第3章铁碳合金 教学提示:钢铁材料是工业中应用范围最广的合金,铁碳合金相图是研究铁碳合金的重 要工具。它是研究铁碳合金的化学成分、组织和性能之间关系的理论基础。了解与掌握铁碳 相图,对于钢铁材料的研究和使用,各种热加工工艺的制定等方面具有很重要的指导意义 铁碳相图是人类经过长期生产实践并进行大量科学实验总结出来的。由于钢中的含碳量 最多不超过2.11%,铸铁中的含碳量不超过5%,所以研究铁碳合金时,仅研究 Fe-Fe3 C(含 碳量为0%~669%)部分,下面所讨论的铁碳合金相图,实际上是FeFe3C相图,是FeC 相图的一部分 铁碳合金中的碳有两种存在形式:渗碳体FeC和石墨。在通常情况下,碳以渗碳体形 式存在,即铁碳合金按Fe-Fe3C系转变。但是Fe3C是一个亚稳相,在一定条件下可以分解 为re(实际上是以铁为基的固溶体)和石墨,所以石墨是碳存在的更稳定状态。因此,铁碳 相图存在Fe-Fe3C和Fe-石墨两种形式,本章仅研究 Fe-Fe. C相图 教学要求:通过本章的学习,使学生在掌握Fe-FeC相图中点、线及各相区的物理意 义的基础上,学会分析不同成分的铁碳合金的平衡结晶过程,能用杠杆定律计算室温下相 组成物和组织组成物的相对量;掌握铁碳合金室温下组织组成物与相组成物的形态和性能 特点 3.1铁碳合金的组元及基本相 3.11纯铁 铁是元素周期表上第26号元素,原子量为5585 属于过渡族元素。在常压下于1538℃熔化,2738℃气 1538 化。铁在20℃时的密度为787g/cm 1.铁的同素异晶转变 铁具有多晶型性,图3.1是铁的冷却曲线。由图可 以看出,纯铁在1538℃结晶为8Fe,X射线分析表明,面心立力 它具有体心立方晶格。当温度继续冷却至1394℃时, 器 6-Fe转变为面心立方晶格的y-Fe,通常把δ-Fe→y-Fe 的转变称为A4转变,转变的平衡临界点称为A4点。当 温度继续冷却至912℃时,面心立方晶格的γ-Fe又转 70-体心立方 1G器 变为体心立方晶格的a-Fe,把γ-Fe→a-Fe的转变称为 有磁性的 A3转变,转变的平衡临界点称为A3点。912℃以下 体心立方 c=38 铁的晶体结构不再发生变化。因此,铁具有三种同素 异晶状态,即δ-Fe、y-Fe和a-Fe 图31纯铁的冷却曲线
第 3 章 铁 碳 合 金 教学提示：钢铁材料是工业中应用范围最广的合金，铁碳合金相图是研究铁碳合金的重 要工具。它是研究铁碳合金的化学成分、组织和性能之间关系的理论基础。了解与掌握铁碳 相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制定等方面具有很重要的指导意义。 铁碳相图是人类经过长期生产实践并进行大量科学实验总结出来的。由于钢中的含碳量 最多不超过 2.11%，铸铁中的含碳量不超过 5%，所以研究铁碳合金时，仅研究 Fe-Fe3C(含 碳量为 0%～6.69%)部分，下面所讨论的铁碳合金相图，实际上是 Fe-Fe3C 相图，是 Fe-C 相图的一部分。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体 Fe3C 和石墨。在通常情况下，碳以渗碳体形 式存在，即铁碳合金按 Fe-Fe3C 系转变。但是 Fe3C 是一个亚稳相，在一定条件下可以分解 为 Fe(实际上是以铁为基的固溶体)和石墨，所以石墨是碳存在的更稳定状态。因此，铁碳 相图存在 Fe-Fe3C 和 Fe-石墨两种形式，本章仅研究 Fe-Fe3C 相图。 教学要求：通过本章的学习，使学生在掌握 Fe-Fe3C 相图中点、线及各相区的物理意 义的基础上，学会分析不同成分的铁碳合金的平衡结晶过程，能用杠杆定律计算室温下相 组成物和组织组成物的相对量；掌握铁碳合金室温下组织组成物与相组成物的形态和性能 特点。 3.1 铁碳合金的组元及基本相 3.1.1 纯铁 铁是元素周期表上第 26 号元素，原子量为 55.85， 属于过渡族元素。在常压下于 1538℃熔化，2738℃气 化。铁在 20℃时的密度为 7.87g/cm3 。 1. 铁的同素异晶转变 铁具有多晶型性，图 3.1 是铁的冷却曲线。由图可 以看出，纯铁在 1538℃结晶为δ -Fe，X 射线分析表明， 它具有体心立方晶格。当温度继续冷却至 1394℃时， δ -Fe 转变为面心立方晶格的 γ -Fe，通常把δ -Fe→ γ -Fe 的转变称为 A4转变，转变的平衡临界点称为 A4 点。当 温度继续冷却至 912℃时，面心立方晶格的 γ -Fe 又转 变为体心立方晶格的α -Fe，把 γ -Fe→α -Fe 的转变称为 A3 转变，转变的平衡临界点称为 A3 点。912℃以下， 铁的晶体结构不再发生变化。因此，铁具有三种同素 异晶状态，即δ -Fe、 γ -Fe 和α -Fe。 图 3.1 纯铁的冷却曲线
