2.3_二元相图的典型应用铁碳合金相图2.14216000.09TypicalApplicationsoftheBinary Phase Diagram (TheIron-carbonEguilibriumDiagrann20FTteCa0256703.0PecC%aR
2.3 二元相图的典型应用 ——铁碳合金相图 Typical Applications of the Binary Phase Diagram (The Iron-carbon Equilibrium Diagram)
2. 3二元相图的典型应用铁碳合金相图2.3.1铁碳相图中的组元与基本相(Componentsandfundamentalphasesoftheiron-carbonphasediagram)2.3.2铁碳合金相图分析(Interpretationoftheiron-carbonphasediagram)2.3.3铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织(lnterpretationofequilibriumcrystallizationoftheiron-carbonalloysanditsmicrostructures)2.3.4.不碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响(Influenceofcarboncontentsonequilibriummicrostructuresandpropertiesofiron-carbonalloys)2.3.5铁碳合金相图的局限性（Thelimitationoftheiron-carbonalloydiagram)
2.3 二元相图的典型应用 ——铁碳合金相图 2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相 （ Components and fundamental phases of the iron-carbon phase diagram ） 2.3.2 铁碳合金相图分析 ( Interpretation of the iron-carbon phase diagram ) 2.3.3 铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织 (Interpretation of equilibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures) 2.3.4. 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响 ( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys ) 2.3.5 铁碳合金相图的局限性 (The limitation of the ironcarbon alloy diagram)
2.3.1铁碳相图中的组元与基本相(Components andfundamental phases of theiron-carbonphasediagram)·1.纯铁：（1）纯铁铁的原子序数为26，原子半径1.27nm，熔点1538℃，密度7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变，如图1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为a-Fe，具有BCC结构，一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为0b=180230MPa,0o.2=100~170MPa,6=30%~50%；=70%~80%，ak=1.6~2.0MJ/m2，硬度值为50~8OHBW。可见钝铁的塑、韧性虽然很好，但强度、硬度很低，所以很少用它制造机械零件。·（2）铁素体(F或a)与奥氏体(A或y）不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体，铁素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相，这两个相都是碳在铁中的间隙固溶体。但它们也有一系列不同之处。·①晶体结构碳原子溶入y-Fe中所形成间隙固溶体称为A。而碳原子溶入a-Fe中所形成间隙固溶体，则称为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。?②溶碳能力从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要小得多。A最大溶碳量为2.11%于1148℃时)，而F的最大溶碳量仅为0.0218%（于727℃时)。室温下F的溶碳量就更低了，一般在0.0008%以下。·③组织形态单相F与A都呈多边形的等轴晶粒。·④力学性能F、A力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下：ob=176～274MPa,Os=98~166MPa,8=30%~50%,=70%~80%, ak=1.5~2.0MJ/m2，布氏硬度值为50~80HBW
