第五章-铁碳合金相图

1、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Fe-C相图可分为几部分：FeFe3C Fe2CFeCCC, %6.69%9.70%17.7%脆性大，无实用意义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，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)

2、(FCC)BCC)s sb=180230 MPaHB=5080d d=3050%a aK=160200 J/cm2j=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）莱氏体（Le/Le） (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

3、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6（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7性能：高硬度，性能：高硬度

4、， 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=800d 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a aFe3Cg gFe3Cg ga ag gd dg gd dLg gLFe3C11481538B 1495727912GACDEPSFHNQJKC(重量重量)0Fe6.69 Fe3C2.114.30.770

5、.0218H：0.09J： 0.17B：0.531394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的居里点N 1394 0 d d-Feg

6、g-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：七个双相区：LA、 L d d、 L+ Fe3C、 d d A、

7、 AF、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, 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

8、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+ ) 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

9、变一、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+ )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 aFe3Cg gFe3Cg ga ag gd dg gd dLg gLFe3C11481538B 1495727912GACDEPSFHNQJKC(重量重量)0Fe6.69 Fe3C2.114.30.770

10、.0218H：0.09J： 0.17B：0.531394ES线线(Acm)：碳在：碳在中的溶中的溶解度曲线，解度曲线，Fe3CPQ线：碳在线：碳在中的溶解度中的溶解度曲线，曲线， Fe3CGS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T8钢钢碳含量碳含量 0.80二、典型合金的平衡凝固过程5.

11、2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、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

12、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

13、以分辨。共析钢的室温平衡组织：共析钢的室温平衡组织：PP：铁素体（：铁素体（F）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。aFe3CA(0.0008)B(6.69)0.77C%5 .11%1000008. 069. 60008. 07

14、7. 03=CFeM%5 .88%1000008. 069. 677. 069. 6=aMa 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，但量很少可忽

15、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%1000218. 077. 00218. 06 . 0=PM%72.22%1000218. 077. 06 .

16、 077. 0=aMa 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Pa aP PA(0.0218)B(0.77)0.6C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

17、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（+Fe3C） 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

18、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5.2 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+Fe