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1、1.1第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.1 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 第第3 3章章铁铁 碳碳 合合 金金 1.2第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.2 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
2、面具有很重要的指导意义。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钢中的含碳量最多不超过2.11%2.11%，铸铁中的含碳量不超过，铸铁中的含碳量不超过5%5%，所以研究铁碳合金，所以研究铁碳合金时，仅研究时，仅研究Fe-Fe3C(Fe-Fe3C(含碳量为含碳量为0%0%6.69%)6.69%)部分，下面所讨论的铁碳合金相图，部分，下面所讨论的铁碳合金相图，实际上是实际上是Fe-Fe3CFe-Fe3C相图，是相图，是Fe-CFe-C相图的一部分。相图的
3、一部分。铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3CFe3C和石墨。在通常情况下，碳和石墨。在通常情况下，碳以渗碳体形式存在，即铁碳合金按以渗碳体形式存在，即铁碳合金按Fe-Fe3CFe-Fe3C系转变。但是系转变。但是Fe3CFe3C是一个亚稳相，在是一个亚稳相，在一定条件下可以分解为一定条件下可以分解为Fe(Fe(实际上是以铁为基的固溶体实际上是以铁为基的固溶体)和石墨，所以石墨是碳和石墨，所以石墨是碳存在的更稳定状态。因此，铁碳相图存在存在的更稳定状态。因此，铁碳相图存在Fe-Fe3CFe-Fe3C和和Fe-Fe-石墨两种形式，本章仅石墨两种形式，本章
4、仅研究研究Fe-Fe3CFe-Fe3C相图。相图。教学要求：通过本章的学习，使学生在掌握教学要求：通过本章的学习，使学生在掌握Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中点、线及各相区相图中点、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。组成物与相组成物的形态和性能特点。1.3第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.3 3.1 3.
5、1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析 3.3 3.3 铁碳合金平衡结晶过程及组织铁碳合金平衡结晶过程及组织 3.4 3.4 铁碳合金的成分铁碳合金的成分组织组织性能之间的关系性能之间的关系 3.5 Fe-Fe3C3.5 Fe-Fe3C相图的应用相图的应用 本章内容本章内容1.4第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.43.1 3.1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相3.1.1 3.1.1 纯铁纯铁 铁是元素周期表上第铁是元素周期表上第2626号元素，原子量为号元素，原子量为55.8555.85，属于过渡族
6、元素。在常压下于，属于过渡族元素。在常压下于15381538熔熔化，化，27382738气化。铁在气化。铁在2020时的密度为时的密度为7.87g/cm37.87g/cm3。1 1.铁的同素异晶转变铁的同素异晶转变 铁具有多晶型性，图铁具有多晶型性，图3.13.1是铁的冷却曲线。是铁的冷却曲线。由图可以看出，纯铁在由图可以看出，纯铁在15381538结晶为结晶为-Fe-Fe，X X射射线分析表明，它具有体心立方晶格。当温度继续线分析表明，它具有体心立方晶格。当温度继续冷却至冷却至13941394时，时，-Fe-Fe转变为面心立方晶格的转变为面心立方晶格的-Fe-Fe，通常把，通常把-Fe-Fe
7、-Fe-Fe的转变称为的转变称为A A4 4转变，转变，转变的平衡临界点称为转变的平衡临界点称为A A4 4点。当温度继续冷却至点。当温度继续冷却至912912时，面心立方晶格的时，面心立方晶格的-Fe-Fe又转变为体心立又转变为体心立方晶格的方晶格的-Fe-Fe，把，把-Fe-Fe-Fe-Fe的转变称为的转变称为A A3 3转变，转变的平衡临界点称为转变，转变的平衡临界点称为A A3 3点。点。912912以下，以下，铁的晶体结构不再发生变化。因此，铁具有三种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，即同素异晶状态，即-Fe-Fe、-Fe-Fe和和-Fe-Fe。图图3.1 3.
