第5章相平衡与相图-铁碳相图

1、15.4 5.4 铁碳相图铁碳相图主讲：张希清主讲：张希清2一一. . 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 钢和铸铁钢和铸铁是应用最广的金属材料，虽然它们是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁是铁(Fe)(Fe)和碳和碳(C)(C)两种元素，故统称为两种元素，故统称为铁碳合金铁碳合金。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律因此，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。解决实际问题是非常重要的。 3 在铁碳合金中，在铁碳合金中，FeFe与与C C可以形成一系列化合物：可以形成一系列

2、化合物：FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC。所以，。所以，Fe-CFe-C相图可以划分成相图可以划分成Fe-FeFe-Fe3 3C, C, FeFe3 3C-FeC-Fe2 2C, FeC, Fe2 2C-FeCC-FeC和和FeC-CFeC-C四个部分。工业上使用的四个部分。工业上使用的铁碳合金含碳量不超过铁碳合金含碳量不超过5 5，因此，因此，通常所说的铁碳相通常所说的铁碳相图就是图就是Fe-FeFe-Fe3 3C C部分部分。 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图 41) 1) 纯铁（纯铁（FeFe）纯铁纯铁 熔点熔点15381538，密度，密度7.87g/7.

3、87g/ 。 1. Fe1. FeC C合金中的组元合金中的组元 铁碳合金中组元：铁碳合金中组元：渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C） 纯铁纯铁(Fe) (Fe) 纯铁具有磁性转变（纯铁具有磁性转变（770770磁性转变）磁性转变）。纯铁的强度低，。纯铁的强度低，塑性好塑性好( (软软) )，很少用于结构材料。主要利用，很少用于结构材料。主要利用铁磁性铁磁性。 纯铁的显微组织纯铁的显微组织 5纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 纯铁固态下具有纯铁固态下具有同素异构转变同素异构转变：912912C C以下为体心立以下为体心立方方(bcc)(bcc)晶体结构，晶体结构，91

4、2912C C到到13941394C C之间为面心立方之间为面心立方(fcc)(fcc)结构结构, 1394, 1394C C到熔点之间为体心立方到熔点之间为体心立方(bcc)(bcc)结构。结构。 纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 6通常将通常将 转变称为转变称为A A4 4 转转变，转变的平衡临界点温度称为变，转变的平衡临界点温度称为A A4 4 点点. .FeFe将将 转变称为转变称为A A3 3 转变，转变，转变的平衡临界点温度称为转变的平衡临界点温度称为A A3 3 点。点。FeFe通常将通常将-Fe-Fe在在770770的磁性转变（高温的磁性转变（高温的顺磁性的顺磁性低温的铁磁

5、性）称为低温的铁磁性）称为A A2 2转变，转变，磁性转变温度称为铁的居里点。磁性转变温度称为铁的居里点。纯纯铁铁的的冷冷却却曲曲线线72) 2) 渗碳体渗碳体(Fe(Fe3 3C)C) 渗碳体渗碳体是是FeCFeC合金中碳以化合物合金中碳以化合物FeFe3 3C C形式出现，含碳形式出现，含碳量量6.69% 6.69% 。正交晶系。正交晶系,C,C原子周围有原子周围有6 6个个FeFe原子，构成一个八原子，构成一个八面体面体,Fe:C=3:1,Fe:C=3:1，一个渗碳体晶胞含有，一个渗碳体晶胞含有1212个铁原子和个铁原子和4 4个碳个碳原子。原子。渗渗碳碳体体的的晶晶格格 8 Fe Fe

6、3 3C C在在230230以下具有铁磁性，渗碳体在以下具有铁磁性，渗碳体在230230的磁性转的磁性转变称为变称为A A0 0 转变。转变。 Fe Fe3 3C C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆，塑性极低，延伸率接近于碳体硬而脆，塑性极低，延伸率接近于0 0。它是钢铁材料。它是钢铁材料中的主要强化相。中的主要强化相。渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图92. Fe-C2. Fe-C合金中的基本相和组织合金中的基本相和组织 在在FeFeFeFe3 3C C相图中，相图中，Fe-CFe-C合金在不同条件合金在不同条件( (成分，温成

