相平衡与相图铁碳相图

关于相平衡与相图铁碳相图第一页，共五十页，2022年，8月28日2一.铁碳合金的组元及基本相

钢和铸铁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是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金。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。第二页，共五十页，2022年，8月28日3

在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％，因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。Fe-Fe3C相图

第三页，共五十页，2022年，8月28日41)纯铁（Fe）纯铁熔点1538℃，密度7.87g/㎝³。1.Fe—C合金中的组元

铁碳合金中组元：渗碳体（Fe3C）

纯铁(Fe)纯铁具有磁性转变（770℃磁性转变）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性。纯铁的显微组织第四页，共五十页，2022年，8月28日5纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

纯铁固态下具有同素异构转变：912°C以下为体心立方(bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心立方(fcc)结构,1394°C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。纯铁的同素异构转变第五页，共五十页，2022年，8月28日6通常将转变称为A4转变，转变的平衡临界点温度称为A4点.将转变称为A3转变，转变的平衡临界点温度称为A3点。通常将α-Fe在770℃的磁性转变（高温的顺磁性→低温的铁磁性）称为A2转变，磁性转变温度称为铁的居里点。纯铁的冷却曲线第六页，共五十页，2022年，8月28日72)渗碳体(Fe3C)

渗碳体是Fe—C合金中碳以化合物Fe3C形式出现，含碳量6.69%。正交晶系,C原子周围有6个Fe原子，构成一个八面体,Fe:C=3:1，一个渗碳体晶胞含有12个铁原子和4个碳原子。渗碳体的晶格第七页，共五十页，2022年，8月28日8Fe3C在230℃以下具有铁磁性，渗碳体在230℃的磁性转变称为A0

转变。Fe3C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0。它是钢铁材料中的主要强化相。渗碳体组织金相图第八页，共五十页，2022年，8月28日92.Fe-C合金中的基本相和组织

在Fe—Fe3C相图中，Fe-C合金在不同条件(成分，温度)下，可有六个基本相：液相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨（C）

（1）液相(L)Fe与C在高温下形成的液体溶液。

（2）δ相C溶于δ－Fe中的间隙固溶体称为δ铁素体，也称高温铁素体。在1459℃时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，（3）渗碳体

前面已讨论过第九页，共五十页，2022年，8月28日10含100%C，灰口铸铁中一个基本组成相，用C或G表示。(4)石墨石墨具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合,间距0.142nm结合力较强。两层晶面的间距为0.34nm，结合力弱。

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。第十页，共五十页，2022年，8月28日11

（5）奥氏体

奥氏体(常用γ或A表示)，是C溶解于γ—Fe中形成的间隙固溶体。γ铁具有fcc面心立方结构。奥氏体间隙大，可以溶解较多的碳。奥氏体的硬度较低，塑性高。γ铁是顺磁性的。晶粒呈平直多边形。碳在γ－Fe中的位置奥氏体的显微组织

第十一页，共五十页，2022年，8月28日12奥氏体组织金相图第十二页，共五十页，2022年，8月28日13（6）铁素体

铁素体（α或F）是C溶于α－Fe中形成的间隙固溶体,具有体心立方bcc结构。铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多，含碳量非常低，所以其性能与纯铁相似：硬度低，塑性高。第十三页，共五十页，2022年，8月28日14铁素体组织金相图铁素体的显微组织与工业纯铁相同,晶粒常呈多边形。第十四页，共五十页，2022年，8月28日15珠光体(P)铁素体和渗碳体组成的机械混合物。珠光体金相图第十五页，共五十页，2022年，8月28日16莱氏体(Ld)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。莱氏体金相图第十六页，共五十页，2022年，8月28日17下图为Fe-碳合金双重相图。图中实线部分为Fe-Fe3C相图，虚线表示Fe-C（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Fe-Fe3C相图。二、Fe—Fe3C相图分析分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线第十七页，共五十页，2022年，8月28日18相图的分析五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:EF、ES、GS、PK。两个重要转变:

共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148℃、727℃。第十八页，共五十页，2022年，8月28日19（1）Fe—Fe3C相图的点五个重要的成份点:P、S、E、C、K。第十九页，共五十页，2022年，8月28日20（2）Fe—Fe3C相图的线Fe—Fe3C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起来的。有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线(水平)和三条重要的相界线。第二十页，共五十页，2022年，8月28日21A.三条水平恒温转变线围绕三条水平线可把Fe—Fe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。第二十一页，共五十页，2022年，8月28日22

①包晶线：HJB线（1495℃），J为包晶点，wc=0.09～0.53%的Fe-C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即：L0.53+δ0.09→γ0.17

（LB+δH→γJ）第二十二页，共五十页，2022年，8月28日23

②共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点，wc=2.11～6.69%的Fe-C合金缓冷到ECF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（γ+Fe3C），称为莱氏体，用Ld表示。L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）第二十三页，共五十页，2022年，8月28日24

③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡wc>0.0218%的Fe-C合金冷却到PSK线均发生共析反应：γ0.77→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）

