理學(xué)鐵碳相圖

鐵碳合金系相圖1、組元的特性

1）純鐵純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變溫度為770℃(居里點)，曾經(jīng)把770－912℃無磁性(順磁性)的鐵稱為β－Fe。

一、相圖分析

工業(yè)純鐵的力學(xué)性能特點是強度、硬度低，塑性、韌性好。 抗拉強度σb＝180－230Mpa

延伸率δ＝30－50％

斷面收縮率ψ＝70－80％

沖擊韌性ak＝160－200J/cm2

硬度50－60HB一、相圖分析1、組元的特性游離的碳有石墨和金剛石兩種晶體結(jié)構(gòu)，在鐵碳合金中的游離態(tài)是石墨。石墨(Graphite)具有簡單六方晶格。同一晶面上碳原子以共價鍵結(jié)合,間距0.142nm結(jié)合力較強，兩層晶面的間距為0.34nm，結(jié)合力弱。石墨晶體長大時，沿層面的長大速度較快，即層面的擴大快而層的加厚慢，導(dǎo)致其結(jié)晶形態(tài)通常發(fā)展成片狀。石墨的性能特點為耐高溫，可導(dǎo)電，有一定的潤滑性，但其強度、硬度、塑性和韌性都極低。

2）碳2、鐵碳合金中的基本相α相

C在α-Fe中的間隙固溶體，晶體結(jié)構(gòu)為bcc，僅由α相形成的組織稱為鐵素體，記為F(Ferrite)。

γ相

C在γ-Fe中的間隙固溶體，晶體結(jié)構(gòu)為fcc，僅由γ相形成的組織稱為奧氏體，記為A(Austenite)。

δ相

C在δ-Fe中的間隙固溶體，晶體結(jié)構(gòu)也為bcc，δ相出現(xiàn)的溫度較高，組織形貌一般不觀察，也有稱高溫鐵素體。一、相圖分析Fe3C相鐵和碳生成的間隙化合物，其中碳的重量百分比為6.69%，晶體結(jié)構(gòu)是復(fù)雜正交晶系，僅由Fe3C相構(gòu)成的組織稱為滲碳體，依然記為Fe3C，也有寫為Cm(Cementite)。

石墨在鐵碳合金中的游離狀態(tài)下存在的碳為石墨，組織記G(Graphite)。L相碳在高溫下熔入液體，相圖中標(biāo)記L(Liquid)。

（二）鐵碳合金的基本組織特征1.鐵素體（F）

碳溶于α—Fe中形成的間隙固溶體，用符號F（或α）表示。600℃溶碳量0.0008%727℃溶碳量0.0218%性能：與純鐵相似，強度、硬度低，而塑性和韌性好。組織：呈明亮的多邊形晶粒，晶界曲折。

2.奧氏體（A）

碳溶于γ—Fe中形成的間隙固溶體，用符號A（或γ）表示。727℃溶碳量0.77%1148℃溶碳量2.11%性能：有一定的強度和硬度，塑性和韌性好，適于進行鍛壓加工。組織：與鐵素體相似，晶粒呈多邊形，但晶界較鐵素體平直

3.滲碳體（Fe3C）

鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜斜方晶格的間隙化合物，用化學(xué)分子式Fe3C表示。

Wc=6.69%熔點為1227℃性能：硬度很高，脆性很大，塑性極差。組織：常以片狀、球（粒）狀和網(wǎng)狀等不同形態(tài)存在。

4.珠光體——鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P表示。

Wc=0.77%

性能：介于鐵素體與珠光體之間，即綜合性能良好。5.萊氏體——

Wc=4.3%的合金，緩慢冷卻到1148℃時從液相中同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶組織，用符號Ld表示。性能：與滲碳體相似，即硬度高，塑性差。

Fe-Fe3C相圖

3、鐵碳合金三相平衡轉(zhuǎn)變

鐵碳合金系相圖一、相圖分析這是一包晶反應(yīng)，發(fā)生在高溫，并且在隨后的冷卻過程中組織還會發(fā)生變化，不作討論。共晶反應(yīng)，產(chǎn)物共晶體組織稱為萊氏體，記錄Ld(Ledeburite)共析反應(yīng)，產(chǎn)物為兩相層片交替分布的共析體組織稱為珠光體，記錄P(Pearlite)4、Fe－Fe3C合金相圖

