第四章铁碳合金相图 碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料,是铁和碳组成的合金,不同成分的 碳钢和铸铁,组织和性能也不相同。在硏究和使用钢铁材料、制定其热加工和热 处理工艺以及分析工艺废品的原因时,都需要应用铁碳相图。 在铁碳合金中,根据结晶条件不同,组元碳可具有碳化物Fe3C(渗碳体) 和石墨两种形式,渗碳体在热力学上是一个亚稳定相(meta- stable phase),而 石墨是稳定的相。在通常情况下,铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变,本章我 们讨论的铁碳相图实际上就是FeFe3C相图。 4-1铁碳合金的组元 纯铁 纯铁的熔点为1538℃,其冷却曲线如图71所示 6001538 1500 1394d-Fe (體心立方) (面心立方) 800 (體心立方) 时间 图71纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化 纯铁由液态结晶为固态后,继续冷却到1394℃及912℃时,先后发生两次 晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变 ( allotropic transformation)。同素异构转变伴有热效应产生,因此在纯铁的冷 却曲线上,在1394℃及912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下 1394°C 6-Fe分y-Fe分a (面心立方) 温度低于912℃的铁为体心立方晶格,称为a-Fe;温度在912-1394℃间 的铁为面心立方晶格,称为Y-Fe;温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶 格,称为δ-F 工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低,塑性好,其机械性能大致如下: Chap4 第1页
Chap4 第1页 第四章 铁碳合金相图 碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的 碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热 处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。 在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物 Fe3C（渗碳体） 和石墨两种形式，渗碳体在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase），而 石墨是稳定的相。在通常情况下，铁碳合金是按 Fe-Fe3C 系进行转变，本章我 们讨论的铁碳相图实际上就是 Fe-Fe3C 相图。 4-1 铁碳合金的组元 一、纯铁 纯铁的熔点为 1538℃，其冷却曲线如图 7.1 所示。 纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到 1394℃及 912℃时，先后发生两次 晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变 （allotropic transformation）。同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁的冷 却曲线上，在 1394℃及 912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下： （体心立方） （面心立方） （体心立方） Fe Fe Fe C C O O δ − ⇔ γ − ⇔ α − 1394 912 温度低于 912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在 912~1394℃间 的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在 1394~1538℃间的铁为体心立方晶 格，称为δ-Fe。 工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，其机械性能大致如下： 时间 温度（℃） 图 7.1 纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化
拉伸强度 18×107~28×107Nm2 屈服强度σ0 10×107~17×107N/m 延伸率δ 30~50% 断面收缩率v70~80% 冲击值 160~200J/m 布氏硬度HB 二、碳在铁中的固溶体 碳的原子半径较小,在α-Fe和γ-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成 间隙固溶体。 碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体( ferrite),常用符号F或a表示 其最大溶解度为0.0218w%C,发生于727℃,碳多存在于体心立方α结构的八 面体空隙。铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。 碳在￥-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体( austenite),常用符号A或Y 表示,其最大溶解度为2.11wt%C,发生于1148℃,碳多存在于面心立方y结 构的八面体空隙。奥氏体与ⅹ-Fe均具有顺磁性。 、铁碳化合物 当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时,多余的碳主要以碳化物 Fe3C的形式存在。 Fe3C称为渗碳体,是一种具有复杂结构的间隙化合物,其中含碳669w%, 其硬度很高,塑性几乎为零。 4-2Fe-Fe3C相图分析 Fe-Fe3C相图如图7.2所示。 Chap4 第2页
