铁碳相图[专业相关]

1、5. Fe-C合金相图 n5.1 纯铁及铁碳合金中的相 n5.2 Fe-Fe3C相图分析 n5.3 合金的成分与组织、性能的关系 n5.4 Fe-Fe3C相图的应用及局限性 Q铁和碳可以形成的一系列化合物铁和碳可以形成的一系列化合物，即FeFe3 3C C、 FeFe2 2C C、FeCFeC等。 Fe-C相图可分为几部分： FeFe3C Fe2CFeCC C, % 6.69% 9.70% 17.7% 脆性大，无实用意义 5.1 纯铁及其铁碳合金相 912 1394 一、工业纯铁及其特性一、工业纯铁及其特性 工业纯铁指含杂质为工业纯铁指含杂质为0.100.20的纯铁，的纯铁，s sb、HB低，

2、低，d d、a aK 好。好。 （一）特性：（一）特性： 1.纯铁具有同素异晶转变：在固纯铁具有同素异晶转变：在固 态不同温度发生晶格类型的转变。态不同温度发生晶格类型的转变。 即即 -Fe-Fe -Fe (BCC)(FCC) BCC) s sb=180230 MPa HB=5080 d d=3050%a aK=160200 J/cm2 j=j=7080% 主要利用其高的导磁率，作电工材料。主要利用其高的导磁率，作电工材料。 5.1纯铁及其铁碳合金相 二、铁碳合金相 组组 元：元： 纯铁、渗碳体 基基 本本 相：相： 铁素体（ ） 奥氏体奥氏体（ ） 渗碳渗碳体（Cm） 基本组织： 珠光体（P

3、） 莱氏体（Le/Le） 5.1纯铁及其铁碳合金相 (1)(1)相相：又称为铁素体：又称为铁素体FerriteFerrite：碳原子溶入：碳原子溶入-Fe-Fe的间隙的间隙 形成的固溶体，用形成的固溶体，用“F”F”或或“a ”a ”表示。呈体心立方晶格，最大表示。呈体心立方晶格，最大 含碳量为含碳量为0.0218%0.0218%，(P(P点点) )温度为温度为727727。 性能：性能：b、HB低，低，、K 好。好。 二、铁碳合金相 5.1纯铁及其铁碳合金相 （2）g g相相：又称为奥氏体：又称为奥氏体Austenite：是碳原子溶入：是碳原子溶入-Fe中的中的 间隙形成的固溶体，用间隙形成

4、的固溶体，用“A”或或“g g”表示，具有表示，具有FCC晶体结构晶体结构 。 含碳量为含碳量为727时为时为0.77% ；1148时为时为2.11 性能：高塑性、高韧性、良好的锻造性能，强度、硬度较低性能：高塑性、高韧性、良好的锻造性能，强度、硬度较低. 二、铁碳合金相 5.1纯铁及其铁碳合金相 （3）Cm相相Fe3C为复杂结构的间隙化合物，属于正为复杂结构的间隙化合物，属于正 交晶系，含碳量为交晶系，含碳量为6.69 ，通常称为，通常称为“渗碳体渗碳体” 。 性能：高硬度，性能：高硬度， 高脆性，塑性近似为零，加热易分解。高脆性，塑性近似为零，加热易分解。 s sb=30MPaHBHB=8

5、00d d=0 物相形貌：渗碳体根据形成条件不同，有条状、网状、片状、物相形貌：渗碳体根据形成条件不同，有条状、网状、片状、 粒状等，对性能有较大影响。粒状等，对性能有较大影响。 Fe3C 3Fe C（石墨）（石墨） 石墨具有六方结构石墨具有六方结构,强度、硬度极低强度、硬度极低 二、铁碳合金相 5.1纯铁及其铁碳合金相 5.2 铁碳合金相图分析 a aFe3C g gFe3C g g a ag g d dg g d d Lg g LFe3C1148 1538 B 1495 727 912 G A C D E P S F H N Q J K C(重量重量) 0 Fe 6.69 Fe3C 2.1