鐵碳合金系相圖圖1）相圖形式一、相圖分析4、Fe－Fe3C合金相圖

鐵碳合金系相圖2）相圖中各點的參數(shù)及含義一、相圖分析

3.相圖中重要的點和線

⑴J為包晶點合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到1495℃時，點成分的L與H點成分的δ發(fā)生包晶反應(yīng)，生成J點成分的A。

⑵C點為共晶點合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到1148℃時，C點成分的L發(fā)生共晶反應(yīng)，生成E點成分的A和Fe3C。

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的共晶混合物，稱萊氏體，以符號Ld表示。在顯微鏡下萊氏體的形態(tài)是：塊狀或粒狀A(yù)（室溫時轉(zhuǎn)變成珠光體）分布在滲碳體基體上。

⑶S點為共析點合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到727℃時，S點成分的A發(fā)生共析反應(yīng)，生成P點成分的F和Fe3C。

共析反應(yīng)產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱珠光體，以符號P表示。在顯微鏡下珠光體的形態(tài)呈片狀。在放大倍數(shù)很高時，可清楚看到相間分布的滲碳體片（窄條）與鐵素體（寬條）。珠光體的強度很高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間，其力學(xué)性能如下：抗拉強度（σb）770伸長率(δ)20%～30%沖擊韌度(αk)3×105～4×105J/m2

硬度（HB）180

⑷相圖中的ABCD為液相線；AHJECF為固相線。⑸水平線HJB為包晶反應(yīng)線碳的質(zhì)量分數(shù)0.09%～0.53%的鐵碳合金在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。⑹水平線ECF為共晶反應(yīng)線碳的質(zhì)量分數(shù)在2.11%～6.69%之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。⑺水平線PSK為共析反應(yīng)線碳的質(zhì)量分數(shù)0.0218%～6.69%的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK線亦稱A1線。

⑻GS線是合金冷卻時自A中開始析出F的臨界溫度線，通常稱A3線。⑼ES線是碳在A中的固溶線，通常叫做Acm線。碳的質(zhì)量分數(shù)大于0.77%的鐵碳合金自1148℃冷至727℃的過程中，將從A中析出Fe3C，稱為二次滲碳體（Fe3CⅡ）。⑽PQ線是碳在F中固溶線。鐵碳合金自727℃冷至室溫的過程中，將從F中析出Fe3C，稱為三次滲碳體（Fe3CⅢ）。Fe3CⅢ數(shù)量極少，往往予以忽略。

4、Fe－Fe3C合金相圖

鐵碳合金系相圖3）相圖中相區(qū)五個單相區(qū)：液相區(qū)L高溫固溶體

奧氏體(A)鐵素體(F)

滲碳體Fe3C七個雙相區(qū)：L＋L＋L＋Fe3C ＋＋Fe3C ＋＋Fe3C三個三相區(qū)：HJB線L＋＋ ECK線L＋＋Fe3C PSK線＋＋Fe3C一、相圖分析二、鐵碳合金平衡冷卻分析鐵碳合金按組織、性能、應(yīng)用特點分為以下類型：工業(yè)純鐵(C%<0.02%)鋼(C%<2.11%)白口鑄鐵(C%>2.11%)灰口鑄鐵亞共晶、共晶、過共晶灰口鑄鐵1、工業(yè)純鐵(C%<0.02%)含碳量大于Q點(0.008%)時，理論上將從α－Fe中析出的Fe3C稱為三次滲碳體，但這個轉(zhuǎn)變大多被抑制，形成微量的過飽和狀態(tài)。通常的組織為單一鐵素體。

鐵碳合金系相圖工業(yè)純鐵組織金相圖工業(yè)純鐵的室溫平衡組織為鐵素體（F），呈白色。由于其強度低、硬度低、不宜用作結(jié)構(gòu)材料典型鐵碳合金結(jié)晶過程圖2、共析鋼(C%≈0.77%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析相轉(zhuǎn)變過程組織轉(zhuǎn)變過程LL+AP

2、共析鋼(C%≈0.77%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析共析轉(zhuǎn)變?nèi)可晒参鼋M織，兩相一般為層片狀分布，組織為單一的珠光體。兩相的重量比≈兩相的厚度比≈8:1

共析鋼組織金相圖共析鋼的室溫組織組成物全部是P，而組成相為F和Fe3C，它們的質(zhì)量分數(shù)為：

3、亞共析鋼(C%=0.02~0.77%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析組織轉(zhuǎn)變L－……－AF+AF+P