Chap4 第2页 拉伸强度σb 18×107 ~28×107 N/m2 屈服强度σ0.2 10×107 ~17×107 N/m2 延伸率δ 30~50% 断面收缩率ψ 70~80% 冲击值 160~200J/cm2 布氏硬度 HB 50~80 二、碳在铁中的固溶体 碳的原子半径较小，在α-Fe 和γ-Fe 中均可进入 Fe 原子间的空隙而形成 间隙固溶体。 碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号 F 或α表示， 其最大溶解度为 0.0218wt%C，发生于 727℃，碳多存在于体心立方α结构的八 面体空隙。铁素体与α-Fe 在居里点 770℃以下均具有铁磁性。 碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号 A 或γ 表示，其最大溶解度为 2.11wt%C，发生于 1148℃，碳多存在于面心立方γ结 构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe 均具有顺磁性。 三、铁碳化合物 当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时，多余的碳主要以碳化物 Fe3C 的形式存在。 Fe3C 称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳 6.69wt%， 其硬度很高，塑性几乎为零。 4-2 Fe-Fe3C 相图分析 Fe-Fe3C 相图如图 7.2 所示
+7 G912 0.0218 %(重量) 图72Fe-Fe3C相图 图中ABCD为液相线, AHJECF为固相线。整个相图主要由包晶、共晶和 共析三个恒温转变所组成: (1)在HJB水平线(1495℃)发生包晶转变: L。+δ 转变产物是x。此转变仅发生在含碳009-0.53%的铁碳合金中 (2)在ECF水平线(1148℃)发生共晶转变: Ye+ Fe, c 转变产物是￥和Fe3C的机械混合物,称为莱氏体( ledeburite),用符号Ld 或Le表示。含碳2.11-6.69%的铁碳合金都发生此转变 (3)在PSK水平线(727℃)发生共析转变: +Fe c 转变产物是a和Fe3C的机械混合物,称为珠光体( pearlite),用符号P表 示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常 称为A1温度 Chap4 第3页
Chap4 第3页 图中 ABCD 为液相线，AHJECF 为固相线。整个相图主要由包晶、共晶和 共析三个恒温转变所组成： (1) 在 HJB 水平线（1495℃）发生包晶转变： LB H J + δ ⎯⎯→γ 转变产物是γ。此转变仅发生在含碳 0.09~0.53%的铁碳合金中。 (2) 在 ECF 水平线（1148℃）发生共晶转变： LC ⎯⎯→γ E + Fe3C 转变产物是γ和 Fe3C 的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite），用符号 Ld 或 Le 表示。含碳 2.11~6.69%的铁碳合金都发生此转变。 (3) 在 PSK 水平线（727℃）发生共析转变： γ ⎯⎯→α P + Fe3C 转变产物是α和 Fe3C 的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用符号 P 表 示。所有含碳量超过 0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常 称为 A1温度。 图 7.2 Fe-Fe3C 相图
此外,Fe-Fe3C相图中还有三条重要的固态转变线 (1)GS线:￥中开始析出α或α全部溶入Y的转变线,常称此温度为A3温 度 (2)ES线:碳在γ中的溶解度线。常称此温度为Acm温度。低于此温度时 y中将析出Fe3C,称为二次渗碳体Fe3Cn,以区别于从液体中经CD线 结晶出的一次渗碳体Fe3C1。 (3)PQ线:碳在α中的溶解度线。a从727℃冷却下来时,也将析出Fe3C, 称为三次渗碳体Fe3Cm。 表7.1中还列出了相图中各特性点的温度、碳含量及其含义。 表71FeFe3C相图中各特性点的温度、碳含量及其含义 符号温度(℃)碳含量(w%) 含义 1538 0 纯铁的熔点 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分 BCDEF 1148 共晶点Lc—→yg+Fe2C 1227 669 Fe3C的熔点 1148 2.11 碳在￥-Fe中的最大溶解度 1148 669 Fe3C的成分 G Fe Fe同素异晶转变点(A) H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度 1495 0.17 包晶点L+ JKNP 6.69 Fe3C的成分 1394 y-Fe分d-Fe同素异晶转变点(A4) 727 00218碳在aFe中的最大溶解度 0.77 共析点(A1)y—>ap+Fe2C 600 Q|(室温) 0.0057 0.0008 600℃C(或室温)时碳在α-Fe中的溶解度 4-3典型铁碳合金的平衡凝固 通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁,即含碳量小于2.11%为碳钢,大于 211%为铸铁( cast iron),按Fe-Fe3C系结晶的铸铁,称为白口铸铁( white cast iron 根据组织特征,可参照Fe-Fe3C相图(图7.3)将铁碳合金按含碳量划分为 七种类型 Chap4