8、1 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1.5第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.5 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3.23.2为纯铁重为纯铁重结晶后所得到的组织示意图。其中图结晶后所得到的组织示意图。其中图3.2(a)3.2(a)为结晶后形成的为结晶后形成的-Fe-Fe晶粒，图晶粒，图3.2(b)3.2(b)表示通过重结晶后表示通过重结晶后(A A4 4转变转变)由由-Fe-Fe晶粒转
9、变成的晶粒转变成的-Fe-Fe晶粒，图晶粒，图3.2(c)3.2(c)为最后又经过一次重结晶为最后又经过一次重结晶(A A3 3转变转变)后的后的-Fe-Fe晶粒。晶粒。-Fe-Fe的晶核大小显然与的晶核大小显然与-Fe-Fe晶粒大小有关，当然也与晶粒大小有关，当然也与A A3 3转变的条件有关。由此可见，铁的多晶型转转变的条件有关。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。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，应当指出，-Fe-Fe在在770770还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温
10、的铁磁性状态。通常把这种磁性转变称为为低温的铁磁性状态。通常把这种磁性转变称为A A2 2转变，把磁性转变温度称为转变，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。变。3.1 3.1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相1.6第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.6 (a)(a)初生的初生的-Fe-Fe晶粒晶粒 (b)(b)重结晶后的重结晶后的-Fe-Fe晶粒晶粒 (c)A3(c)A3转变后的转变后的-Fe-Fe晶粒晶粒图图3.2 3.2 纯铁结晶后的组织纯铁结晶后的
11、组织3.1 3.1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相1.7第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.73.1 3.1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相2.2.铁素体与奥氏体铁素体与奥氏体 铁素体是碳溶于铁素体是碳溶于-Fe-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格，常用符号中的间隙固溶体，为体心立方晶格，常用符号F F或或表示。奥氏体是碳溶于表示。奥氏体是碳溶于-Fe-Fe中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号A A或或表示。铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。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
12、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%(2.11%(在温度为在温度为11481148时时)，而铁素体的最大溶碳量仅为，而铁素体的最大溶碳量仅为0.0218%(0.0218%(在温度为在温度为727727时时)，在室温下的溶碳能力更低，一般在，在室温下的溶碳能力更低，一般在0.008%0.008%以下。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，较大的溶
13、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，-Fe-Fe的晶格常数的晶格常数(950(950时时)为为0.36563nm0.36563nm，其八面体间隙半径为，其八面体间隙半径为0.535nm0.535nm，和碳，和碳原子半径原子半径0.77nm0.77nm比较接近，所以碳在奥氏体中的溶解度较大。比较接近，所以碳在奥氏体中的溶解度较大。-Fe-Fe在在2020时时的晶格常数为的晶格常数为0.28663nm0.28663nm，碳原子通常溶于八面体间隙中，而八面体的间隙半，碳原子通常溶于八面体间隙中，而八面体的间隙半径只有径只有0.01862nm0.01862nm，远小于碳的原子半径
14、，所以碳在铁素体中的溶解度很小。，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碳溶于体心立方晶格-Fe-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以中的间隙固溶体称为铁素体，以表示，于表示，于14951495时的最大溶碳量为时的最大溶碳量为0.09%0.09%。铁素体的性能与纯铁基本相同，居里点也是铁素体的性能与纯铁基本相同，居里点也是770770。奥氏体的塑性很好，。奥氏体的塑性很好，且具有顺磁性。且具有顺磁性。1.8第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.83.3.纯铁的性能与应用纯铁的性能与应用 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一般所谓的
15、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：如下：屈服强度屈服强度 ：98MPa98MPa166MPa166MPa 抗拉强度抗拉强度 ：176MPa176MPa274MPa274MPa 延伸率延伸率：30%30%50%50%断面收缩率断面收缩率：70%70%80%80%冲击韧性：冲击韧性：160J/cm2160J/cm2200J/cm2200J/cm2 硬度硬度(HB)(HB)：50HB50HB80HB80HB 纯铁有很好塑性和韧性，但其