2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相 （Components and fundamental phases of the ironcarbon phase diagram） •1. 纯铁 •（1）纯铁 铁的原子序数为26，原子半径1.27nm，熔点1538℃，密度 7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变，如图 1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为α-Fe，具有BCC结构， 一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为σb=180～230MPa,σ0.2=100～ 170MPa,δ=30％～50%；ψ=70％～80%，aK=1.6～2.0ＭJ/m2，硬度值为50～ 80HBW。可见钝铁的塑、韧性虽然很好，但强度、硬度很低，所以很少用它制造 机械零件。 •（2）铁素体(F或α)与奥氏体(A或γ) 不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体，铁 素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相，这两个相都是碳在铁中的间隙固溶 体。但它们也有一系列不同之处。 •①晶体结构 碳原子溶入γ-Fe中所形成间隙固溶体称为A。而碳原子溶入α-Fe中所 形成间隙固溶体，则称为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。 •②溶碳能力 从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要小得多。A最大溶碳量为 2.11%(于1148℃时)，而F的最大溶碳量仅为0.0218%(于727℃时)。室温下F的溶 碳量就更低了，一般在0.0008% 以下。 •③组织形态 单相F与A都呈多边形的等轴晶粒。 •④力学性能 F、A力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下:σb=176～ 274 MPa，σS=98～166MPa，δ=30%～50%，ψ=70%～80%，aK=1.5～ 2.0MJ/m2，布氏硬度值为50～80HBW
2.渗碳体（常用符号Fe3C或Cm表示）在铁碳相图中，碳一般以C形式存在，Cm是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。·(1)晶体结构Cm是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子，即Fe/C=3/1，所以Cm的碳含量为6.69%，其熔点1227℃。·(2)组织形态C在钢中具有多种多样的组织形态，这些形态主要与形成条件有关。凡是从液相中结晶出来的一次渗碳体（图2.19中VI），一般呈粗大片状；凡是从A或F中析出的二次渗碳体（图2-19中Ⅲ）或三次渗碳体（图2.19中区），一般呈网状分布；共析体（珠光体）中的Cm（图2.19中I）一般呈薄片状，而共晶体（莱氏体）中的Cm作基体（图2.19中IV）等。这五种渗碳体的特征如表2.1所示。·（3)力学性能Cm具有硬而脆的特性，其硬度值很高(约800HBW)，而塑性很差(6~0)。Cm的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下，Cm将发生分解，形成石墨：Fe3C→3Fe+C（石墨）)。可见，Cm是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。符名称号母相形成盗度/℃组织形态分布情况对性能的影响一次渗碳体FeyC,L>1148粗大板条状在莱氏体上增加硬胞性表2.1铁二次渗碳体FegCeA网状1 148 ~ 727在A或P晶界上严重降低强度和韧性碳合金中降低塑、韧性F三次渗碳体Fe,Cm<727短条状的物种渗数量极少（沿晶界）（常忽略不计）碳体特征共品渗碳体FeCAnLt1148块、片状是莱氏体的基体相产生硬胞性共析港碳体FegC共树727细片状As与片状F构成层片状P提高综合力学性能
2. 渗碳体(常用符号Fe3C或Cm表示) •在铁碳相图中，碳一般以Cm形式存在，Cm是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、 数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。 •(1)晶体结构 Cm是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子， 即Fe/C=3/1，所以Cm的碳含量为6.69%，其熔点1227℃。 •(2)组织形态 Cm在钢中具有多种多样的组织形态，这些形态主要与形成条件有关。凡是 从液相中结晶出来的一次渗碳体（图2.19中Ⅵ），一般呈粗大片状;凡是从A或F中析出的二次 渗碳体（图2-19中Ⅲ）或三次渗碳体（图2.19中Ⅸ），一般呈网状分布;共析体(珠光体)中的 Cm（图2.19中Ⅰ）一般呈薄片状，而共晶体(莱氏体)中的Cm作基体（图2.19中Ⅳ）等。这五 种渗碳体的特征如表2.1所示。 •(3)力学性能 Cm具有硬而脆的特性，其硬度值很高(约800HBW)，而塑性很差(δ≈0)。Cm 的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下，Cm将发生分解，形成石墨:Fe3C→３Fe + C(石墨)。可见，Cm是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。 表2.1 铁 碳合金中 的物种渗 碳体特征
2.3.2铁碳合金相图分析(Interpretationof the iron-carbon phase diagram·1.三相平衡转变（三个基本反应）其反应式为：Lg+8—149°包晶反应的产物为奥氏体（图2.19中V）。凡?①包晶反应W(C)=0.09%～0.53%范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。由于工业生产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。②共析反应其反应式为：As-727C→>Fp+典析反应产物为珠光体(P)，其组织形态如图2-22及图2-19中I所示，P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度，一定塑韧性和硬度（b=770MPa，硬度180HBW，6=20%~35%，Ak=30~40J）。