃0.17包晶點(diǎn)K727℃6.69共析反應(yīng)生成的滲碳體M770℃0純鐵的磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)N1394℃0γ-Fe向δ-Fe的轉(zhuǎn)變溫度（A4）O770℃～0.5ω（C）≈0.5％合金的磁性轉(zhuǎn)變溫度P727℃0.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S727℃0.77共析點(diǎn)（A1）Q600℃0.0057600℃時(shí)碳在α-Fe中的溶解度液相線：ABCD固相線：AHJECF五個(gè)單相區(qū)：L，δ，γ，α和Fe3C七個(gè)兩相區(qū)：L＋δ，L＋γ，L＋Fe3C，δ＋γ

，

α＋γ，α＋Fe3C，γ＋Fe3C兩條磁性轉(zhuǎn)變線：MO（鐵素體的）及過230℃的虛線（滲碳體的）三條水平相變線：HJB——包晶轉(zhuǎn)變線

ECF——共晶轉(zhuǎn)變線

PSK——共析轉(zhuǎn)變線1.包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LB

+

H

AJ1495℃3.共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LC

(

AE

+Fe3C)Ld

1148℃4.3典型鐵碳合金的平衡凝固工業(yè)純鐵(iron)：C%<0.0218%鋼(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分為：共析鋼(eutectoidsteel)：C%：0.77%亞共析鋼(hypeutectoidsteel)：C%：0.0218～0.77%過共析鋼(hypereutectoidsteel)：C%：0.77～2.11%鑄鐵(castiron)：

C%：2.11～6.69%，有較好的鑄造性能、質(zhì)脆，不能鍛造。又分為：共晶鑄鐵(eutecticcastiron)：

C%：4.30%亞共晶鑄鐵(hypoeutecticcastiron)：

C%：2.11～4.30%過共晶鑄鐵(hypereutecticcastiron)：

C%：4.30～6.69%1.工業(yè)純鐵(Wc<0.0218%)純鐵組織金相圖2.共析鋼

(Wc=0.77%)共析鋼組織金相圖相組成：α+Fe3C組織組成：P

共析鋼

(Wc=0.77%)3.亞共析鋼(Wc=0.45%)亞共析鋼組織金相圖組織組成：α

+P亞共析鋼(Wc=0.45%)相組成：α

+Fe3C

a)含碳量0.20％b)含碳量0.40％c)含碳量0.60％abc4.過共析鋼(Wc=1.2%)過共析鋼組織金相圖組織組成：Fe3C+P過共析鋼(Wc=1.2%)相組成：α

+Fe3Ca)硝酸酒精浸蝕b)苦味酸鈉的浸蝕白色網(wǎng)狀相為二次滲碳體黑色網(wǎng)狀為二次滲碳體暗黑色為珠光體淺白色為殊光體5.共晶白口鑄鐵(Wc=4.3%)共晶白口鑄鐵組織金相圖組織組成：Fe3C+P——Ld‘共晶白口鑄鐵(Wc=4.3%)相組成：α

+Fe3C6.亞共晶白口鑄鐵(Wc=3.0%)亞共晶白口鑄鐵組織金相圖組織組成：Fe3C+P+Ld’——？亞共晶白口鑄鐵(Wc=3.0%)相組成：α

+Fe3C7.過共晶白口鑄鐵(Wc=5.0%)過共晶白口鑄鐵組織金相圖組織組成：Fe3C+Ld‘過共晶白口鑄鐵(Wc=5.0%)相組成：α

+Fe3C

總結(jié)：從Fe-Fe3C相圖可知，鐵碳合金室溫下的相組成物都是鐵素體和滲碳體，并且隨含碳量的增加，滲碳量不斷增多。而室溫組織組成物卻有α、Fe3CⅢ、P、Fe3CⅡ、Fe3CⅠ

和Ld’。碳含量相組成組織組成工業(yè)純鐵<0.0218%F+Fe3CF亞共析鋼0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析鋼0.77%F+Fe3CP過共析鋼0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亞共晶鑄鐵2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶鑄鐵4.30%F+Fe3CLd’過共晶鑄鐵4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’補(bǔ)充：Fe-石墨相圖AGNQαG

123456BCDEFHJPMOSK1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγγ＋G

α＋G02510152025與Fe-Fe3C相圖的不同之處：1）液相線：ABCD’

固相線：AHJE’C’F’2）在Fe-Fe3C相圖中所有析出滲碳體的線、點(diǎn)，在Fe-石墨相圖中除位置除有所改變外，都是析出石墨：

C’D’線析出初次石墨

E’S’線析出二次石墨

E’C’F’線通過共晶轉(zhuǎn)變形成的共晶體是奧氏體與片狀石墨組成的團(tuán)狀組織。

1.共析組織是由鐵素體和石墨組成的，石墨呈點(diǎn)狀分布在鐵素體基體上。各類鐵碳合金中的石墨形態(tài)