转变产物为铁素体和渗碳体组成的机械混合物（α+Fe3C

），称为珠光体，用P表示。共析转变温度常用A1表示。第二十四页，共五十页，2022年，8月28日25B.两条磁性转变线

①230℃水平线为渗碳体Fe3C的磁性转变线，230℃以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。常用A0表示

②770℃为铁素体α的铁磁性转变线。770℃以上无铁磁性，770℃以下为铁磁性。常用A2表示，称居里点。第二十五页，共五十页，2022年，8月28日26C.3条重要的相界线(固溶度曲线)①GS线：又称为A3线。奥氏体中开始析出铁素体α或α全部溶入(升温时)γ的转变线。A3温度。第二十六页，共五十页，2022年，8月28日27②ES线：C在奥氏体γ中的溶解度曲线。称为ACm温度。温度降低，溶解度降低，将析出次生的渗碳体Fe3C。为了区别自液态合金(CD线)中直接析出的一次Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为二次渗碳体，记为Fe3CⅡ。因此ES线也称为二次渗碳体的开始析出线。第二十七页，共五十页，2022年，8月28日28③PQ线：C在铁素体α中的溶解度曲线。在727℃时，C在α中的最大溶解度0.0218%，温度下降，C溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次渗碳体，记为Fe3CⅢ。以区别于沿CD线和ES线析出的渗碳体Fe3C。第二十八页，共五十页，2022年，8月28日29（3）Fe—Fe3C相图中的区·5个单相区：液相区（L）、δ固溶体区（δ

）、奥氏体区（γ）、铁素体区（α）、渗碳体区（Fe3C）第二十九页，共五十页，2022年，8月28日30·7个两相区：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、α+Fe3C第三十页，共五十页，2022年，8月28日31·3个三相共存区：L+γ+Fe3C（ECF线）、L+δ+γ（HJB线）、γ+α+Fe3C（PSK线）第三十一页，共五十页，2022年，8月28日32三、Fe-C合金分类

按含碳量(Wc)及有无共晶转变分为三大类：工业纯铁：Wc<0.0218%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。碳钢

(Wc=0.0218～2.11%不发生共晶转变的铁碳合金称为碳钢)铸铁（Wc=2.11～6.69%发生共晶转变的铁碳合金称为铸铁)。第三十二页，共五十页，2022年，8月28日33共析钢：Wc=0.77%亚共析钢:Wc=0.0218-0.77%过共析钢：Wc=0.77-2.11%根据其室温组织的不同，碳钢又可分为：共晶白口铸铁：Wc=4.30%亚共晶白口铸铁：

Wc=2.11-4.30%过共晶白口铸铁:Wc=4.30-6.69%根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：第三十三页，共五十页，2022年，8月28日34从上述每类铁碳合金中各选择一种分析其平衡凝固过程。第三十四页，共五十页，2022年，8月28日35四、Fe—C合金的平衡结晶过程及组织(以Wc=0.01%的合金为例)1）工业纯铁匀晶转变＋多晶型转变＋脱溶沉淀转变过程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+Fe3CⅢ

第三十五页，共五十页，2022年，8月28日36

室温组织为：α+Fe3CⅢFe3CⅢ最多为0.33%工业纯铁室温组织图（200×）将从α－Fe中析出的Fe3C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。通常的组织为单一铁素体。第三十六页，共五十页，2022年，8月28日37（2）共析钢（Wc=0.77%）

过程如下：L→L+γ→γ→P+γ→P（α+Fe3C）→P+Fe3CⅢ

（常忽略）匀晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀Fe3CⅢ与共析渗碳体连在一起，在显微镜下难以分辨，数量也很少，对性能无明显影响，一般忽略不计。）第三十七页，共五十页，2022年，8月28日38

室温组织为珠光体P（α+Fe3C），P呈层片状，是铁素体α和渗碳体Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。图中的白色片状为α，黑色片状为Fe3C。相:＋Fe3C：％=(6.69-0.77)/6.69＝88%Fe3C%=0.77/6.69=12%组织：P，100％第三十八页，共五十页，2022年，8月28日39共析钢组织金相图第三十九页，共五十页，2022年，8月28日40（3）亚共析钢

（Wc=0.0218～0.77%）

结晶过程如下：L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→α+γ→α+P+γ→α+P→（析出Fe3CⅢ）匀晶转变＋包晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀第四十页，共五十页，2022年，8月28日41注意：①在共析转变之前生成的α称为先共析铁素体。②共析转变之前α和γ的相对量(即共析转变后α和P的相对量)可通过杠杆法则来计算。

室温组织为：α（铁素体）+P(珠光体)，图中的白色为α，黑色片状为P。第四十一页，共五十页，2022年，8月28日42相:＋Fe3C：％=(6.69-0.4)/6.69＝94%Fe3C%=0.4/6.69=6%组织：F+P:F％=(O.77-0.4)/(0.77-0.02)=49%,P%=(0.4-0.02)/(0.77-0.02)=51%第四十二页，共五十页，2022年，8月28日43Wc＝0.2％，500×（铁素体＋片状珠光体）Wc＝0.4％