16、强度和硬度很低，很少用作结构材料。纯铁的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。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 3.1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相1.9第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.93.1.2 3.1.2 碳与渗碳体碳与渗碳体图图3.3 3.3 渗碳体晶胞中的原子位置渗碳体晶胞中的原子位置3.1 3.1 铁碳合
17、金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相1.1.碳碳 碳的原子序数为碳的原子序数为6 6，原子量为，原子量为12.0112.01，原子半径，原子半径0.77nm0.77nm，2020时的密度为时的密度为2.25g/cm32.25g/cm3。自然界中，碳以石墨和金刚。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方层中邻近原子间距为0.142nm0.142nm，层间距，层间距为为0.340nm0.3
18、40nm，碳原子在六方层中具有很强，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。其硬度此石墨很容易沿着这些层滑动。其硬度很低，只有很低，只有3HB3HB5HB5HB，而塑性几乎接近，而塑性几乎接近于零。铁碳合金中的石墨常用符号于零。铁碳合金中的石墨常用符号G G或或C C表示。表示。1.10第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.102.2.渗碳体渗碳体 在铁碳合金中，铁与碳可以形成间隙化合物在铁碳合金中，铁与碳可以形成间隙化合物Fe3CFe3C，其含碳量为，其含碳量为6.69%6.69%，称，称为渗碳体，可用符号
19、为渗碳体，可用符号CmCm表示，是铁碳合金中重要的基本相。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 a0.4524nm0.4524nm，b b0.5089nm0.5089nm，c c0.6743nm0.6743nm。图。图3.33.3是渗碳体晶胞的立体图，其中含有是渗碳体晶胞的立体图，其中含有1212个个铁原子和铁原子和4 4个碳原子，符合个碳原子，符合FeCFeC3131的关系。为了进一步分析渗碳体的结构特的关系。为了进一步分析渗碳体的结构特征，图征，图3.4(a)3.4(a)画出了画出
20、了4 4个渗碳体晶胞沿个渗碳体晶胞沿001001方向的俯视图。图中较大的方向的俯视图。图中较大的圆圈表示铁原子，较小的圆圈表示碳原子。用双圈画的是圆圈表示铁原子，较小的圆圈表示碳原子。用双圈画的是(X X,Y Y)坐标完全相同，坐标完全相同，但但Z 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 Z坐标不同坐标不同的铁、碳原子。由图中可以看出，每个碳原子周围有的铁、碳原子。由图中可以看出，每个碳原子周围有6 6个铁原子，这个铁原子，这6 6个铁原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。这样的一个单独子组成一个三
21、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三角棱柱如图3.4(b)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，每个三角棱柱有柱所共有。因此，每个三角棱柱有3 3个铁原子和个铁原子和1 1个碳原子，构成个碳原子，构成Fe3CFe3C分子。分子。这样的三角棱柱共有两层这样的三角棱柱共有两层(见图见图3.4(a)3.4(a)，用虚线连接的是下面的一层，用点，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。画线连接的则是上面的一层。3.1 3.1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相
22、1.11第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.11图图3.4 3.4 渗碳体晶胞中的原子数渗碳体晶胞中的原子数3.1 3.1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 渗渗碳碳体体具具有有很很高高的的硬硬度度，约约为为800HB800HB，但但塑塑性性很很差差，伸伸长长率率接接近近于于零零。渗渗碳碳体体于于低低温温下下具具有有一一定定的的铁铁磁磁性性，但但是是在在230230以以上上，铁铁磁磁性性就就消消失失了了，所所以以230230是是渗渗碳碳体体的的磁磁性性转转变变温温度度，称称为为A A0 0转转变变。根根据据理理论论计计算算，渗渗碳碳体体的的熔熔点点为为l227l227。1.
23、12第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.12 图图3.53.5是是Fe-Fe3CFe-Fe3C相相图图，图图中中各各特特征征点点的的温温度度、碳碳的的浓浓度度及及意意义义见见表表3-13-1。各特征点的符号是国际通用的，不能随意更换。各特征点的符号是国际通用的，不能随意更换。3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析3.2.1 3.2.1 相图中的点、线、区及其意义相图中的点、线、区及其意义图图3.5 Fe-Fe3C3.5 Fe-Fe3C相图相图1.13第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.13相图上的液相线是相图上的液相线是ABCDABCD，固相线是，固相线是