金属学与热处理 固态下的同素异晶转变与液态结晶一样,也是形核与长大的过程,为了与液态结晶相 区别,将这种固态下的相变结晶过程称为重结晶。图3,2为纯铁重结晶后所得到的组织示 意图。其中图3.2(a)为结晶后形成的δ-Fe晶粒,图3.2(b)表示通过重结晶后(44转变)由δ-Fe 晶粒转变成的y-Fe晶粒,图32(c)为最后又经过一次重结晶(3转变)后的a-Fe晶粒。a-Fe 的晶核大小显然与yFe晶粒大小有关,当然也与A3转变的条件有关。由此可见,铁的多 晶型转变具有很大的实际意义,它是钢的合金化和热处理的基础 应当指出,α-Fe在770℃还将发生磁性转变,即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁 磁性状态。通常把这种磁性转变称为A2转变,把磁性转变温度称为铁的居里点。在发生磁 性转变时,铁的晶格类型不变,所以磁性转变不属于相变 (a)初生的δ-Fe晶粒(b)重结晶后的y-Fe晶粒c)A3转变后的a-Fe晶粒 图32纯铁结晶后的组织 2.铁素体与奥氏体 铁素体是碳溶于a-Fe中的间隙固溶体,为体心立方晶格,常用符号F或a表示。奥氏 体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体,为面心立方晶格,常用符号A或γ表示。铁素体和奥 氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多。根据测定,奥氏体的最大溶碳量为2.11%(在温度 为1148℃时),而铁素体的最大溶碳量仅为00218%(在温度为727℃时),在室温下的溶碳 能力更低,一般在0.008%以下。 面心立方晶格比体心立方晶格具有较大的致密度,而奥氏体比铁素体具有较大的溶碳 能力的原因是与晶体结构中的间隙尺寸有关。根据测量和计算,y-Fe的晶格常数(950℃时) 为0.36563nm,其八面体间隙半径为0.535nm,和碳原子半径0.77nm比较接近,所以碳在 奥氏体中的溶解度较大。α-Fe在20℃时的晶格常数为0.28663nm,碳原子通常溶于八面体 间隙中,而八面体的间隙半径只有001862nm,远小于碳的原子半径,所以碳在铁素体中 的溶解度很小。 碳溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体称为δ铁素体,以δ表示,于1495℃时的最 大溶碳量为0.09% 铁素体的性能与纯铁基本相同,居里点也是770℃。奥氏体的塑性很好,且具有顺磁性。 3.纯铁的性能与应用 一般所谓的纯铁,总含有微量的碳,而微量的碳对铁的力学性能影响却相当大。因此, 纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不同而差别很大,其大致范围如下: 屈服强度a2:98MPa~166MPa 抗拉强度σ:176MPa~274MPa
·54· 金属学与热处理 ·54· 固态下的同素异晶转变与液态结晶一样，也是形核与长大的过程，为了与液态结晶相 区别，将这种固态下的相变结晶过程称为重结晶。图 3.2 为纯铁重结晶后所得到的组织示 意图。其中图 3.2(a)为结晶后形成的δ -Fe 晶粒，图 3.2(b)表示通过重结晶后(A4 转变)由δ -Fe 晶粒转变成的 γ -Fe 晶粒，图 3.2(c)为最后又经过一次重结晶(A3 转变)后的α -Fe 晶粒。α -Fe 的晶核大小显然与 γ -Fe 晶粒大小有关，当然也与 A3 转变的条件有关。由此可见，铁的多 晶型转变具有很大的实际意义，它是钢的合金化和热处理的基础。 应当指出，α -Fe 在 770℃还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁 磁性状态。通常把这种磁性转变称为 A2 转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。在发生磁 性转变时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。 (a)初生的 δ -Fe 晶粒 (b)重结晶后的 γ -Fe 晶粒 (c)A3转变后的 α -Fe 晶粒 图 3.2 纯铁结晶后的组织 2. 铁素体与奥氏体 铁素体是碳溶于α -Fe 中的间隙固溶体，为体心立方晶格，常用符号 F 或α 表示。奥氏 体是碳溶于 γ -Fe 中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号 A 或 γ 表示。铁素体和奥 氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多。根据测定，奥氏体的最大溶碳量为 2.11%(在温度 为 1148℃时)，而铁素体的最大溶碳量仅为 0.0218%(在温度为 727℃时)，在室温下的溶碳 能力更低，一般在 0.008%以下。 面心立方晶格比体心立方晶格具有较大的致密度，而奥氏体比铁素体具有较大的溶碳 能力的原因是与晶体结构中的间隙尺寸有关。根据测量和计算，γ -Fe 的晶格常数(950℃时) 为 0.36563nm，其八面体间隙半径为 0.535nm，和碳原子半径 0.77nm 比较接近，所以碳在 奥氏体中的溶解度较大。α -Fe 在 20℃时的晶格常数为 0.28663nm，碳原子通常溶于八面体 间隙中，而八面体的间隙半径只有 0.01862nm，远小于碳的原子半径，所以碳在铁素体中 的溶解度很小。 碳溶于体心立方晶格δ -Fe 中的间隙固溶体称为δ 铁素体，以δ 表示，于 1495℃时的最 大溶碳量为 0.09%。 铁素体的性能与纯铁基本相同，居里点也是 770℃。奥氏体的塑性很好，且具有顺磁性。 3. 纯铁的性能与应用 一般所谓的纯铁，总含有微量的碳，而微量的碳对铁的力学性能影响却相当大。因此， 纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不同而差别很大，其大致范围如下： 屈服强度σ 0.2 ：98MPa～166MPa 抗拉强度σ b ：176MPa～274MPa