7、分，温度度) )下，可有下，可有六个基本相：六个基本相： 液相、液相、相、相、相、相、相、相、FeFe3 3C C相、石墨（相、石墨（C C） （1 1）液相）液相(L)(L)FeFe与与C C在高温下形成的液体溶液。在高温下形成的液体溶液。 （2 2）相相C C溶于溶于FeFe中的间隙固溶体称为中的间隙固溶体称为 铁素体，也称铁素体，也称高温高温铁素体铁素体。在在14591459时最大溶解量可达时最大溶解量可达0.09%0.09%，为，为bccbcc结构，结构，（3 3）渗碳体）渗碳体 前面已讨论过前面已讨论过10 含100%C，灰口铸铁中一个基本组成相，用C或G表示。 (4)(4)石墨石墨

8、 石墨具有简单六方晶格。石墨具有简单六方晶格。 同一晶面上碳原子以共价键结合同一晶面上碳原子以共价键结合, ,间距间距0.142nm0.142nm结合力较强。结合力较强。 两层晶面的间距为两层晶面的间距为0.34nm0.34nm，结合力弱。，结合力弱。 耐高温，导电，一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和耐高温，导电，一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。韧性都极低。 11 （5 5） 奥氏体奥氏体 奥氏体奥氏体( (常用常用或或A A表示) )，是，是C C溶解于溶解于FeFe中形成的间中形成的间隙固溶体。隙固溶体。铁具有铁具有fccfcc面心立方结构。奥氏体面心立方结构。奥氏体间隙

9、大间隙大，可，可以溶解较多的碳。奥氏体的硬度较低，塑性高。以溶解较多的碳。奥氏体的硬度较低，塑性高。铁铁是是顺磁顺磁性性的的。晶粒呈。晶粒呈平直多边形平直多边形。碳在碳在FeFe中的位置中的位置奥氏体的显微组织奥氏体的显微组织 12奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图13（6 6）铁素体）铁素体 铁素体（铁素体（或或F F）是是C C溶于溶于FeFe中形成中形成的间隙固溶体的间隙固溶体, ,具有体具有体心立方心立方bccbcc结构。结构。铁素铁素体的溶碳能力比奥氏体体的溶碳能力比奥氏体小得多小得多，含碳量非常低，含碳量非常低，所以其性能与纯铁相似：所以其性能与纯铁相似：硬度低，塑性高。硬度低，塑性

10、高。14铁素体组织金相图铁素体组织金相图铁素体铁素体的显微的显微组织与组织与工业纯工业纯铁相同铁相同,晶粒常晶粒常呈多边呈多边形形。15珠光体珠光体 ( P )( P )铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。珠光体金相图珠光体金相图16莱氏体莱氏体 ( Ld )( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是一个连续分布的基体相，奥氏体则在莱氏体中，渗碳体是一个连续分布的基体相，奥氏体则呈颗粒状分布在渗碳体的基体上。因为渗碳体很脆，所以呈颗粒状分布在渗碳体的基体上。因为渗碳体很脆，所以莱氏体是一种塑性很差的组织。莱氏体是

11、一种塑性很差的组织。莱莱氏氏体体金金相相图图17下图为下图为Fe-Fe-碳合金双重相图碳合金双重相图。图中实线部分为。图中实线部分为Fe-FeFe-Fe3 3C C相图，相图，虚线表示虚线表示Fe-CFe-C（石墨）相图（虚线与实线重合的部分以实（石墨）相图（虚线与实线重合的部分以实线表示）。铁碳相图通常是指线表示）。铁碳相图通常是指Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。二、二、FeFeFeFe3 3C C相图分析相图分析 分析点、线、分析点、线、区特别是重区特别是重要的点、三要的点、三条水平恒温条水平恒温转变线、重转变线、重要的相界线要的相界线 18相图的分析相图的分析 五个重要的成份

12、点五个重要的成份点: : P P、S S、E E、C C、K K。 四条重要的线四条重要的线: : EF EF、ESES、GSGS、PKPK。 两个重要转变两个重要转变: : 共晶转变反应式、共晶转变反应式、共析转变反应式。共析转变反应式。 二个重要温度二个重要温度: : 1148 1148 、727 727 。19（1 1）FeFeFeFe3 3C C相图的点相图的点五个重要的成份点五个重要的成份点: P、S、E、C、K。20（2 2）FeFeFeFe3 3C C相图的线相图的线 FeFe FeFe3 3C C相图有一些特性线，它们是相图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接