6、1 4.3 0.77 0.0218 H：0.09 J： 0.17 B：0.53 1394 符号 温度（） 含碳量（%） 说明 A 1538 0 纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液相合金的成分 C 1148 4.30 共晶点 D 1227 6.69 渗碳体的熔点(计算值) E 1148 2.11 C在奥氏体中的最大溶解度 F 1148 6.69 渗碳体的成分 G 912 0 a a-Fegg-Fe同素异构转变点（A3） H 1495 0.09 C在d d中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点 K 727 6.69 渗碳体的成分 L06.69渗碳体的成分 M7700纯Fe的居

7、里点 N 1394 0 d d-Fegg-Fe同素异构转变点（A4 ) O7700.5铁素体的磁性转变温度 P727 0.0218 C在a a中的最大溶解度 Q室温 0.0008 室温时C在a a中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点（A1） 一、相图分析 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 相图中的点 相图中的五个单相(区) 相图中的三条水平线 相图中的七个两相区 一、相图分析 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （一）相图中重要的点、线、区（一）相图中重要的点、线、区 相及相区相及相区 相区相区：五个单相区：五个单相区：L、 d d、 A、F、Fe3C 。 七个双相区：七

8、个双相区：LA、 L d d、 L+ Fe3C、 d d A、 A F、AFe3C 、FFe3C。 三个三相区：三个三相区： L+ d+Ad+A、 L AFe3C、F+A+ Fe3C 相：相：L、d d、A、F、Fe3C五个相。五个相。 线线:(一一) 液相线液相线-A BC D线线 (二二) 固相线固相线-AHJECF线线 (三三) 三条水平线三条水平线 共晶线共晶线ECF线线 包晶线包晶线HJB线线 共析线共析线PSK线线A1线线 一、相图分析 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （一）相图中重要的点、线、区（一）相图中重要的点、线、区 J J为包晶点为包晶点: : 1495 时时,

9、 B点成分的点成分的L与与H 点成分的点成分的 发生包晶反应发生包晶反应, 生成生成J点成分点成分 的的。 C点为共晶点： 1148 时时, C点成分的点成分的L 发生共晶反应发生共晶反应, 生成生成E点成分的点成分的和和Fe3C （莱氏体）。（莱氏体）。 S点为共析点： 727 时时, S点成分的点成分的发生发生 共析反应共析反应, 生成生成P点成分的点成分的和和Fe3C（P）。）。 一、相图分析 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （二）三个重要的点（二）三个重要的点 包晶反应：包晶反应：L+ 共晶反应：共晶反应：LLd( FeC3+ ) 共析反应：共析反应： P (FeC3+ )

10、返回返回 一、相图分析 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （三）三个重要的恒温转变（三）三个重要的恒温转变 莱氏体中的渗碳莱氏体中的渗碳 体称为共晶渗碳体称为共晶渗碳 体，在显微镜下体，在显微镜下 为块状或粒状为块状或粒状 分布在渗碳体基分布在渗碳体基 体上；体上； 性能：渗碳体连续性能：渗碳体连续 分布，分布，Ld塑性很塑性很 差。差。 一、相图分析 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 共晶反应：共晶反应：LLd( FeC3+ ) 珠光体：铁素体与渗碳体珠光体：铁素体与渗碳体 的机械混合物，渗碳体以的机械混合物，渗碳体以 细片状分散分布在铁素体细片状分散分布在铁素体 基体上，起

11、强化作用。基体上，起强化作用。 性能：强度较高，塑性、性能：强度较高，塑性、 韧性和硬度介于韧性和硬度介于与与Cm之之 间。间。 层片状层片状 一、相图分析 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 共析反应：共析反应：P (FeC3+ ) 一、相图分析 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （四）三条重要的特征线（四）三条重要的特征线 a aFe3C g gFe3C g g a ag g d dg g d d Lg g LFe3C1148 1538 B 1495 727 912 G A C D E P S F H N Q J K C(重量重量) 0 Fe 6.69 Fe3C 2.11 4