第3章铁碳合金 延伸率δ:30%~50% 断面收缩率v:70%~80% 冲击韧性a4:160J/cm2~200Jm2 硬度(HB):50HB~80HB 铁有很好塑性和韧性,但其强度和硬度很低,很少用作结构材料。纯铁的主要用途 是利用它所具有的铁磁性。工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率,可用于要 求软磁性的场合,如各种仪器仪表的铁芯等。 312碳与渗碳体 碳的原子序数为6,原子量为1201,原子半径07m,20℃时的密度为225gym3 自然界中,碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合金中碳不会以金刚石形态存在。石墨 空间点阵属于六方晶系,具有简单六方晶体结构,六方层中邻近原子间距为0.142nm, 层间距为0.340nm,碳原子在六方层中具有很强的共价键,层与层之间则结合较弱,因此 石墨很容易沿着这些层滑动。其硬度很低,只有3HB~5HB,而塑性几乎接近于零。铁碳 合金中的石墨常用符号G或C表示。 2.渗碳体 在铁碳合金中,铁与碳可以形成间隙化合物 Fe3C,其含碳量为669%,称为渗碳体,可用符 号Cm表示,是铁碳合金中重要的基本相。 渗碳体属于正交晶系,晶体结构十分复杂, 三个晶格常数分别为a=04524nm,b= 0.5089nm,c=06743nm。图3.3是滲碳体晶胞的 立体图,其中含有12个铁原子和4个碳原子,符 合Fe:C=3:1的关系。为了进一步分析渗碳体的 结构特征,图34(a)画出了4个渗碳体晶胞沿[001 方向的俯视图。图中较大的圆圈表示铁原子,较 ●C原子 小的圆圈表示碳原子。用双圈画的是(XY)坐标完 ○Fe原子 全相同,但Z坐标不同的两个铁原子。用打剖面 线和不打剖面线的办法表示Z坐标不同的铁、碳 图33渗碳体晶胞中的原子位置 原子。由图中可以看出,每个碳原子周围有6个 铁原子,这6个铁原子组成一个三角棱柱,碳原子就位于这个三角棱柱的中心。这样的一 个单独三角棱柱如图34(b)所示,位于三角棱柱顶角的铁原子均为相邻两个三角棱柱所共 有。因此,每个三角棱柱有3个铁原子和1个碳原子,构成FeC分子。这样的三角棱柱共 有两层(见图34(a),用虚线连接的是下面的一层,用点画线连接的则是上面的一层。 渗碳体具有很高的硬度,约为800HB,但塑性很差,伸长率接近于零。渗碳体于低温 下具有一定的铁磁性,但是在230℃以上,铁磁性就消失了,所以230℃是渗碳体的磁性转 变温度,称为A转变。根据理论计算,渗碳体的熔点为1227℃
第 3 章 铁碳合金 ·55· ·55· 延伸率δ ：30%～50% 断面收缩率ψ ：70%～80% 冲击韧性αk ：160J/cm2 ～200J/cm2 硬度(HB)：50HB～80HB 纯铁有很好塑性和韧性，但其强度和硬度很低，很少用作结构材料。纯铁的主要用途 是利用它所具有的铁磁性。工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率，可用于要 求软磁性的场合，如各种仪器仪表的铁芯等。 3.1.2 碳与渗碳体 1. 碳 碳的原子序数为 6，原子量为 12.01，原子半径 0.77nm，20℃时的密度为 2.25g/cm3 。 自然界中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合金中碳不会以金刚石形态存在。石墨 的空间点阵属于六方晶系，具有简单六方晶体结构，六方层中邻近原子间距为 0.142nm， 层间距为 0.340nm，碳原子在六方层中具有很强的共价键，层与层之间则结合较弱，因此 石墨很容易沿着这些层滑动。其硬度很低，只有 3HB～5HB，而塑性几乎接近于零。铁碳 合金中的石墨常用符号 G 或 C 表示。 2. 渗碳体 在铁碳合金中，铁与碳可以形成间隙化合物 Fe3C，其含碳量为 6.69%，称为渗碳体，可用符 号 Cm表示，是铁碳合金中重要的基本相。 渗碳体属于正交晶系，晶体结构十分复杂， 三个晶格常数分别为 a ＝ 0.4524nm ， b ＝ 0.5089nm，c＝0.6743nm。图 3.3 是渗碳体晶胞的 立体图，其中含有 12 个铁原子和 4 个碳原子，符 合 Fe:C＝3: 1 的关系。为了进一步分析渗碳体的 结构特征，图 3.4(a)画出了 4 个渗碳体晶胞沿[001] 方向的俯视图。图中较大的圆圈表示铁原子，较 小的圆圈表示碳原子。用双圈画的是(X,Y)坐标完 全相同，但 Z 坐标不同的两个铁原子。用打剖面 线和不打剖面线的办法表示 Z 坐标不同的铁、碳 原子。由图中可以看出，每个碳原子周围有 6 个 铁原子，这 6 个铁原子组成一个三角棱柱，碳原子就位于这个三角棱柱的中心。这样的一 个单独三角棱柱如图 3.4(b)所示，位于三角棱柱顶角的铁原子均为相邻两个三角棱柱所共 有。因此，每个三角棱柱有 3 个铁原子和 1 个碳原子，构成 Fe3C 分子。这样的三角棱柱共 有两层(见图 3.4(a))，用虚线连接的是下面的一层，用点画线连接的则是上面的一层。 渗碳体具有很高的硬度，约为 800HB，但塑性很差，伸长率接近于零。渗碳体于低温 下具有一定的铁磁性，但是在 230℃以上，铁磁性就消失了，所以 230℃是渗碳体的磁性转 变温度，称为 A0 转变。根据理论计算，渗碳体的熔点为 l227℃。 图 3.3 渗碳体晶胞中的原子位置
