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