12、.3 0.77 0.0218 H：0.09 J： 0.17 B：0.53 1394 ES线线(Acm)：碳在：碳在中的溶中的溶 解度曲线，解度曲线，Fe3C PQ线：碳在线：碳在中的溶解度中的溶解度 曲线，曲线， Fe3C GS线线(A3)： 冷却过程中冷却过程中 析出析出的开始线的开始线 过共析钢过共析钢 共析钢共析钢 共晶白口铁共晶白口铁 亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁 碳素钢碳素钢白口铸铁白口铸铁 亚共析钢亚共析钢 工业纯铁工业纯铁 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 亚共析钢用途实例亚共析钢用途实例 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2

13、 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 共析钢的应用举例共析钢的应用举例 T8钢钢 碳含量碳含量 0.80 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 过共析钢应用举例过共析钢应用举例 T12 钢钢 碳含量碳含量 1.2 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 过共析钢 共析钢 亚共析钢 共晶白口铁共晶白口铁 亚共晶白口铁亚共晶白口铁 过共晶白口铁过共晶白口铁 铁碳合金 白口（铸）铁 0.0218% 0.02182.11% 2.116.68% 0.77% 4.3% 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 1当当T

14、在在T1T2时，由时，由 L 2在在T2T3时，时，的成的成 分不变分不变 3.在在T3T4时，由时，由A 4.4. T T4 4T T5 5,A,A成分不变成分不变 5.5. T T5 5T T6 6, , 由由A AF F 典型铁碳合金在典型铁碳合金在Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的位置相图中的位置 F:F:白色等轴晶粒；白色等轴晶粒；Fe3CFe3C：呈小白片状分布于：呈小白片状分布于F F晶界晶界 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （一）工业纯铁（一）工业纯铁 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （一）工业纯

15、铁（一）工业纯铁 单相液体的冷却单相液体的冷却 匀晶反应匀晶反应L相中析出相中析出相（奥氏体相（奥氏体A） 单相固溶体的冷却单相固溶体的冷却 相发生共析反应生成珠光体相发生共析反应生成珠光体P 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （二）共析钢（二）共析钢 注意事项注意事项 共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成产生三次析出，生成Fe3C ，但与共析的 ，但与共析的Fe3C连在一连在一 起，难以分辨。起，难以分辨。 共析钢的室温平衡组织：共析钢的室温平衡组织：P P：铁素体（：铁素体（F）

16、和渗碳体的两相）和渗碳体的两相 混合物，两相的相对质量是多少？混合物，两相的相对质量是多少？ 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （二）共析钢（二）共析钢 杠杆定律杠杆定律 计算二元相图中计算二元相图中 平衡状态下平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。两平衡相的相对质量分数。 杠杆的杠杆的支点支点是两相合金的是两相合金的成分点成分点，端点，端点分别是两个相的分别是两个相的成成 分点分点。 a Fe3C A(0.0008)B(6.69) 0.77 C %5 .11%100 0008. 069. 6 0008. 077. 0 3 = = CFe M %5 .88%1

17、00 0008. 069. 6 77. 069. 6 = = a M a a相的质量分数相的质量分数 Fe3C相的质量分数相的质量分数 L相冷却相冷却 L相相 相相 L相相+ 相相 相，并且相，并且L相有剩余相有剩余 剩余剩余L相相 相相 单相的冷却单相的冷却 相相 相，但相，但相有剩余相有剩余 共析反应：剩余共析反应：剩余相相P（+Fe3C），存在），存在 先析先析相相 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （三）亚共析钢（三）亚共析钢 注意事项注意事项 先析先析铁素体（铁素体（相）在随后的冷却过程中会析相）在随后的冷却过程中会析 出出FeFe3 3C C ，

18、但量很少可忽略 ，但量很少可忽略 亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+ +珠光体珠光体P P 利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量 分数，计算铁素体（先析铁素体分数，计算铁素体（先析铁素体+P+P光体中的铁光体中的铁 素体）与渗碳体的质量分数素体）与渗碳体的质量分数 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （三）亚共析钢（三）亚共析钢 计算计算727 下下, 组织组成物组织组成物的质量分数的质量分数 %28.77%100 0218. 077. 0 0218. 06 . 0 = = P M %