典型鐵碳合金結(jié)晶過程圖3、亞共析鋼(C%=0.02~0.77%)第七節(jié)鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析組織相對數(shù)量計算：

以碳質(zhì)量分數(shù)為0.4%的鐵碳合金為例(如右圖）;含0.4%的亞共析鋼的組織組成物為F和P，它們的質(zhì)量分數(shù)為：

此種鋼的組成物為F和Fe3C,它們的質(zhì)量分數(shù)為：

亞共析鋼的碳含量可由其室溫平衡組織來估算。若將F中的碳含量忽略不計，則鋼中的碳含量全部在P中，因此由鋼中P的含量可求出鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)：

wc

=P%×0.77%亞共析鋼組織金相圖典型鐵碳合金結(jié)晶過程圖4、過共析鋼(C%=0.77~2.11%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析組織轉(zhuǎn)變：LL＋AAA＋Fe3CIIP＋Fe3CII

3.過共析鋼

以碳質(zhì)量分數(shù)為1.2%的鐵碳合金為例（如右圖）。

含wc1.2%的過共析鋼的組成物為F和Fe3C；組織組成物為Fe3CⅡ和P，它們的質(zhì)量分數(shù)為：4、過共析鋼(C%=0.77~2.11%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析說明：脆性的滲碳體以網(wǎng)分隔了材料，所以材料的性能特點很脆，工程中使用并不希望出現(xiàn)這種組織。過共析鋼組織金相圖鐵碳合金組織特征圖(a)0.01%C鐵素體500×(c).0.77%C珠光體

500×(b)0.45%C鐵素體+珠光體

500×d).1.2%C

鐵素體+二次滲碳體

500×典型鐵碳合金結(jié)晶過程圖5、共晶白口鐵(C%≈4.3%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析組織轉(zhuǎn)變L(L＋Ld)LdL’d5、共晶白口鐵(C%≈4.3%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析共晶白口鐵組織金相圖6、亞共晶白口鐵(C%=2.11~4.3%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析組織轉(zhuǎn)變

LL＋AA＋LdA＋Fe3CII＋LdP＋Fe3CII＋L’d

典型鐵碳合金結(jié)晶過程圖6、亞共晶白口鐵(C%=2.11~4.3%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析亞共晶白口鐵組織金相圖典型鐵碳合金結(jié)晶過程圖7、過共晶白口鐵(C%=4.3~6.69%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析組織轉(zhuǎn)變LL+Fe3CIFe3CI+LdFe3CI+L’d

過共晶白口鐵組織金相圖7、過共晶白口鐵(C%=4.3~6.69%)

鐵碳合金系相圖之平衡冷卻分析Fe3C的形式一次滲碳體Fe3CI二次滲碳體Fe3CII

三次滲碳體Fe3CIII (共析)珠光體中(共晶)萊氏體中三、碳對鐵碳合金的影響1、碳對室溫平衡組織的影響

鐵碳合金系相圖1、碳對室溫平衡組織的影響

鐵碳合金系相圖之1、碳對室溫平衡組織的影響

鐵碳合金系相圖三、碳對鐵碳合金的影響

鐵碳合金系相圖2、碳對力學(xué)性能的影響

硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分數(shù)，隨碳含量的增加，合金的硬度呈直線關(guān)系增大。強度對組織形態(tài)很敏感。隨碳含量的增加，亞共析鋼中P增多而F減少。P的強度比較高，所以亞共析鋼的強度隨碳含量的增大而增大。到約wc0.9%時，F(xiàn)e3CⅡ沿晶界形成完整的網(wǎng)，強度迅速降低。合金的塑性變形全部由F提供。所以隨碳含量的增大，F(xiàn)量不斷減少時，合金的塑性連續(xù)下降。對于應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料亞共析鋼，合金的硬度、強度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下估算：硬度≈80×F%+180×P%(HB)

或硬度≈80×F%+800×Fe3C%(HB)

強度≈230×F%+770×P%(MPa)

延伸率(δ)≈50×F%+20×P%(%)

（四）Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用

1.在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用

●建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳含量較低的鋼材?！窀鞣N機械零件需用強度、塑性及韌性都較好的材料。應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。各種工具需用硬度高和耐磨性好的材料，則選碳含量高的鋼種?！窦冭F磁導(dǎo)率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵心等?！癜卓阼T鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機的磨球等。

2.在鑄造工藝方面的應(yīng)用

根據(jù)Fe—Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50～10