Chap4 第4页 此外，Fe-Fe3C 相图中还有三条重要的固态转变线： (1) GS 线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为 A3温 度。 (2) ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为 Acm 温度。低于此温度时， γ中将析出 Fe3C，称为二次渗碳体 Fe3CII，以区别于从液体中经 CD 线 结晶出的一次渗碳体 Fe3CI。 (3) PQ 线：碳在α中的溶解度线。α从 727℃冷却下来时，也将析出 Fe3C， 称为三次渗碳体 Fe3CIII。 表 7.1 中还列出了相图中各特性点的温度、碳含量及其含义。 表 7.1 Fe-Fe3C 相图中各特性点的温度、碳含量及其含义 符号 温度（℃） 碳含量（wt%） 含 义 A 1538 0 纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4.30 共晶点 LC ⎯⎯→γ E + Fe3C D 1227 6.69 Fe3C 的熔点 E 1148 2.11 碳在γ-Fe 中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C 的成分 G 912 0 α − Fe ⇔ γ − Fe 同素异晶转变点（A3） H 1495 0.09 碳在δ-Fe 中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点 LB H J + δ ⎯⎯→γ K 727 6.69 Fe3C 的成分 N 1394 0 γ − Fe ⇔ δ − Fe同素异晶转变点（A4） P 727 0.0218 碳在α-Fe 中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点（A1）γ ⎯⎯→α P + Fe3C Q 600 (室温) 0.0057 0.0008 600℃（或室温）时碳在α-Fe 中的溶解度 4-3 典型铁碳合金的平衡凝固 通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量小于 2.11%为碳钢，大于 2.11%为铸铁（cast iron），按 Fe-Fe3C 系结晶的铸铁，称为白口铸铁（white cast iron）。 根据组织特征，可参照 Fe-Fe3C 相图（图 7.3）将铁碳合金按含碳量划分为 七种类型：
(1)(3)(2)(4) 图73典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置 (1)工业纯铁( pure iron) <0.0218%C (2)共析钢( eutectoid steel) 0.77%C (3)亚共析钢( hypoeutectoid steel) 0.0218~0.77%C (4)过共析钢( hypereutectoid steel) 0.77~2.11%C (5)共晶白口铸铁( eutectic white cast iron) 4.30%C (6)亚共晶白口铸铁( hypoeutectic white cast iron)211-430%C (⑦)过共晶白口铸铁( hypereutectic white cast iron)4.30-669%C 下面分别对每种类型的合金平衡凝固时的转变过程和室温组织进行分析。 一、工业纯铁 图74为工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 Chap4
Chap4 第5页 (1) 工业纯铁（pure iron） <0.0218%C (2) 共析钢（eutectoid steel） 0.77%C (3) 亚共析钢（hypoeutectoid steel） 0.0218~0.77%C (4) 过共析钢（hypereutectoid steel） 0.77~2.11%C (5) 共晶白口铸铁（eutectic white cast iron） 4.30%C (6) 亚共晶白口铸铁（hypoeutectic white cast iron） 2.11~4.30%C (7) 过共晶白口铸铁（hypereutectic white cast iron） 4.30~6.69%C 下面分别对每种类型的合金平衡凝固时的转变过程和室温组织进行分析。 一、工业纯铁 图 7.4 为工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。 图 7.3 典型铁碳合金在 Fe-Fe3C 相图中的位置
L+d 1. d-+A 時間 图74工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 合金溶液在1-2点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至3点时,开始发生固 溶体的同素异构转变δ→γ。这一转变在4点结束,合金为单相Y。冷至5-6 点之间又发生同素异构转变y→a,6点以下全部为a。冷却至7点时,碳在q 中的溶解度达到饱和,在7点以下,将从α中析出三次渗碳体Fe3CⅢ。因此工 业纯铁的室温组织为a+Fe3Cm,如图7.5所示。 图75工业纯铁的室温平衡组织250× Chap4
Chap4 第6页 合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至 3 点时，开始发生固 溶体的同素异构转变δ → γ 。这一转变在 4 点结束，合金为单相γ。冷至 5~6 点之间又发生同素异构转变γ →α ，6 点以下全部为α。冷却至 7 点时，碳在α 中的溶解度达到饱和，在 7 点以下，将从α中析出三次渗碳体 Fe3CIII。因此工 业纯铁的室温组织为α+Fe3CIII，如图 7.5 所示。 图 7.4 工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 图 7.5 工业纯铁的室温平衡组织 250×
二、共析钢 图7.6为共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 合金溶液在1~2点温度区间结晶出固溶体,在2点凝固完毕,合金为单 相Y。冷至3点(727℃)时,在恒温下发生共析转变: y—>ap+Fe3C 转变产物为珠光体,即P,是a和Fe3C的层片状细密混合物,如图7.7所 示。P中的Fe3C称为共析渗碳体。因此共析钢的室温组织为P,如图77所示。 P中的a和Fe3C的相对量可用杠杆定律求得: a(%)669_01×100%≈88 6.69 Fe3C(%)=1-88%=12% 0.77%C 1以上 A+Fe.C F+FerC 時間一 图76共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 Chap4 第7页 图77共析钢的室温平衡组织1000×