19、72.22%100 0218. 077. 0 6 . 077. 0 = = a M a a组织组成物的组织组成物的 质量分数质量分数 P组织组成物的组织组成物的 质量分数质量分数 P a a P P A(0.0218)B(0.77) 0.6 C 单相液体的冷却单相液体的冷却 L相相 相相 单相固溶体（奥氏体）的冷却单相固溶体（奥氏体）的冷却 相中析出二次渗碳体（相中析出二次渗碳体（Fe3C ） ） 共析转变：共析转变： 相相（ +Fe3C），）， 存在存在Fe3C 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （四）过共析钢（四）过共析钢 注意事项注意事项 从奥氏体中析

20、出的从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体称为二次渗碳体 Fe3C 沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整 沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整 体脆性加大体脆性加大 过共析钢室温平衡组织：珠光体过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3C 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量 分数分数 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （四）过共析钢（四）过共析钢 单相液体的冷却单相液体的冷却 共晶反应：共晶反应：LLe（+Fe3C） 共晶共晶中的中的相不断析出相不断析出 Fe3C ，不可见 ，不可见 共析反应：共析反应： Le（+Fe

21、3C） Le（P+Fe3C） 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （五）共晶白口铁（五）共晶白口铁 注意事项注意事项 冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出，冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3C ， ， 但其依附于莱氏体中的但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见长大，不可见 共晶白口铁室温组织：变态莱氏体共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le （珠光（珠光 体呈粒状分布在体呈粒状分布在Fe3C基体上）基体上） 共晶白口铁的基体相是共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性相，材料整体 脆性较大，硬度较高脆性较大，硬度较高 二、典型合金的平衡凝固过程 5.

22、2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （五）共晶白口铁（五）共晶白口铁 单相液体的冷却单相液体的冷却 共晶反应：剩余共晶反应：剩余LLe（+Fe3C） 先共晶先共晶相不断析出相不断析出 Fe3C ，共晶 ，共晶相析出相析出 Fe3C 不可见 不可见 共析反应：共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 先共晶先共晶相相 P 匀晶反应：匀晶反应： L 相相 室温组织：室温组织： Le（P+Fe3C） + P 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （六）亚共晶白口铁（六）亚共晶白口铁 单相液体的冷却单相液体的冷却 共晶反应：剩余共晶反应：剩余LLe（+Fe

23、3C） 共晶共晶相析出相析出Fe3C 不可 不可 见见 共析反应：共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 匀晶反应：匀晶反应： L Fe3C相相 室温组织：室温组织： Le（P+Fe3C） + Fe3C 二、典型合金的平衡凝固过程 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 （六）过共晶白口铁（六）过共晶白口铁 小结 +Fe3C+P PP+Fe3CP+Fe3C+LeLeFe3C+Le 随着随着C CF FFeFe3 3CC。 含含C对对Fe-C合金组织的影响合金组织的影响 5.3 合金的成分与组织及性能之间的关系 一、含碳量对相及组织的影响 Fe3C组织 Fe3C、 Fe3C、 F

24、e3C 、共晶Fe3C、共 析 Fe3C、先共晶 Fe3C 、先共析Fe3C。 这些渗碳体的成分和晶体结构都相同，属 同一“相”。 不同的名称说明析出的母相不同、析出的 顺序不同、分布状态不同。 （一）含碳量对力学性能的影响（一）含碳量对力学性能的影响 1.1.钢钢 (1(1）当）当FeFe3 3C C呈片层状分布在呈片层状分布在F F基体上时为强基体上时为强 化相，化相，P P为高为高强组织。亚共析钢随着强组织。亚共析钢随着 C CP P，b bHBHB，K K . . (2) (2) 共析钢的强度高于亚共析钢。共析钢的强度高于亚共析钢。 (3) (3) 过共析钢当过共析钢当C C1.01.