24、AHJECFAHJECF，相图中有五个单相区，分别是：，相图中有五个单相区，分别是：ABCDABCD以上以上液相区液相区(L)(L)AHNAAHNA固溶体区固溶体区()()NJESGNNJESGN奥氏体区奥氏体区()()GPQGGPQG铁素体区铁素体区()()DFKLDFKL渗碳体区渗碳体区(Fe3C(Fe3C或或Cm)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：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：ABJHAABJHA液相液相固溶体区固溶体区(L(L)JBCEJJBCEJ液相奥氏体区液相奥氏体区(L(L)DCFDDCFD液相
25、渗碳体区液相渗碳体区(L(LFe3C)Fe3C)HJNHHJNH固溶体奥氏体区固溶体奥氏体区()GSPGGSPG铁素体奥氏体区铁素体奥氏体区()ECFKSEECFKSE奥氏体渗碳体奥氏体渗碳体(Fe3C)Fe3C)3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1.14第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.14相图上有两条磁性转变线：相图上有两条磁性转变线：MOMO铁素体的磁性转变线铁素体的磁性转变线过过230230的虚线的虚线渗碳体的磁性转变线渗碳体的磁性转变线相图上有三条水平线，分别是：相图上有三条水平线，分别是：HJBHJB包晶转变线包晶转变线ECFECF共晶转变线共晶
26、转变线PSKPSK共析转变线共析转变线下面围绕三条水平线分三个部分进行分析。下面围绕三条水平线分三个部分进行分析。3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1.15第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.15表表3-1 3-1 铁碳合金相图中的特征点铁碳合金相图中的特征点纯铁纯铁的熔点的熔点包晶包晶转变时转变时液相成分液相成分共晶点共晶点渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在碳在中最大溶解度中最大溶解度渗碳体的成分渗碳体的成分A A3 3转变温度转变温度碳在碳在包晶点包晶点渗碳体的成分渗碳体的成分纯铁纯铁的磁性的磁性转变转变温度温度A A4 4转变转变温度温度w wC C0.5%0
27、.5%时时磁性磁性转变转变温度温度 碳在碳在中最大溶解度中最大溶解度 共析点共析点(A A1)1)600 600时碳在时碳在符符号号温度温度/w wC C/%/%说说 明明符号符号温度温度/w wC C/%/%说说 明明A AB BC CD DE EF FG GH H153815381495149511481148122712271148114811481148912912149514950 00.530.534.304.306.696.692.112.116.696.690 00.090.09 中最大溶解度中最大溶解度J JK KM MN NO OP PS SQ Q1495149572772
28、7770770139413947707707277277277276006000.170.176.696.690 00 00.50.50.02180.02180.770.770.00570.0057 中的溶解度中的溶解度3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1.16第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.16 在在14951495的恒温下，含碳量为的恒温下，含碳量为0.53%0.53%的液相与含碳量为的液相与含碳量为0.09%0.09%的的铁素体发生包铁素体发生包晶反应，形成含碳量为晶反应，形成含碳量为0.17%0.17%的奥氏体，其反应式为的奥氏体，其反应式为 LB
29、LBHH JJ 进行包晶反应时，奥氏体沿进行包晶反应时，奥氏体沿相与液相的界面形核，并向相与液相的界面形核，并向相和液相两个方向相和液相两个方向长大。包晶反应终了时，长大。包晶反应终了时，相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量在相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量在0.09%0.09%0.17%0.17%之间的合金，由于之间的合金，由于铁素体的量较多，当包晶反应结束后，液相耗尽，仍铁素体的量较多，当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分残留一部分铁素体。这部分铁素体。这部分相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而变成相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而变成奥氏体。含碳量在奥氏体。含碳
30、量在0.17%0.17%0.53%0.53%之间的合金，由于反应前的之间的合金，由于反应前的相较少，液相较多，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，凡是含碳量在成奥氏体。可见，凡是含碳量在0.09%0.09%0.53%0.53%的合金，都要经历包晶转变过程，而的合金，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。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。3.2.2 3.2.2 包晶转变包晶转变(水平线水平
31、线HJBHJB)3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1.17第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.17 对于含碳量低于对于含碳量低于0.09%0.09%的合金，在按匀晶转变凝固为的合金，在按匀晶转变凝固为固溶体之后，继续固溶体之后，继续冷却时将在冷却时将在NHNH与与NJNJ线之间发生固溶体的同素异晶转变，转变为单相奥氏体。含线之间发生固溶体的同素异晶转变，转变为单相奥氏体。含碳量在碳量在0.53%0.53%2.11%2.11%之间的合金，按匀晶转变后，组织也是单相奥氏体。之间的合金，按匀晶转变后，组织也是单相奥氏体。总之，含碳量低于总之，含碳量低于2.11%2.