2.碳含量大于2.08%的合金中，二次石墨和共析石墨一般都依附在共晶石墨上生長。最終得到片狀石墨加鐵素體組織。石墨可有兩種形態(tài)：

A型石墨無方向性均勻分布

B型石墨呈片狀與點(diǎn)狀聚集成的菊花狀分布A型B型a.共晶成分鐵-石墨相圖凝固如果碳含量偏低，則在共晶轉(zhuǎn)變之前有較多的先共晶奧氏體呈樹枝狀析出，此時(shí)奧氏體—石墨共晶只能在枝晶間生長。此時(shí)石墨呈D型分布。b.亞共晶成分鐵-石墨相圖凝固D型石墨在枝晶間呈點(diǎn)片狀分布過共晶成分的鐵碳合金凝固后組織中含有初次石墨

C型：初次石墨呈粗大的片狀

F型：初次石墨呈星狀分布C型F型c.過共晶成分鐵-石墨相圖凝固澆鑄前在液體里加入鎂或稀土元素并加入少量硅：石墨呈球狀——球墨鑄鐵d.進(jìn)行變質(zhì)處理含碳量小于2.11％的合金在一般情況下都是按照亞穩(wěn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的。含碳量高于2.11％的合金，在實(shí)際生產(chǎn)中是把成分控制在共晶或亞共晶范圍內(nèi)，在高溫區(qū)，按穩(wěn)定系統(tǒng)凝固與轉(zhuǎn)變，得到共晶與二次石墨；在低溫區(qū)，按亞穩(wěn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變得到珠光體。

L2.08A4.250.68A0.0218Fα－FeG共晶G二次G共析G三次第一階段第二階段第三階段鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得的組織名稱程度第一階段第二階段第三階段顯微組織灰口鑄鐵充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行F＋G充分進(jìn)行充分進(jìn)行部分進(jìn)行F＋P＋G充分進(jìn)行充分進(jìn)行不進(jìn)行P＋G麻口鑄鐵部分進(jìn)行部分進(jìn)行不進(jìn)行Ld’＋P＋G白口鑄鐵不進(jìn)行不進(jìn)行不進(jìn)行

Ld’＋P＋Fe3C碳含量相組成組織組成工業(yè)純鐵<0.0218%F+Fe3CF亞共析鋼0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析鋼0.77%F+Fe3CP過共析鋼0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亞共晶鑄鐵2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶鑄鐵4.30%F+Fe3CLd’過共晶鑄鐵4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得的組織名稱程度第一階段第二階段第三階段顯微組織灰口鑄鐵充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行F＋G充分進(jìn)行充分進(jìn)行部分進(jìn)行F＋P＋G充分進(jìn)行充分進(jìn)行不進(jìn)行P＋G麻口鑄鐵部分進(jìn)行部分進(jìn)行不進(jìn)行Ld’＋P＋G白口鑄鐵不進(jìn)行不進(jìn)行不進(jìn)行

Ld’＋P＋Fe3C4.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1.碳對平衡組織的影響00.02180.772.114.350%100%FCmⅡCmⅠC%P室溫組織組成相對量圖表0.02180.772.114.3050%100%FCmC%相組成相對量圖表2.碳對力學(xué)性能的影響3.碳對可鍛性能的影響鋼的可鍛性首先與含碳量有關(guān)。低碳鋼的可鍛性較好，隨著含碳量的增加，可鍛性逐漸變差。奧氏體具有良好的可鍛性，易于塑性變形。因此鋼材的始鍛或始軋溫度一般選在單相奧氏體區(qū)。終鍛溫度不能過低，以免塑性變差。4.碳對流動性的影響兩個(gè)主要影響因素：化學(xué)成分和澆鑄溫度化學(xué)成分：C的影響最大。C量增加，結(jié)晶溫度增大，流動性應(yīng)該變差。但是，隨C量增加，液相線溫度降低。因此，同樣澆鑄溫度下，含C量高的鋼過熱度大，對鋼液的流動性有利。鑄鐵液相線較低，流動性比鋼好。共晶成分鑄鐵流動性最好。煉鋼脫氧時(shí)，Mn可把FeO還原成鐵，并形成MnO。降低鋼種脆性，提高強(qiáng)度和硬度。Mn還可與鋼液中的S形成MnS（熔點(diǎn)：1600oC），一定程度上消除S的影響。這些反應(yīng)產(chǎn)物大部分進(jìn)入爐渣，小部分殘留在鋼中成為非金屬夾雜物。1.Mn的影響4.5碳鋼4.5.1鋼中常見雜質(zhì)元素殘余的Mn，凝固后溶于奧氏體或鐵素體中，起固溶強(qiáng)化作用。還可溶于滲碳體，形成合金滲碳體（Fe，Mn）3C。是鋼