13、起由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。来的。 有三条水平恒温转变线，二条磁性转有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线变线( (水平水平) )和三条重要的相界线。和三条重要的相界线。 21A.A.三条水平恒温转变线三条水平恒温转变线围绕三条水平线围绕三条水平线可把可把FeFeFeFe3 3C C相相图分解为三个部图分解为三个部分考虑：左上角分考虑：左上角的包晶部分，右的包晶部分，右边的共晶部分，边的共晶部分，左下角的共析部左下角的共析部分。分。 22 包晶线：包晶线：HJBHJB线（线（14951495），J J为包晶点，为包晶点，w wc c=0.09=0.090.53%0.53%的的Fe

14、-CFe-C合金缓冷到合金缓冷到HJBHJB线均发生包线均发生包晶反应，即：晶反应，即： L L0.530.53+0.090.090.170.17 （L LB B+H HJ J）23 共晶线：共晶线：ECFECF水平线（水平线（11481148），C C点为共晶点，点为共晶点，w wc c=2.11=2.116.69%6.69%的的Fe-CFe-C合金缓冷到合金缓冷到ECFECF线均发生共晶反应：线均发生共晶反应： 转变产物为奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物转变产物为奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物（+Fe+Fe3 3C C ），称为），称为莱氏体，用莱氏体，用LdLd表示。表示。 L L4.30

15、4.302.112.11+ Fe+ Fe3 3C C （L LC CE E+ Fe+ Fe3 3C C） 24 共析线：共析线：PSKPSK水平线（水平线（727727），S S点为共析点。凡点为共析点。凡w wc c0.0218%0.0218%的的Fe-CFe-C合金冷却到合金冷却到PSKPSK线均发生共析反应：线均发生共析反应： 0.770.770.02180.0218 + Fe + Fe3 3C C （S SP P+ Fe+ Fe3 3C C） 转变产物为铁素体和渗碳体组成的机械混合物（转变产物为铁素体和渗碳体组成的机械混合物（ + + FeFe3 3C C ），称为），称为珠光体，用珠

16、光体，用P P表示。表示。共析转变温度常用共析转变温度常用A A1 1表示表示。25B. B. 两条磁性转变线两条磁性转变线 230 230水平线为渗碳体水平线为渗碳体FeFe3 3C C的磁性转变线的磁性转变线，230230以以上上FeFe3 3C C无磁性，无磁性，230230以下为铁磁性。常用以下为铁磁性。常用A A0 0表示表示 770770为铁素体为铁素体的铁磁性转变线的铁磁性转变线。770770以上无以上无铁磁性，铁磁性，770770以下为铁磁性。常用以下为铁磁性。常用A A2 2表示，称居里点。表示，称居里点。 26C. 3C. 3条重要的相界线条重要的相界线( (固溶度曲线固溶

17、度曲线) ) GS GS线：又线：又称为称为A A3 3线。线。奥奥氏体中氏体中开始析开始析出铁素体出铁素体或或全部溶入全部溶入( (升温时升温时) ) 的转变线。的转变线。A A3 3温度。温度。 27 ES ES线线：C C在奥氏体在奥氏体中的溶解度曲线。称为中的溶解度曲线。称为A ACmCm温度。温度。 温度降低，溶解度降低，将析出次生的渗碳体温度降低，溶解度降低，将析出次生的渗碳体FeFe3 3C C。为了区别自液态合金为了区别自液态合金(CD(CD线线) )中直接析出的一次中直接析出的一次FeFe3 3C C，将，将中析出的中析出的FeFe3 3C C称为称为二次渗碳体，记为二次渗碳

18、体，记为FeFe3 3C C。因此。因此ESES线也称线也称为二次渗碳体的开始析出线。为二次渗碳体的开始析出线。 28 PQ PQ线线：C C在铁素体在铁素体中的溶解度曲线中的溶解度曲线。 在在727727时，时，C C在在中 的 最 大 溶 解 度中 的 最 大 溶 解 度0.0218%0.0218%，温度下降，温度下降，C C溶解度下降，会析出溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为少量的渗碳体，称为三 次 渗 碳 体 ， 记 为三 次 渗 碳 体 ， 记 为FeFe3 3C C。以区别于沿。以区别于沿CDCD线和线和ESES线析出的渗碳线析出的渗碳体体FeFe3 3C C。29（3 3）Fe

19、FeFeFe3 3C C相图中的区相图中的区 5 5个单相区个单相区：液相区（：液相区（L L）、）、固溶体区（固溶体区（ ）、）、奥氏体区（奥氏体区（）、铁素体区（）、铁素体区（）、渗碳体区（）、渗碳体区（FeFe3 3C C） 30 7 7个两相区个两相区：L+L+、L+L+、L+ FeL+ Fe3 3C C、+、+ Fe+ Fe3 3C C、+、+ Fe+ Fe3 3C C31 3 3个三相共存区个三相共存区：L+ FeL+ Fe3 3C C（ECFECF线）、线）、L+L+（HJBHJB线）、线）、+ Fe+ Fe3 3C C（PSKPSK线）线）32三、三、Fe-CFe-C合金分类合