金属学与热处理 图34渗碳体晶胞中的原子数 32Fe-Fe3C相图分析 321相图中的点、线、区及其意义 图3.5是Fe-re3C相图,图中各特征点的温度、碳的浓度及意义见表3-1。各特征点的 符号是国际通用的,不能随意更换。 1200 1000Gy+0 Y+Fe C 600 % 图3.5FeFe3C相图 相图上的液相线是ABCD,固相线是 AHJECF,相图中有五个单相区,分别是 ABCD以上—一液相区(L)
·56· 金属学与热处理 ·56· 图 3.4 渗碳体晶胞中的原子数 3.2 Fe-Fe3C 相图分析 3.2.1 相图中的点、线、区及其意义 图 3.5 是 Fe-Fe3C 相图，图中各特征点的温度、碳的浓度及意义见表 3-1。各特征点的 符号是国际通用的，不能随意更换。 图 3.5 Fe-Fe3C 相图 相图上的液相线是 ABCD，固相线是 AHJECF，相图中有五个单相区，分别是： ABCD 以上——液相区(L)
第3章铁碳合金 AHN—8固溶体区(6) NJESGN-奥氏体区(Y) GPQG——铁素体区(a) DFKL—滲碳体区(Fe3C或Cm) 相图上有七个两相区,它们分别存在于相邻两个单相区之间,这些两相区分别是 ABHA——液相+δ固溶体区(L+δ) 液相+奥氏体区(L+y) DCFD—液相十渗碳体区(L+Fe3C) HNH—8固溶体十奥氏体区(6+y) GSPG—铁素体+奥氏体区(a+y) ECFKSE—奥氏体+渗碳体(γ+FeC) 相图上有两条磁性转变线 MO—铁素体的磁性转变线 过230℃的虚线——滲渗碳体的磁性转变线 相图上有三条水平线,分别是 HB—包晶转变线 ECF——共晶转变线 PSK——共析转变线 下面围绕三条水平线分三个部分进行分析。 表3-1铁碳合金相图中的特征点 符号温度/℃|wo 说明 符号温度r℃|w/% A1538 纯铁的熔点 1495 0.17 B|14950.53包晶转变时液相成分|K727 669渗碳体的成分 C|1148430共晶点 M|770 纯铁的磁性转变温度 D1227|6.69渗碳体的熔点 N|1394 A转变温度 E|1481211碳在y中最大溶解度|o70|≈05mc≈0.5%时磁性转变温度 69渗碳体的成分 P|72700218碳在a中最大溶解度 G|91 A3转变温度 077共析点(41) 碳在δ中最大溶解度|o 00057600℃时碳在a中的溶解度 322包晶转变(水平线HB 在1495℃的恒温下,含碳量为0.53%的液相与含碳量为0.09%的δ铁素体发生包晶反 应,形成含碳量为0.17%的奥氏体,其反应式为 LB+δH←1y 进行包晶反应时,奥氏体沿δ相与液相的界面形核,并向δ相和液相两个方向长大 包晶反应终了时,δ相与液相同时耗尽,变为单相奥氏体。含碳量在009%~0.17%之间的合 金,由于δ铁素体的量较多,当包晶反应结束后,液相耗尽,仍残留一部分δ铁素体。这部 分δ相在随后的冷却过程中,通过同素异晶转变而变成奥氏体。含碳量在0.17%~0.53%之间
第 3 章 铁碳合金 ·57· ·57· AHNA——δ 固溶体区( δ ) NJESGN——奥氏体区( γ ) GPQG——铁素体区( α ) DFKL——渗碳体区(Fe3C 或 Cm) 相图上有七个两相区，它们分别存在于相邻两个单相区之间，这些两相区分别是： ABJHA——液相＋δ 固溶体区(L＋δ ) JBCEJ——液相＋奥氏体区(L＋ γ ) DCFD——液相＋渗碳体区(L＋Fe3C) HJNH——δ 固溶体＋奥氏体区( δ ＋ γ ) GSPG——铁素体＋奥氏体区( α ＋ γ ) ECFKSE——奥氏体＋渗碳体( γ ＋Fe3C) 相图上有两条磁性转变线： MO——铁素体的磁性转变线 过 230℃的虚线——渗碳体的磁性转变线 相图上有三条水平线，分别是： HJB——包晶转变线 ECF——共晶转变线 PSK——共析转变线 下面围绕三条水平线分三个部分进行分析。 表 3-1 铁碳合金相图中的特征点 符号 温度/℃ wC/% 说 明 符号 温度/℃ wC/% 说 明 A B C D E F G H 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.09 纯铁的熔点 包晶转变时液相成分 共晶点 渗碳体的熔点 碳在 γ 中最大溶解度 渗碳体的成分 A3转变温度 碳在 δ 中最大溶解度 J K M N O P S Q 1495 727 770 1394 770 727 727 600 0.17 6.69 0 0 ≈0.5 0.0218 0.77 0.0057 包晶点 渗碳体的成分 纯铁的磁性转变温度 A4 转变温度 wC≈0.5%时磁性转变温度 碳在 α 中最大溶解度 共析点(A1) 600℃时碳在 α 中的溶解度 3.2.2 包晶转变(水平线 HJB) 在 1495℃的恒温下，含碳量为 0.53%的液相与含碳量为 0.09%的δ 铁素体发生包晶反 应，形成含碳量为 0.17%的奥氏体，其反应式为 LB＋δ H ←⎯⎯1495℃→ γ J 进行包晶反应时，奥氏体沿 δ 相与液相的界面形核，并向 δ 相和液相两个方向长大。 包晶反应终了时，δ 相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量在 0.09%～0.17%之间的合 金，由于δ 铁素体的量较多，当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分δ 铁素体。这部 分δ 相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而变成奥氏体。含碳量在 0.17%～0.53%之间
