铁碳合金相图详细讲解（高清）

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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ，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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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） FeFeFe CC OO −⇔−⇔− αγδ 9121394 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 Chap4 第2页 拉伸强度σb 18×107~28×107N/m2 屈服强度σ0.2 10×107~17×107N/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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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。 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： JHBL γδ ⎯→⎯+ 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： CFeL EC 3+⎯→⎯ γ 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： CFeP 3+⎯→⎯ αγ 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 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 CFeL EC 3+⎯→⎯ γ 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 FeFe −⇔− γα 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 JHBL γδ ⎯→⎯+ K 727 6.69 Fe3C 的成分 N 1394 0 FeFe −⇔− δγ 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） CFeP 3+⎯→⎯ αγ 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： 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 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 γδ → 。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 αγ → ，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× 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： CFeP 3+⎯→⎯ αγ 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： %12%881(%) %88%100 69.6 77.069.6(%) 3 =−= ≈×−= CFe 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× 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： JHBL γδ ⎯→⎯+ 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 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 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× Chap4 第11页 过共析钢的碳含量越高，室温组织中的 Fe3CII含量越多。 五、共晶白口铸铁 图 7.12 为共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。 合金溶液冷却至 1 点（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变： CFeL EC 3+⎯→⎯ γ 图 7.12 共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 图 7.13 共晶白口铸铁的室温平衡组织 100× Chap4 第12页 转变产物为γ和 Fe3C 的机械混合物，即莱氏体 Ld，其形态为短棒状的γ 分布在 Fe3C 基体上。冷至 1 点以下，共晶γ中不断析出二次渗碳体 Fe3CII，它 通常依附于共晶 Fe3C 上而不能分辨。温度降到 2 点（727℃）时，共晶γ的含 碳量达到 0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。最后得到的组织由 P 分 布在共晶 Fe3C 上所组成，如图 7.13 所示。这种室温下的组织保留了高温下共 晶转变产物 Ld 的形态特征，但组成相γ已发生了转变，因此称为变态莱氏体， 用符号 Ld’表示。 因此共晶白口铸铁的室温组织为 Ld’，如图 7.13 所示。 六、亚共晶白口铸铁 图 7.14 为亚共晶白口铸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γ固溶体，此时液相成分沿 BC 线变化， 而γ固溶体的成分沿 JE 线变化。冷却至 2 点（1148℃）时，剩余液相的成分达 到共晶成分，在恒温下发生共晶转变，形成 Ld。在 2 点以下，初晶γ和共晶γ 中都析出二次渗碳体 Fe3CII。随着 Fe3CII的析出，γ固溶体的成分沿 ES 线降低。 温度降到 3 点（727℃）时，所有γ都发生共析转变成为珠光体。 因此亚共晶白口铸铁的室温组织为 Ld’+P+Fe3CII，如图 7.15 所示。 图 7.14 亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 Chap4 第13页 七、过共晶白口铸铁 图 7.16 为过共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。 过共晶白口铸铁平衡凝固时，初晶相是 Fe3C，其余的转变同共晶合金。过 共晶白口铸铁的室温组织为 Ld’+Fe3CI，如图 7.15 所示，初晶 Fe3CI呈板片状。 图 7.15 亚共晶白口铸铁的室温平衡组织 100× 图 7.16 过共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图 Chap4 第14页 4-4 含碳量对铁碳合金的组织与性能的影响 一般说来，铁碳合金的成分决定其组织，而组织（包括数量、形态和分布等） 又决定了铁碳合金的性能。 一、含碳量对铁碳合金室温平衡组织的影响 根据上一节的结晶过程分析并运用杠杆定律计算的结果，可把铁碳合金的成 分与组织的关系总结如图 7.18。 图 7.17 过共晶白口铸铁的室温平衡组织 100× 钢 白口铁 钢铁分类 组织与相 工 业 纯 铁 亚共析钢 过共析钢 亚共晶白口铁 过共晶白口铁 成分及组织特征 0.0218%C 0.77%C 2.11%C 4.3%C 6.69%C 高温固态组织为单相固溶体 组织中有共晶莱氏体 组织组成物相对量 （%） 100 Fe3CII Fe3CI F P Ld’ 0 相组成物相对量 （%） 100 F Fe3C 0 图 7.18 铁碳合金的成分与相组成物及组织组成物之间的关系 Chap4 第15页 由图 7.18 可见，随含碳量的增加，合金室温组织变化如下： 当含碳量增高时，组织中不仅 Fe3C 的数量增加，而且 Fe3C 的存在形式也 在变化，由分布在α的基体内（如 P）,变为分布在γ的晶界上（Fe3CII），最后 当形成 Ld 时，Fe3C 已作为基体出现。可见，不同含碳量的铁碳合金具有不同 的组织，而这也正是决定它们具有不同性能的原因。 二、含碳量对铁碳合金机械性能的影响 由前面的分析可见，铁碳合金的室温平衡组织均由α和 Fe3C 两相组成，其 中α是软韧的相，而 Fe3C 是硬脆相。它们的机械性能大致如下： α： 拉伸强度σb 100~240MN/m2 屈服强度σ0.2 100~180MN/m2 延伸率δ 30~50% 断面收缩率ψ 70~80% 布氏硬度 HB 50~80 P+Fe3CII+Ld’ 亚共晶白口铸铁（2.11~4.30%C） P 共析钢（0.77%C） P+Fe3CII 过共析钢（0.77~2.11%C） Ld’ 共晶白口铸铁（4.30%C） Fe3CI+Ld’ 过共晶白口铸铁（4.30~6.69%C） P+α 亚共析钢（<0.77%C） Chap4 第16页 Fe3C： 布氏硬度 HB 800 延伸率δ 0 因此，Fe3C 是个强化相。如果合金的基体是α，则若 Fe3C 的量越多，分 布越均匀，材料的强度就越高。但是当这种硬脆的 Fe3C 相分布在晶界，特别是 作为基体时，材料的塑性和韧性就将大大下降。这也正是高碳钢和白口铁脆性高 的原因。 图 7.19 表示了含碳量对碳钢的机械性能的影响。 由图 7.19 可见，含碳量很低的纯铁，由于是由单相α构成，因此其性能就 是α的性能，即塑性好，硬度和强度都很低。 亚共析钢的组织是由不同数量的α与 P 组成的。随着含碳量的增加，组织 中 P 的数量相应地增加，钢的硬度、强度直线上升，而塑性指标（δ、ψ、冲 击值）相应降低。 共析钢的缓冷组织是由片层状的 P 构成。由于 Fe3C 是一个强化相，它以细 片状分散地分布于软韧的α基体上，起到了强化作用，因而使 P 具有较高的强 度和硬度，但塑性较差。 过共析钢缓冷后的组织由 P 和 Fe3CII 所组成。随着含碳量的增加，Fe3CII 的数量逐渐增加。当含碳量不超过 1.0%时，由于在晶界上析出的 Fe3CII一般还 不连成网状，故对性能影响不大。当含碳量大于 1.0%以后，因 Fe3CII数量的增 多并呈连续网状分布，故使钢具有很大的脆性，塑性很低，强度也随之降低。 图 7.19 碳钢的机械性能与含碳量的关系 冲 击 值