32、11%的合金在冷却过程中，都可在一定的温度区间内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。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，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。造成严重的包晶偏析。3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1.18第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.18 Fe-F
33、e3CFe-Fe3C相图上的共晶转变是在相图上的共晶转变是在11481148的恒温下，由含碳量为的恒温下，由含碳量为4.3%4.3%的液相的液相转变为含碳量为转变为含碳量为2.11%2.11%的奥氏体和含碳量为的奥氏体和含碳量为6.69%6.69%的渗碳体组成的混合物。其反的渗碳体组成的混合物。其反应式为应式为 LC LC Fe3CFe3C 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，称为莱氏体，用共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，称为莱氏体，用LdLd表示。在莱表示。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
34、的基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。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莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量可用杠杆定律求出 52%52%1-52%1-52%48%48%含碳量在含碳量在2.11%2.11%6.69%6.69%之间的合金，都要进行共晶转变，这类合金叫做铸之间的合金，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。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。3.2.3 3.2.3 共晶转变共晶转变(水平线水平线ECFECF)3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe
35、-Fe3C相图分析相图分析1.19第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.19 其中，碳含量在其中，碳含量在2.11%2.11%4.30%4.30%之间的合金叫亚共晶白口铸铁。这类合金由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，从液相开始凝固时，从BCBC线开始析出先共晶奥氏体，然后剩余液相在共晶温度通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共晶温度11481148与共析温度与共析温度727727之间，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中
36、的碳含之间，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中的碳含量都将从量都将从2.11%2.11%降至降至0.77%0.77%，并析出二次渗碳体，并析出二次渗碳体(用用Fe3CFe3C表示表示)，随后又都在，随后又都在727727转变为珠光体。转变为珠光体。含碳量为含碳量为4.3%4.3%6.69%6.69%范围内的合金叫过共晶白口铸铁。这类合金冷却时，范围内的合金叫过共晶白口铸铁。这类合金冷却时，冷却到冷却到CDCD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，也称为一次渗碳体晶转变为莱氏体。先共晶
37、渗碳体呈板片状，也称为一次渗碳体(用用Fe3C)Fe3C)。3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1.20第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.20 Fe-Fe3CFe-Fe3C相图上的共析转变是在相图上的共析转变是在727727恒温下，由含碳量为恒温下，由含碳量为0.77%0.77%的奥氏体的奥氏体转变为含碳量为转变为含碳量为0.0218%0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物，其反应式为的铁素体和渗碳体组成的混合物，其反应式为 ss Fe3CFe3C 共析转变的产物称为珠光体，用符号共析转变的产物称为珠光体，用符号P P表示。共析转变的水平线表示。共析转变的
38、水平线PSKPSK，称为，称为共析线或共析温度，常用符号共析线或共析温度，常用符号A A1 1表示。凡是含碳量大于表示。凡是含碳量大于0.0218%0.0218%的铁碳合金都的铁碳合金都将发生共析转变。将发生共析转变。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：用杠杆定律进行计算：=100%=88.7%100%=88.7%=1-88.7%=11.3%=1-88.7%=11.3%渗碳体与铁素体含量的比值为渗碳体与铁素体含量的比值为 /1/8/1/8。这就是说，如果忽略铁。这就是说，如果忽略铁素
39、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 8倍，在金相倍，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。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。3.2.4 3.2.4 共析转变共析转变(PSKPSK线线)3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1.21第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.21(a)500(a)500 (b)1000 (b)1000图图3.6 3.6 不同放大倍数下的珠光体不同放大倍数下的珠光体 图图3.63.6是不同放大倍数下的珠光
40、体组织照片。珠光体组织中片层排列方向相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。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。3.2 Fe-Fe3C3.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1.22第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.223.2.5 Fe-Fe3C3.2.5 Fe-Fe3C相图中三条重要的特征线相图中三条重要的特征线3.2 Fe-Fe3C3.