58 金属学与热处理 的合金,由于反应前的δ相较少,液相较多,所以在包晶反应结束后,仍残留一定量的液 相,这部分液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体。可见,凡是含碳量在0.09%0.53%的合 金,都要经历包晶转变过程,而且不论在包晶转变前后转变过程如何,最终都要获得单相 奥氏体 对于含碳量低于0.09%的合金,在按匀晶转变凝固为δ固溶体之后,继续冷却时将在 NH与NJ线之间发生固溶体的同素异晶转变,转变为单相奥氏体。含碳量在0.53%~2.1% 之间的合金,按匀晶转变后,组织也是单相奥氏体 总之,含碳量低于2.11%的合金在冷却过程中,都可在一定的温度区间内得到单相的 奥氏体组织。这类合金叫做钢 应当指出,对于铁碳合金来说,由于包晶反应温度高,碳原子的扩散较快,所以包晶 偏析并不严重。但对于高合金钢来说,合金元素的扩散较慢,就可能造成严重的包晶偏析。 323共晶转变(水平线EC尸 Fe-Fe3C相图上的共晶转变是在1148℃的恒温下,由含碳量为43%的液相转变为含碳 量为2.11%的奥氏体和含碳量为669%的渗碳体组成的混合物。其反应式为 Lc←H,Y:+Fe3C 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物,称为莱氏体,用Ld表示。在莱氏体中,渗 碳体是连续分布的相,奧氏体呈短棒状分布在渗碳体的基体上。由于渗碳体很脆,所以莱 氏体是塑性很差的组织。 莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量可用杠杆定律求出 6.69-4.30 100%=52% 6.69-2.11 含碳量在2.11%~669%之间的合金,都要进行共晶转变,这类合金叫做铸铁,因组织 中都含有莱氏体,并因断口呈银白色而叫做白口铸铁 其中,碳含量在2.11%~4.30%之间的合金叫亚共晶白口铸铁。这类合金由液相开始凝 固时,从BC线开始析出先共晶奥氏体,然后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体 先共晶奥氏体一般具有树枝晶的形貌。值得指出的是在共晶温度1148℃与共析温度77℃ 之间,先共晶奥氏体和共晶奧氏体中的碳含量都将从2.1%降至0.77%,并析出二次渗碳 体(用FeCn表示),随后又都在727℃转变为珠光体。 含碳量为43%~669%范围内的合金叫过共晶白口铸铁。这类合金冷却时,冷却到CD 线开始从液相中析出先共晶滲碳体,然后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体。先 共晶渗碳体呈板片状,也称为一次渗碳体(用FeC1) 324共析转变(PSK线) Fe-Fe3C相图上的共析转变是在727℃恒温下,由含碳量为0.77%的奥氏体转变为含碳 量为00218%的铁素体和渗碳体组成的混合物,其反应式为 Ym→a,+FesC 共析转变的产物称为珠光体,用符号P表示。共析转变的水平线PSK,称为共析线或 共析温度,常用符号A1表示。凡是含碳量大于0.0218%的铁碳合金都将发生共析转变
·58· 金属学与热处理 ·58· 的合金，由于反应前的 δ 相较少，液相较多，所以在包晶反应结束后，仍残留一定量的液 相，这部分液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体。可见，凡是含碳量在 0.09%～0.53%的合 金，都要经历包晶转变过程，而且不论在包晶转变前后转变过程如何，最终都要获得单相 奥氏体。 对于含碳量低于 0.09%的合金，在按匀晶转变凝固为δ 固溶体之后，继续冷却时将在 NH 与 NJ 线之间发生固溶体的同素异晶转变，转变为单相奥氏体。含碳量在 0.53%～2.11% 之间的合金，按匀晶转变后，组织也是单相奥氏体。 总之，含碳量低于 2.11%的合金在冷却过程中，都可在一定的温度区间内得到单相的 奥氏体组织。这类合金叫做钢。 应当指出，对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较快，所以包晶 偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。 3.2.3 共晶转变(水平线 ECF) Fe-Fe3C 相图上的共晶转变是在 1148℃的恒温下，由含碳量为 4.3%的液相转变为含碳 量为 2.11%的奥氏体和含碳量为 6.69%的渗碳体组成的混合物。其反应式为 LC ←⎯⎯1148℃→ E γ ＋Fe3C 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，称为莱氏体，用 Ld 表示。在莱氏体中，渗 碳体是连续分布的相，奥氏体呈短棒状分布在渗碳体的基体上。由于渗碳体很脆，所以莱 氏体是塑性很差的组织。 莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量可用杠杆定律求出 wγ ＝ 6.69 4.30 100% 6.69 2.11 − × − ＝52% F 3 w e C ＝1-52%＝48% 含碳量在 2.11%～6.69%之间的合金，都要进行共晶转变，这类合金叫做铸铁，因组织 中都含有莱氏体，并因断口呈银白色而叫做白口铸铁。 其中，碳含量在 2.11%～4.30%之间的合金叫亚共晶白口铸铁。这类合金由液相开始凝 固时，从 BC 线开始析出先共晶奥氏体，然后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体。 先共晶奥氏体一般具有树枝晶的形貌。值得指出的是在共晶温度 1148℃与共析温度 727℃ 之间，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中的碳含量都将从 2.11%降至 0.77%，并析出二次渗碳 体(用 Fe3CⅡ表示)，随后又都在 727℃转变为珠光体。 含碳量为 4.3%～6.69%范围内的合金叫过共晶白口铸铁。这类合金冷却时，冷却到 CD 线开始从液相中析出先共晶渗碳体，然后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体。先 共晶渗碳体呈板片状，也称为一次渗碳体(用 Fe3CⅠ)。 3.2.4 共析转变(PSK 线) Fe-Fe3C 相图上的共析转变是在 727℃恒温下，由含碳量为 0.77%的奥氏体转变为含碳 量为 0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物，其反应式为 γ s←⎯⎯727℃→ αp ＋Fe3C 共析转变的产物称为珠光体，用符号 P 表示。共析转变的水平线 PSK，称为共析线或 共析温度，常用符号 A1表示。凡是含碳量大于 0.0218%的铁碳合金都将发生共析转变
第3章铁碳合金 经共析转变形成的珠光体是层片状的,其中的铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆定律 进行计算: sK6.69-0.77 100%=887% PK6.69-0.0218 c=1-88.7%=11.3% 渗碳体与铁素体含量的比值为νε/w。≈l⑧。这就是说,如果忽略铁素体和渗碳体比 体积上的微小差别,则铁素体的体积是渗碳体的8倍,在金相显微镜下观察时,珠光体组 织中较厚的片是铁素体,较薄的片是渗碳体。 图36是不同放大倍数下的珠光体组织照片。珠光体组织中片层排列方向相同的领域 叫做一个珠光体领域或珠光体团。相邻珠光体团的取向不同,在显微镜下,不同的珠光体 团的片层粗细不同,这是由于它们的取向不同所致。 (a)500 (b)1000× 图36不同放大倍数下的珠光体 325 Fe-Fe3C相图中三条重要的特征线 1.GS线 GS线又称A3线,它是在冷却过程中,由奥氏体析出铁素体的开始线,或者说在加热 过程中,铁素体溶入奥氏体的终了线。实际上,GS线是由G点(43)演变而来的,随着含碳 量的增加,使奥氏体向铁素体的同素异晶转变温度逐渐下降,从而由A3点变成了A3线。 ES线 ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。当温度低于此曲线时,从奥氏体中析出次生 的渗碳体,通常称之为二次滲碳体,因此该曲线又是二次滲碳体析出的开始线。ES线又叫 由相图可以看出,E点表示奥氏体的最大溶碳量,即奥氏体的含碳量在1148℃时为 2.1%,其物质的量比相当于9.1%。可以表明,此时铁与碳的物质的量比差不多是10:1 相当于25个奥氏体晶胞中才有1个碳原子 3.PQ线 PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。铁素体中的最大碳的溶解度,在727℃时达到最 大值为0.0218%。随着温度的降低,铁素体的溶碳量逐渐降低,在300℃以下,溶碳量小于
第 3 章 铁碳合金 ·59· ·59· 经共析转变形成的珠光体是层片状的，其中的铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆定律 进行计算： wα = SK PK = 6.69 0.77 6.69 0.0218 − − ×100%=88.7% F 3 w e C =1-88.7%=11.3% 渗碳体与铁素体含量的比值为 F 3 w e C / wα ≈1/8。这就是说，如果忽略铁素体和渗碳体比 体积上的微小差别，则铁素体的体积是渗碳体的 8 倍，在金相显微镜下观察时，珠光体组 织中较厚的片是铁素体，较薄的片是渗碳体。 图 3.6 是不同放大倍数下的珠光体组织照片。珠光体组织中片层排列方向相同的领域 叫做一个珠光体领域或珠光体团。相邻珠光体团的取向不同，在显微镜下，不同的珠光体 团的片层粗细不同，这是由于它们的取向不同所致。 (a) 500× (b) 1000× 图 3.6 不同放大倍数下的珠光体 3.2.5 Fe-Fe3C 相图中三条重要的特征线 1. GS 线 GS 线又称 A3 线，它是在冷却过程中，由奥氏体析出铁素体的开始线，或者说在加热 过程中，铁素体溶入奥氏体的终了线。实际上，GS 线是由 G 点(A3)演变而来的，随着含碳 量的增加，使奥氏体向铁素体的同素异晶转变温度逐渐下降，从而由 A3 点变成了 A3 线。 2. ES 线 ES 线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。当温度低于此曲线时，从奥氏体中析出次生 的渗碳体，通常称之为二次渗碳体，因此该曲线又是二次渗碳体析出的开始线。ES 线又叫 Acm线。 由相图可以看出，E 点表示奥氏体的最大溶碳量，即奥氏体的含碳量在 1148℃时为 2.11%，其物质的量比相当于 9.1%。可以表明，此时铁与碳的物质的量比差不多是 10: 1， 相当于 2.5 个奥氏体晶胞中才有 1 个碳原子。 3. PQ 线 PQ 线是碳在铁素体中的溶解度曲线。铁素体中的最大碳的溶解度，在 727℃时达到最 大值为 0.0218%。随着温度的降低，铁素体的溶碳量逐渐降低，在 300℃以下，溶碳量小于