共析反应温度是水平线PSK（727℃)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A，表示。因此：凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。1148C>Ag+Fe;C，共晶反应产物莱氏体(Ld)。共晶转变温③共晶反应其反应式为：Lc度即相图上水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在2.11～6.69%范围内的铁碳合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至727℃C时，Ld中的A也要进行共析反应形成P。因此，把共析线以上温度存在的(A+Fe3C)的机械混合物，称为高温莱氏体(Ld)，而把共析线以下温度存在的(P+Fe3CⅡ+Fe3C)的机械混合物，称为低温莱氏体（用符号Ld表示），其组织形态如图2-21以及图2-19中IV所示。L'd的组织特征为皇点状或短条状P分布在白色Fe3C基体上，因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）
2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation of the iron-carbon phase diagram ) •1. 三相平衡转变（三个基本反应） •①包晶反应 其反应式为: ，包晶反应的产物为奥氏体（图2.19中Ⅷ）。凡 W(C)=0.09％～0.53％范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。由于工业生 产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。 •②共析反应 其反应式为: ，共析反应产物为珠光体(P)，其组织形态如图2-22及 图2-19中Ⅰ所示，P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度，一定塑韧性和 硬度（σb=770MPa，硬度180HBW，δ=20%～35%，AK=30～40J）。 •共析反应温度是水平线PSK(727℃)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A1表示。因此， 凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。 •③共晶反应 其反应式为: ，共晶反应产物莱氏体(Ld)。共晶转变温 度即相图上水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在2.11～6.69%范围内的铁碳 合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至727℃时，Ld中的A也要进行共析 反应形成P。因此，把共析线以上温度存在的(A+Fe3C)的机械混合物，称为高温莱氏体(Ld)， 而把共析线以下温度存在的(P+Fe3CⅡ＋Fe3Ｃ)的机械混合物，称为低温莱氏体(用符号L’d表 示)，其组织形态如图2-21以及图2-19中Ⅳ所示。L’d的组织特征为呈点状或短条状P分布在白 色Fe3C基体上，因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）。 LB H J + ⎯⎯⎯→ 1495℃ AS FP F 3C 727 ⎯ ⎯→ + e ℃ LC AE F 3C 1148 ⎯⎯⎯→ + e ℃
2.3.2铁碳合金相图分析(Interpretationof the iron-carbon phase diagram显微组织图2.20共析碳钢室温P显微组织图2.21共晶白口铸铁Ld
2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation of the iron-carbon phase diagram ) 图2.20 共析碳钢室温P显微组织 图2.21 共晶白口铸铁Ld’显微组织
2.相图中的特性点、牛特性线及相区等?铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。相图中包括5个单相区，7个双相区及3个三相区（对经简化的Fe-Fe3C相图而言，包括4个单相区，5个双相区及2个三相区）。·图2.17，图2.18即为以相组分（即组成相或相组成物)形式表示的Fe-Fe3C合金相图。表2.24铁碳合金相图中的特性点和特性线特性线F,/100%特生点黑度/℃含义合义ABA15380.纯铁的熔点B相滋相线，准相开始结晶出齐固浴体BBC14950.53包品转变时孩态台金说分相液相线，液相开始站品出国落件体CCD11484.3共品点液相脱帝线，没相开始脱落出F，CDAH6.698相的固相线~1227净碳体的熔点Efx2.11碳在更氏体中的最大济解度联在。相中的溶解度线1148JEH6.69相的制相线1148感碳体的战分GJN9120-Feey-Fe转变点（8+）相区与柑区的分界线GSH14950.09炭在名-中的最大游度奥氏体转变为性女体开始线，即4，线JGP奥氏体转变为饮食体悠了线J4950.17包品点K727FS脱溶线，奥氏体脱容出1e,C，却A线6.69将体的成分N1 3940PQ脱游绒，铁素体开始脱出FoC，Y-F6-Fn转宠点PSK727碳在铁家体中最大落解度找析转变线，Ya,+Fe,C,邸A，线0.0218HJB包品转变线，L+石一Y！s727.0.77共析点ECF共晶转变线l.Y+FecQ6000.005碳在铁素体中的济解度注：本表是指孕却过中和变的含义
2.相图中的特性点、特性线及相区等 •铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。 •相图中包括5个单相区，7个双相区及3个三相区(对经简化的Fe-Fe3C相图而言，包括4 个单相区，5个双相区及2个三相区)。 •图2.17，图2.18即为以相组分(即组成相或相组成物)形式表示的Fe-Fe3C合金相图。 表2.2 铁碳合金相图中的特性点和特性线