41、2 Fe-Fe3C相图分析相图分析1 1.GSGS线线 GSGS线又称线又称A A3 3线，它是在冷却过程中，由奥氏体析出铁素体的开始线，或者线，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，说在加热过程中，铁素体溶入奥氏体的终了线。实际上，GSGS线是由线是由G G点点(A A3)3)演变演变而来的，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，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，从而由从而由A A3 3点变成了点变成了A A3 3线。线。2.2.ESES线线 ESES线是碳在奥氏体中的溶
42、解度曲线。当温度低于此曲线时，从奥氏体中析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。开始线。ESES线又叫线又叫A Acmcm线。线。由相图可以看出，由相图可以看出，E E点表示奥氏体的最大溶碳量，即奥氏体的含碳量在点表示奥氏体的最大溶碳量，即奥氏体的含碳量在11481148时为时为2.11%2.11%，其物质的量比相当于，其物质的量比相当于9.1%9.1%。可以表明，此时铁与碳的物质的。可以表明，此时铁与碳的物质的量比差不多是量比
43、差不多是101101，相当于，相当于2.52.5个奥氏体晶胞中才有个奥氏体晶胞中才有1 1个碳原子。个碳原子。3 3.PQPQ线线 PQPQ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727727时达到最大值为时达到最大值为0.0218%0.0218%。随着温度的降低，铁素体的溶碳量逐渐降低，在。随着温度的降低，铁素体的溶碳量逐渐降低，在300300以下，溶碳量小于以下，溶碳量小于0.001%0.001%。因此，当铁素体从。因此，当铁素体从727727冷却下来时，要从铁冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，
44、通常用素体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，通常用Fe3CFe3C表示。表示。1.23第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.23 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%0.0218%的为的为 工业纯铁，含碳量在工业纯铁，含碳量在0.0218
45、%0.0218%2.11%2.11%的为碳钢，含碳量大于的为碳钢，含碳量大于2.11%2.11%的为铸铁。的为铸铁。Fe-Fe3CFe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以系结晶的铸铁，碳以Fe3CFe3C形式存在，断口呈亮白色，称为白口铸铁。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。根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型。工业纯铁：含碳量低于工业纯铁：含碳量低于0.0218%0.0218%；共析钢：含碳量为共析钢：含碳量为0.77%0.77%；亚共析钢：含碳量为亚共析钢：含碳量为0.0218%0.0218%0.77%0.77%；过共析钢：含碳量为过共
46、析钢：含碳量为0.77%0.77%2.11%2.11%；共晶白口铸铁：含碳量为共晶白口铸铁：含碳量为4.30%4.30%；亚共晶白口铸铁：含碳量为亚共晶白口铸铁：含碳量为2.11%2.11%4.30%4.30%；过共晶白口铸铁：含碳量为过共晶白口铸铁：含碳量为4.30%4.30%6.69%6.69%。3.3 3.3 铁碳合金平衡结晶过程及组织铁碳合金平衡结晶过程及组织1.24第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.24 现现从从每每种种类类型型中中选选择择一一种种合合金金来来分分析析其其平平衡衡结结晶晶过过程程和和组组织织，所所选选合合金金的的成分在相图上的位置如图成分在相图上的位置如图3
47、.73.7所示。所示。图图3.7 3.7 典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析 3.3 3.3 铁碳合金平衡结晶过程及组织铁碳合金平衡结晶过程及组织1.25第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.253.3.1 3.3.1 工业纯铁工业纯铁(含碳量小于含碳量小于0.0218%)0.0218%)以含碳量为以含碳量为0.01%0.01%的合金的合金为例，其结晶过程如图为例，其结晶过程如图3.83.8所示。合金熔液所示。合金熔液在在1 12 2点温度区间内，按匀晶转变结晶出点温度区间内，按匀晶转变结晶出固溶体，固溶体，固溶体冷却至固溶体冷却至3 3点时，点时，
48、开始发生固溶体的同素异晶转变开始发生固溶体的同素异晶转变。奥氏体的晶核通常优先在。奥氏体的晶核通常优先在相界相界上形成并长大，这一转变在上形成并长大，这一转变在4 4点结束，合金全部变成单相奥氏体。奥氏体冷点结束，合金全部变成单相奥氏体。奥氏体冷却到却到5 5点时又发生同素异晶转变点时又发生同素异晶转变。同样，铁素体也是在奥氏体晶界上。同样，铁素体也是在奥氏体晶界上优先形核，然后长大。当温度达到优先形核，然后长大。当温度达到6 6点时，奥氏体全部转变为铁素体。铁素点时，奥氏体全部转变为铁素体。铁素体冷却到体冷却到7 7点时，碳在铁素体中的溶解量达到饱和，因此，当将铁素体冷却点时，碳在铁素体中的
49、溶解量达到饱和，因此，当将铁素体冷却到到7 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体。工业纯铁的室温组织如图3.93.9所示。所示。3.3 3.3 铁碳合金平衡结晶过程及组织铁碳合金平衡结晶过程及组织1.26第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.26图图3.8 3.8 含碳量为含碳量为0.0218%0.0218%的工业纯铁结晶过程示意图的工业纯铁结晶
50、过程示意图3.3 3.3 铁碳合金平衡结晶过程及组织铁碳合金平衡结晶过程及组织1.27第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.27图图3.9 3.9 工业纯铁室温组织工业纯铁室温组织3.3 3.3 铁碳合金平衡结晶过程及组织铁碳合金平衡结晶过程及组织1.28第第3 3章章 铁铁 碳碳 合合 金金 1.28 在室温下，析出三次渗碳体量最多的是含碳量为在室温下，析出三次渗碳体量最多的是含碳量为0.0218%0.0218%的铁碳合金，其的铁碳合金，其含碳量可用杠杆定律求出含碳量可用杠杆定律求出 100%100%0.33%0.33%而含碳量为而含碳量为0.01%0.01%的工业纯铁室温下三次渗碳体