金属学与热处理 0.001%。因此,当铁素体从727℃冷却下来时,要从铁素体中析岀渗碳体,称之为三次渗 碳体,通常用Fe3Cm表示。 3.3铁碳合金平衡结晶过程及组织 铁碳合金的组织是液态结晶和固态重结晶的综合结果,研究铁碳合金的结晶过程,目 的在于分析合金的组织形成,以考虑其对性能的影响。为了讨论方便,先将铁碳合金进行 分类。通常将其分为三大类,即含碳量低于0.0218%的为工业纯铁,含碳量在0.0218% 21%的为碳钢,含碳量大于2.11%的为铸铁。FeFe3C系结晶的铸铁,碳以Fe3C形式存在, 断口呈亮白色,称为白口铸铁。 根据组织特征,将铁碳合金按含碳量划分为七种类型。 ①工业纯铁:含碳量低于0.0218% ②共析钢:含碳量为0.77% ③亚共析钢:含碳量为00218%~0.77%; ④过共析钢:含碳量为077%~2.11%; ⑤共晶白口铸铁:含碳量为4.30% ⑥亚共晶白口铸铁:含碳量为2.11%~4.30% ⑦过共晶白口铸铁:含碳量为430%~669% 现从每种类型中选择一种合金来分析其平衡结晶过程和组织,所选合金的成分在相图 上的位置如图37所示。 F Fe C 图37典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析 331工业纯铁(含碳量小于00218%) 以含碳量为001%的合金①为例,其结晶过程如图3.8所示。合金熔液在1~2点温度 区间内,按匀晶转变结晶出δ固溶体,δ固溶体冷却至3点时,开始发生固溶体的同素异
·60· 金属学与热处理 ·60· 0.001%。因此，当铁素体从 727℃冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体，称之为三次渗 碳体，通常用 Fe3CⅢ表示。 3.3 铁碳合金平衡结晶过程及组织 铁碳合金的组织是液态结晶和固态重结晶的综合结果，研究铁碳合金的结晶过程，目 的在于分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。为了讨论方便，先将铁碳合金进行 分类。通常将其分为三大类，即含碳量低于 0.0218%的为工业纯铁，含碳量在 0.0218%～ 2.11%的为碳钢，含碳量大于 2.11%的为铸铁。Fe-Fe3C 系结晶的铸铁，碳以 Fe3C 形式存在， 断口呈亮白色，称为白口铸铁。 根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型。 ① 工业纯铁：含碳量低于 0.0218%； ② 共析钢：含碳量为 0.77%； ③ 亚共析钢：含碳量为 0.0218%～0.77%； ④ 过共析钢：含碳量为 0.77%～2.11%； ⑤ 共晶白口铸铁：含碳量为 4.30%； ⑥ 亚共晶白口铸铁：含碳量为 2.11%～4.30%； ⑦ 过共晶白口铸铁：含碳量为 4.30%～6.69%。 现从每种类型中选择一种合金来分析其平衡结晶过程和组织，所选合金的成分在相图 上的位置如图 3.7 所示。 图 3.7 典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析 3.3.1 工业纯铁(含碳量小于 0.0218%) 以含碳量为 0.01%的合金①为例，其结晶过程如图 3.8 所示。合金熔液在 1～2 点温度 区间内，按匀晶转变结晶出δ 固溶体，δ 固溶体冷却至 3 点时，开始发生固溶体的同素异
第3章铁碳合金 晶转变δ→γ。奥氏体的晶核通常优先在δ相界上形成并长大,这一转变在4点结束,合金 全部变成单相奥氏体。奥氏体冷却到5点时又发生同素异晶转变γ→α。同样,铁素体也 是在奥氏体晶界上优先形核,然后长大。当温度达到6点时,奥氏体全部转变为铁素体。 铁素体冷却到7点时,碳在铁素体中的溶解量达到饱和,因此,当将铁素体冷却到7点以 下时,渗碳体将从铁素体中析出。在缓慢冷却条件下,这种渗碳体常沿铁素体晶界呈片状 析出,这种从铁素体中析出的渗碳体即为三次渗碳体。工业纯铁的室温组织如图39所示。 δ 1以上 1~2 Fe C 7以上 图38含碳量为00218%的工业纯铁结晶过程示意图 图39工业纯铁室温组织 在室温下,析出三次渗碳体量最多的是含碳量为0.0218%的铁碳合金,其含碳量可用 杠杆定律求出 0.0218 100%=0.33% 而含碳量为001%的工业纯铁室温下三次渗碳体量为 0.01 100%=0.1494% 6.69 332共析钢(含碳量为0.77%) 共析钢即图37中的合金②,其结晶过程示意图如图3.10所示。在1~2点温度区 ,合金按匀晶转变结晶成奥氏体。奥氏体冷却到3点(727℃),在恒温下发生共析转变