3.铁碳合金的分类·钢和铸铁都是铁碳合金。它们可按C质量分数的多少来划分，也可按是否发生共晶反应来区分。C质量分数2.11%或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁。由于此类铸铁的共晶体中C以Fe3C形式存在，其断口一般呈白亮色，故又称为白口铸铁。·根据成分不同，铁碳合金可分为3大类7种，如表2.3所示。表2.3铁碳合金的分类碳钢白口铸铁合金种类工业纯铁亚共晶共晶白过共晶亚共析钢共析钢过共析钢白口铸铁口铸铁白口铸铁wc/%<0.02180.0218~0.770.774.30.77~2.112.11~4.34.3~6.69P+FeCu+室温组织FPLa'F+PP+FeCuFegCI+LyT.FesChFeCi室温组织形态综合力学软力学性能塑、韧性好硬度大硬面髓性能好
3. 铁碳合金的分类 •钢和铸铁都是铁碳合金。它们可按C质量分数的多少来划分，也可按是否发生共晶 反应来区分。C质量分数＜2．11%，或不发生共晶反应的铁碳合金称为钢(或碳钢)； 而C的质量分数＞2.11% 或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁。由于此类铸铁的共晶 体中C以Fe3C形式存在，其断口一般呈白亮色，故又称为白口铸铁。 •根据成分不同，铁碳合金可分为3大类7种，如表2.3所示。 表2.3 铁碳合金的分类
2.3.3铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织lnterpretationofeguilibriumcrystallizationoftheiron-carbonalloysanditsmicrostructures)·1.共析钢(W（C）=0.77%C)·图2-22中I为共析钢的冷却曲线。成分为0.77%C的合金自液态（L相）缓冷至1点以下通过勺晶反应（L一A）形成A，至2点时L相结晶完毕。在2~3点间合金无组织类型727C>Fp+Fe,得到的转变产变化，仍为单相A组织。至3点时A发生共析反应：物称为P组织。从3”点继续冷却至4点，P皆不发生转变。因此共析钢室温平衡组织全部为P。其结晶过程中的基本反应为：匀晶反应十共晶反应。其室温下组织组分为100%P；而P中相组分(组成相)为F和Fe3C，其相组分L+Y的相对质量分数为：W=（6.69-0.77）/6.69X100%=88%WFe3c=0.77/6.69X100%=1-W==12%。成三所-727℃ar+FcC净光停+图2-22利用冷却曲线描述典型铁碳合金的平衡结晶过程
2.3.3 铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织 (Interpretation of equilibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures) •1. 共析钢(w（C）＝0.77%C) •图2-22中Ⅰ为共析钢的冷却曲线。成分为0.77%C的合金自液态(L相)缓冷至1点以下， 通过匀晶反应（L→A）形成A，至2点时L相结晶完毕。在2～3点间合金无组织类型 变化，仍为单相A组织。至3点时A发生共析反应: ,得到的转变产 物称为P组织。从3’点继续冷却至4点，P皆不发生转变。因此共析钢室温平衡组织 全部为P。其结晶过程中的基本反应为：匀晶反应＋共晶反应。 图2-22 利用冷却曲线描述典型铁碳合金的平衡结晶过程 AS FP F 3C 727 ⎯ ⎯→ + e ℃ 其室温下组织组分为100% P；而P中 相组分(组成相)为F和Fe3C，其相组分 的相对质量分数为：ＷF=（6.69-0.77） /6.69×100%=88%， ＷFe3C=0.77/6.69×100%=1-WF=12%
2.亚共析钢（0.0218%< w(C)<0.77%).下面以0.6%C钢为例，其冷却曲线如图2-22中Ⅱ示。该合金冷却时，从1点起自L中结晶出A在1～2点间发生勺晶反应（L→A），至2点获得全部A组织。在2～3点，随温度下降，仅为A的简单冷却。从3点起，冷却时由A中析出F，F在A晶界处优先形核并长大，而A和F的成分分别沿GS和GP线变化，至4点时，A的W（C）=0.77%，F的W（C）=0.0218%，此时A发生共析凤应F即e.C？转变产物为P，而F不变化。从4点继续冷却至5点，合金组织不发生变化（因F中析出Fe3CⅢ一般忽略不计)，因此室温平衡组织为F+P。亚共析钢室温下显微组织如图2-19中Ⅱ所示，其中黑色部分为P由于放大倍数较低而使F、Fe3C层片分辨不清），自色块状组织为先共析F。亚共析钢平衡结晶过程的基本反应：匀晶反应+固溶体转变反应+共析反应。旧喵M磁今量增加，钢中P量增多，F量减少。II727℃a+FeCaty45钢的金相显微组织时间
2. 亚共析钢 ( 0.0218%＜ w(C)＜0.77% ) •下面以0.6%C钢为例，其冷却曲线如图2-22中Ⅱ示。该合金冷却时，从1点起自L中结晶出A， 在1～2点间发生匀晶反应（L→A），至2点获得全部A组织。在2～3点，随温度下降，仅为A 的简单冷却。从3点起，冷却时由A中析出F，F在A晶界处优先形核并长大，而A和F的成分分 别沿GS和GP线变化，至4点时，A的w（C）＝0．77%，F的w（C）＝0.0218%，此时A发 生共析反应，即 ，转变产物为P，而F不变化。从4＇点继续冷却至5点，合金组织 不发生变化(因Ｆ中析出Fe3CⅢ一般忽略不计)，因此室温平衡组织为F+P。亚共析钢室温下显微 组织如图2-19中Ⅱ所示，其中黑色部分为P(由于放大倍数较低而使F、Fe3C层片分辨不清)，白 色块状组织为先共析F。亚共析钢平衡结晶过程的基本反应：匀晶反应+固溶体转变反应+共析 反应。 •任一成分亚共析钢室温平衡组织均由F+P组成，但随钢碳含量增加，钢中P量增多，F量减少。 AS FP F 3C 727 ⎯ ⎯→ + e ℃ 45钢的金相显微组织