Chap4 第7页 二、共析钢 图 7.6 为共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。 合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出γ固溶体，在 2 点凝固完毕，合金为单 相γ。冷至 3 点（727℃）时，在恒温下发生共析转变： γ ⎯⎯→α P + Fe3C 转变产物为珠光体，即 P，是α和 Fe3C 的层片状细密混合物，如图 7.7 所 示。P 中的 Fe3C 称为共析渗碳体。因此共析钢的室温组织为 P，如图 7.7 所示。 P 中的α和 Fe3C 的相对量可用杠杆定律求得： (%) 1 88% 12% 100% 88% 6.69 6.69 0.77 (%) 3 = − = × ≈ − = Fe C α 图 7.6 共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 图 7.7 共析钢的室温平衡组织 1000×
三、亚共析钢 图78为亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 0.4%C 1以上 L+d L+o L+d→A L+A 3-4 時間 图78亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 合金溶液在1~2点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至2点(1495℃)时, δ固溶体的含碳量为0.09%,液相的含碳量为0.53%,此时液相和δ相发生包 晶转变 由于图7.8中的合金碳含量大于0.17%,所以包晶转变终了以后,还有过剩的液 相存在。在2~3点之间,液相中继续结晶出￥,所有γ固溶体的成分均沿JE 线变化。冷却至3点时,合金全部由y组成。冷至4点时,开始从中析出α 的含碳量沿GP线变化,而剩余Y的含碳量沿GS线变化。当冷却至5点(727 ℃)时,剩余γ的含碳量达到077%,在恒温下发生共析转变形成珠光体。在5” 点以下,先共析铁素体中将析出三次渗碳体Fe3Cm,但因其数量少,一般可忽略。 Chap4
Chap4 第8页 三、亚共析钢 图 7.8 为亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。 合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至 2 点（1495℃）时， δ固溶体的含碳量为 0.09%，液相的含碳量为 0.53%，此时液相和δ相发生包 晶转变： LB H J + δ ⎯⎯→γ 由于图 7.8 中的合金碳含量大于 0.17%，所以包晶转变终了以后，还有过剩的液 相存在。在 2’~3 点之间，液相中继续结晶出γ，所有γ固溶体的成分均沿 JE 线变化。冷却至 3 点时，合金全部由γ组成。冷至 4 点时，开始从γ中析出α， α的含碳量沿 GP 线变化，而剩余γ的含碳量沿 GS 线变化。当冷却至 5 点（727 ℃）时，剩余γ的含碳量达到 0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。在 5’ 点以下，先共析铁素体中将析出三次渗碳体 Fe3CIII，但因其数量少，一般可忽略。 图 7.8 亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图
因此亚共析钢的室温组织为P+a,如图79所示。由图(a)(b)(c)可见,亚共析 钢的碳含量越高,室温组织中的P含量越多 (a) (a)0.20%C410×(b)045%C400×(c)0.60%C300× 图79亚共析钢的室温平衡组织 四、过共析钢 Chap4 第9页
Chap4 第9页 因此亚共析钢的室温组织为 P+α,如图 7.9 所示。由图(a)(b)(c)可见，亚共析 钢的碳含量越高，室温组织中的 P 含量越多。 四、过共析钢 (a)0.20%C 410× (b)0.45%C 400× (c)0.60%C 300× 图 7.9 亚共析钢的室温平衡组织
图7.10为过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。 A+A A+FeaC P+FeC 時間 图710过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 合金溶液在1~2点温度区间结晶出x固溶体,在2点凝固完毕,合金为单 相￥。冷至3点开始从γ中析出二次渗碳体Fe3Cn,直到4点为止。这种先共析 Fe3C多沿Y晶界呈网状分布,量较多时还在晶内呈针状分布。温度降到4点(727 ℃)时,剩余Y的含碳量达到0.77%,在恒温下发生共析转变形成珠光体。 因此过共析钢的室温组织为P+Fe3C,如图7.11所示 图711过共析钢的室温平衡组织500× Chap4 第10页
Chap4 第10页 图 7.10 为过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。 合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出γ固溶体，在 2 点凝固完毕，合金为单 相γ。冷至 3 点开始从γ中析出二次渗碳体 Fe3CII，直到 4 点为止。这种先共析 Fe3C 多沿γ晶界呈网状分布，量较多时还在晶内呈针状分布。温度降到 4 点（727 ℃）时，剩余γ的含碳量达到 0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。 因此过共析钢的室温组织为 P+Fe3CII，如图 7.11 所示。 图 7.10 过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 图 7.11 过共析钢的室温平衡组织 500×