25、0时时达到最值。达到最值。 当当FeFe3 3C C呈网状分布在呈网状分布在A A的晶界的晶界时时使钢的使钢的 K K b b,脆性增大。脆性增大。 2.2.白口铁白口铁 无论高温或低温，莱氏体无论高温或低温，莱氏体基体相基体相都是都是 硬脆的硬脆的FeFe3 3C C, ,所以所以硬而脆，但耐磨性硬而脆，但耐磨性 好。好。 3.3.硬度硬度 决定于决定于组成相组成相或组织组成物的硬度和或组织组成物的硬度和 相对数量，而受相形态的影响较小。相对数量，而受相形态的影响较小。 图图 含含C对对Fe-C合金性能的影响合金性能的影响 二、含碳量对性能的影响 5.3合金的成分与组织、性能的关系合金的成分

26、与组织、性能的关系 1.1.低碳钢（低碳钢（C C0.250.25），不易断屑，切削性能不好。），不易断屑，切削性能不好。 2.2.高碳钢（高碳钢（C C0.600.60），因硬度高，刀具磨损严重，），因硬度高，刀具磨损严重， 切削性能不好。切削性能不好。 3.中碳钢（中碳钢（0.25C0.6）HB适中（适中（HB=220）切）切 削性能好削性能好. 4.白口铸铁硬度高，脆性大，不易切削加工。白口铸铁硬度高，脆性大，不易切削加工。 1.1.钢具有良好的锻造性能，亚共析钢中随着钢具有良好的锻造性能，亚共析钢中随着C C锻造性锻造性 能能，亚共析钢的锻造性能好于共，亚共析钢的锻造性能好于共析析、过

27、共析钢。、过共析钢。 2.白口铁无论高温或低温都是以共晶渗碳体为基体相所以白口铁无论高温或低温都是以共晶渗碳体为基体相所以 不能锻造。不能锻造。 铸造性能包括：铸造性能包括：流动性、缩孔、枝晶偏析流动性、缩孔、枝晶偏析等。等。 1.1.钢的铸造性能不如白口铁钢的铸造性能不如白口铁. . 2.共晶白口铁的铸造性能最好。共晶白口铁的铸造性能最好。 二、含碳量对性能的影响 5.3合金的成分与组织、性能的关系合金的成分与组织、性能的关系 1）需用塑性、韧性好的材料，如，建筑结构和）需用塑性、韧性好的材料，如，建筑结构和 各种型钢，宜选用碳含量较低的钢材。各种型钢，宜选用碳含量较低的钢材。 2）一些要求

28、强度、塑性及韧性都较好的机械零）一些要求强度、塑性及韧性都较好的机械零 件，如汽车轴，则应选用碳含量适中的中碳钢。件，如汽车轴，则应选用碳含量适中的中碳钢。 3）需要高硬度和高耐磨性的材料）需要高硬度和高耐磨性的材料,如，各种工具，如，各种工具， 则应该选择碳含量较高的钢种。则应该选择碳含量较高的钢种。 4）白口铸铁由于耐磨性、铸造性能好，适用于）白口铸铁由于耐磨性、铸造性能好，适用于 要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，如拔丝要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，如拔丝 模、冷轧辊、犁铧、磨球、床身等。模、冷轧辊、犁铧、磨球、床身等。 5.4 Fe-Fe3C相图的应用及局限性 1、在钢铁材料选

29、用方面的应用 1）根据）根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的相图可以确定合金的浇注温度浇注温度。浇注温度。浇注温度 一般在液相线以上一般在液相线以上50-100。 2）由于纯铁和共晶成分铁碳合金的凝固温度区间小，流动）由于纯铁和共晶成分铁碳合金的凝固温度区间小，流动 性好性好,分散缩孔少分散缩孔少, 可使缩孔集中在冒口内，易于获得致密的可使缩孔集中在冒口内，易于获得致密的 铸件，因此铸铁成分在生产中总是选在接近于铸件，因此铸铁成分在生产中总是选在接近于共晶成分共晶成分附附 近。近。 3）铸钢也是常用的铸造合金。虽然铸钢的凝固温度区间较）铸钢也是常用的铸造合金。虽然铸钢的凝固温度区间较 大，因此流动性较差，相对而言，含碳量一般在大，因此流动性较差，相对而言，含碳量一般在0.15-0.6% 之间合金铸