20、金分类 按含碳量按含碳量(W(Wc c) )及有无共晶转变分为三大类：及有无共晶转变分为三大类：工业纯铁工业纯铁：W Wc c0.0218%0.0218%的铁碳合金与铁一样只发生同素异晶转的铁碳合金与铁一样只发生同素异晶转变，称之为工业纯铁。很少用作工程结构材料。变，称之为工业纯铁。很少用作工程结构材料。碳钢碳钢 (W(Wc c=0.0218=0.02182.11%2.11%不发生共晶转变的铁碳合金称为碳钢不发生共晶转变的铁碳合金称为碳钢) )铸铁铸铁（W Wc c=2.11=2.116.69%6.69%发生共晶转变的铁碳合金称为铸铁发生共晶转变的铁碳合金称为铸铁) )。33共析钢共析钢：Wc

21、=0.77% Wc=0.77% 亚共析钢亚共析钢:Wc=0.0218-0.77%:Wc=0.0218-0.77%过共析钢过共析钢：Wc=0.77-2.11%Wc=0.77-2.11%根据其室温组织的不同，根据其室温组织的不同，碳钢碳钢又可分为：又可分为：共晶白口铸铁共晶白口铸铁：Wc=4.30% Wc=4.30% 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁： Wc=2.11-4.30% Wc=2.11-4.30% 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁: : Wc=4.30-6.69% Wc=4.30-6.69%根据根据白口铸铁白口铸铁室温组织不室温组织不同，可分为三种：同，可分为三种：34从上述每类铁碳合金中各选择

22、一种分析其平衡凝固过程。从上述每类铁碳合金中各选择一种分析其平衡凝固过程。35四、四、FeFeC C合金的平衡结晶过程及组织合金的平衡结晶过程及组织( (以以Wc=0.01%Wc=0.01%的合金为例的合金为例) ) 1 1）工业纯铁）工业纯铁匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀转变过程转变过程：LL+ + FeLL+ + Fe3 3C C 36 室温组织为：室温组织为：+ Fe+ Fe3 3C C Fe Fe3 3C C最多为最多为0.33%0.33%工业纯铁室温组织图（工业纯铁室温组织图（200200） 将从将从FeFe中析出的中析出的FeFe3 3C C称为三次渗碳体，但

23、这个转变大多被称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。抑制，形成微量的过饱和状态。 通常的组织为单一铁素体。通常的组织为单一铁素体。37（2 2） 共析钢共析钢（W Wc c=0.77%=0.77%） 过程如下：过程如下：LL+P+PLL+P+P（+ Fe+ Fe3 3C C）P+FeP+Fe3 3C C （常忽略）（常忽略）匀晶转变共析转变脱溶沉淀匀晶转变共析转变脱溶沉淀FeFe3 3C C与共析渗碳体连在一起，在显与共析渗碳体连在一起，在显微镜下难以分辨，数量也很少，对性微镜下难以分辨，数量也很少，对性能无明显影响，一般忽略不计。）能无明显影响，一般忽略不计。）38 室

24、温组织为珠光体室温组织为珠光体P P（+ Fe+ Fe3 3C C），），P P呈层片状，是铁素呈层片状，是铁素体体和渗碳体和渗碳体FeFe3 3C C的层片交替重叠的机械混合物。图中的的层片交替重叠的机械混合物。图中的白色片状为白色片状为，黑色片状为，黑色片状为FeFe3 3C C。 相相: Fe3C： =(6.69-0.77)/6.6988% Fe3C%= 0.77/6.69=12% 组织：组织：P P，10010039共析钢组织金相图共析钢组织金相图40（3 3）亚共析钢）亚共析钢 （Wc=0.0218Wc=0.02180.77%0.77%） 结晶过程如下：结晶过程如下： LL+L+L+ +P+ PLL+L+L+ +P+ P（析出（析出FeFe3 3C C） 匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀 41注意：注意：在共析转变之前生成在共析转变之前生成的的称为先共析铁素体。称为先共析铁素体。共析转变之前共析转变之前和和的相对量的相对量( (即共析转变后即共析转变后和和P P的相对量的相对量) )可通