第 3 章 铁碳合金 ·61· ·61· 晶转变δ → γ 。奥氏体的晶核通常优先在δ 相界上形成并长大，这一转变在 4 点结束，合金 全部变成单相奥氏体。奥氏体冷却到 5 点时又发生同素异晶转变 γ →α 。同样，铁素体也 是在奥氏体晶界上优先形核，然后长大。当温度达到 6 点时，奥氏体全部转变为铁素体。 铁素体冷却到 7 点时，碳在铁素体中的溶解量达到饱和，因此，当将铁素体冷却到 7 点以 下时，渗碳体将从铁素体中析出。在缓慢冷却条件下，这种渗碳体常沿铁素体晶界呈片状 析出，这种从铁素体中析出的渗碳体即为三次渗碳体。工业纯铁的室温组织如图 3.9 所示。 图 3.8 含碳量为 0.0218%的工业纯铁结晶过程示意图 图 3.9 工业纯铁室温组织 在室温下，析出三次渗碳体量最多的是含碳量为 0.0218%的铁碳合金，其含碳量可用 杠杆定律求出 wα ＝ 0.0218 6.69 ×100%＝0.33% 而含碳量为 0.01%的工业纯铁室温下三次渗碳体量为 F 3 III w e C ＝ 0.01 6.69 ×100%＝0.1494% 3.3.2 共析钢(含碳量为 0.77%) 共析钢即图 3.7 中的合金②，其结晶过程示意图如图 3.10 所示。在 1～2 点温度区 间，合金按匀晶转变结晶成奥氏体。奥氏体冷却到 3 点(727℃)，在恒温下发生共析转变
金属学与热处理 γ→α+Fe3C,转变产物为珠光体,通常用P表示。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 在随后的冷却过程中,铁素体中的含碳量沿PQ线变化,于是从珠光体的铁素体相中析出 次渗碳体。在缓慢冷却条件下,三次渗碳体在铁素体与渗碳体的相界上形成,与共析滲 碳体连结在一起,在显微镜下难以分辨,同时其数量也很少,对珠光体的组织和性能没有 显影响。 ⑧③ (虚线为原奥氏体晶界) 图310共析钢结晶过程示意图 333亚共析钢(含碳量0.0218%~0.77%) 现以含碳量为0.40%的碳钢为例进行分析,其在相图上的位置如图3.7所示的合金③ 结晶过程示意图如图3,11所示。在结晶过程中,冷却至1~2温度区间,合金按匀晶转变 结晶出δ固溶体,当冷却到2点时,δ固溶体的含碳量为009%,液相的含碳量为0.53%, 此时的温度为1495℃,于是液相和δ固溶体于恒温下发生包晶转变:L+δ→γ,形成奥氏 体。但由于钢中的含碳量(0.40%)大于0.17%,所以包晶转变终了后,仍有液相存在,这些 剩余的液相在2~3点之间继续按匀晶结晶成奥氏体,此时液相的成分沿BC线变化,奥氏 体的成分则沿JE线变化,温度降到3点,合金全部为040%的奥氏体所组成。 1以上 5以下 3.11含碳量为0.40%的亚共析钢结晶过程示意图 单相的奥氏体冷却到4点时,在晶界上开始析出铁素体,随着温度的降低,铁素体的 数量不断增多,此时铁素体的成分沿GP线变化,而奥氏体的成分则沿GS线变化,温度降 至5点与共析线(727℃)相遇时,奥氏体的成分达到了S点,即含碳量达到077%,在恒温 下发生共析转变:y…a+FeC,形成珠光体。在5点以下,先共析铁素体以及珠光体中 的铁素体都将析出三次渗碳体,但其数量很少,一般可忽略不计。因此,该室温下的组织 由先共析铁素体和珠光体所组成,如图3.12(b)所示。 亚共析钢的室温组织均由铁素体和珠光体组成。钢中含碳量越高,则组织中的珠光体
·62· 金属学与热处理 ·62· γ ↔α ＋Fe3C，转变产物为珠光体，通常用 P 表示。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 在随后的冷却过程中，铁素体中的含碳量沿 PQ 线变化，于是从珠光体的铁素体相中析出 三次渗碳体。在缓慢冷却条件下，三次渗碳体在铁素体与渗碳体的相界上形成，与共析渗 碳体连结在一起，在显微镜下难以分辨，同时其数量也很少，对珠光体的组织和性能没有 明显影响。 图 3.10 共析钢结晶过程示意图 3.3.3 亚共析钢(含碳量 0.0218%～0.77%) 现以含碳量为 0.40%的碳钢为例进行分析，其在相图上的位置如图 3.7 所示的合金③， 结晶过程示意图如图 3.11 所示。在结晶过程中，冷却至 1～2 温度区间，合金按匀晶转变 结晶出δ 固溶体，当冷却到 2 点时，δ 固溶体的含碳量为 0.09%，液相的含碳量为 0.53%， 此时的温度为 l495℃，于是液相和δ 固溶体于恒温下发生包晶转变：L＋δ ↔ γ ，形成奥氏 体。但由于钢中的含碳量(0.40%)大于 0.17%，所以包晶转变终了后，仍有液相存在，这些 剩余的液相在 2～3 点之间继续按匀晶结晶成奥氏体，此时液相的成分沿 BC 线变化，奥氏 体的成分则沿 JE 线变化，温度降到 3 点，合金全部为 0.40%的奥氏体所组成。 图 3.11 含碳量为 0.40%的亚共析钢结晶过程示意图 单相的奥氏体冷却到 4 点时，在晶界上开始析出铁素体，随着温度的降低，铁素体的 数量不断增多，此时铁素体的成分沿 GP 线变化，而奥氏体的成分则沿 GS 线变化，温度降 至 5 点与共析线(727℃)相遇时，奥氏体的成分达到了 S 点，即含碳量达到 0.77%，在恒温 下发生共析转变： γ ↔α ＋Fe3C，形成珠光体。在 5 点以下，先共析铁素体以及珠光体中 的铁素体都将析出三次渗碳体，但其数量很少，—般可忽略不计。因此，该室温下的组织 由先共析铁素体和珠光体所组成，如图 3.12(b)所示。 亚共析钢的室温组织均由铁素体和珠光体组成。钢中含碳量越高，则组织中的珠光体
