图3-1 渗碳体的晶体结构第三章 铁碳合金状态图钢和铸铁是机械工业上广泛应用的金属材料，它主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。

铁碳合金状态图就是研究铁碳合金的成分、温度和组织之间变化关系的图解。

第一节 铁碳合金的基本组织铁碳合金在液态时，铁和碳可以无限互溶，在固态时碳能溶解于铁的晶格中，形成间隙固溶体。

当含量超过铁的溶解度时，多余的碳与铁形成化合物(Fe 3C)。

此外，还可以形成由固溶体与化合物组成机械混合物。

铁碳合金的基本组织有以下五种。

一、铁素体(F)铁素体是指碳溶于a-Fe 中而形成的间隙固溶体。

碳在a-Fe 中溶解度极小，在727℃时最大溶解度为0．0218％，而在室温时只有0．008％。

因此，铁素体强度、硬度较低(σb =l80～280MPa 。

50～80HBS)，塑性，韧性较好(δ=30％～500%、αkU =160—200J ／cm 2)。

铁索体组织适于压力加工。

二、奥氏体(A)奥氏体是指碳溶于γ-Fe 碳在γ—Fe 中而形成的间隙固溶体。

溶解度较大，在1148℃时最大溶碳量为2.11％，在727℃时最大溶碳量为0．77％。

因此，固溶强化效应较高，其强度、硬度较高(σb =400 MPa ，160—200HBS)．而塑性、韧性也较好(δ=40％～50％)。

奥氏体组织也适用于压力加工。

三、渗碳体(Fe 3C)渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，化学式近似于Fe 3C(碳化三铁)。

Fe 3C 的含碳量为6.69%，如图3—1所示。

它无同素异构转变，熔点约为1227℃。

其硬度极高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0、αku ≈0)，即硬而脆。

渗碳体不能单独使用，只能作为强化相存在于铁碳合金中。

它的数量、形态(片状、粒状、网状等)、大小和分布对合金的性能产生不同的影响。

四、珠光体(P)珠光体是指奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形状为铁索体薄层和碳化物(包括渗碳体)薄层交替重叠的层状复相物。

珠光体组织是由铁索体(软)和=770MPa)较高，硬度渗碳体(硬)复相组成的混合物，平均含碳量为0．77％。

其强度(ab≈40J／cm2)，是一种综合(180HBS)适中，有一定的塑性(δ≈20％一35％)和韧性(αkU力学性能较好的组织。

珠光体适于压力加工及切削加工。

五、莱氏体(Ld和Ld')莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变所形成的奥氏体和碳化物(或渗碳体)所组成的共晶体。

莱氏体分为：高温莱氏体(LD)和低温莱氏体(Ld`)。

高温莱氏体是指含碳量大于2．11％的铁碳合金，从液态缓冷至1148℃时，从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体呈均匀分布的复相组成的机械混合物。

低温莱氏体是指在727℃以下，由高温莱氏体中的奥氏体转变为珠光体，则由珠光体和渗碳体呈均匀分布的复相组成的机械混合物。

莱氏体组织由于含碳量高(Wc=4.3％)， FeC相对量也较多(约占64％以上)，故莱3氏体的性能与渗碳体相似，即硬而脆。

第二节铁碳合金状态图铁碳合金状态图是用热分析法通过实验而获得的，因为含碳量大于6．69％的铁碳合金在工业上无实用价值，并常用Fe-Fe3C状态图表示，如图3-2所示。

为了便于研究C状态图图3-2 Fe-Fe3分析，我们把Fe-FeC状态图进行简化，如图3-3所示。

铁碳合金状态图是研究钢3铁材料的理论依据。

因此，掌握铁碳合金状态图具有十分重要的意义。

C状态图分析一、Fe-Fe3(一)状态图上的主要特性点(如表3—1所示)表3-1 Fe-FeC状态图主要特性点3(二)状态图上的主要特性线 四条曲线：1．ACD 线 它是液相线，在此线以上所有铁碳合金处于液体状态，冷却时含碳量小图3-3 简化后的Fe-Fe 3C 状态图于4．3％的合金在AC 线开始结晶出奥氏体，大于4．3％的合金在CD 线开始结晶出Fe 3C ，称一次渗碳体，用Fe3C I 表示。

2．AE 线 它是固相线，钢液冷却到此曲线温度时，全部结晶为奥氏体。

3．CS(A 3)线 它是亚共析钢(W C <0.77％)冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始线。

也是同素异构转变的开始线。

4．ES 线(Acm )线 它是碳在奥氏体中的溶解度曲线。

温度在1148℃时，奥氏体的溶碳能力最大为2.11％。

随着温度降低，溶解度沿此线降低，到727℃时，奥氏体的溶碳量为0.77％，大于0.77％的合金，冷却到此曲线时，析出二次渗碳体，用Fe 3C II 表示。

两条重要的水平(恒温)线：1． CF 线 它是固相线，又称共晶线，温度为1148℃。

并发生共晶转变，其共晶转变过程可用下式表达：C F A L e 311.211483.4+−−→←从上表达式可知：当含碳量为4．3％的液相合金，温度在1148℃时生成奥氏体与渗碳体的机械混合物，此共晶混合物称为高温莱氏体(Ld)，在727℃以下时转变为低温莱氏体2．PSK 线(A 1线) 它是共析线，温度为727℃。

合金冷却到此温度时奥氏体向珠光体转变。

其共析转变过程可用下式表达：C F F A e C30218.072777.00+−−→←共析转变结果形成了铁索体与渗碳体的机械混合物，即珠光体(P)。

在A 1线以下，奥氏体将全部转变为珠光体。

(三)状态图上主要相区 由图3-3可知，主要相区有：1．钢部分 L 、A+L 、A 、F+A 、A+Fe 3C 2、F 、P 、F+P 、P+Fe 3C II 等相区。

2．白口生铁部分 L 、L+A 、L+Fe 3C I 、A+Fe 3C II +Ld 、Ld+Fe3C I 、P+Fe3C II +Ld ’ Ld 、Ld ’+Fe 3C l 相区。

二，铁碳合金结晶过程分析铁碳合金按其成分和组织不同，可分为以下类型：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧=⎪⎩⎪⎨⎧=-><<%)69.6~%3.4(%)3.4(%3.4~%11.2(%)11.2~%77.0(%)77.0(%77.0~%0218.0(%11.2(%)11.2(%)0218.0(在过共晶白口生铁共晶白口生铁在亚共晶白口生铁在过共析钢共析钢在亚共析钢铁碳合金白口生铁钢工业纯铁Wc Wc Wc Wc Wc Wc Wc Wc Wc 其中Wc 表示含碳量(或碳的质量分数、溶碳量)。

(一)钢部分1．共析钢(如图3-41) 共析钢含碳量为0．77％，当液体金属从高温缓冷到AC 线1点时，开始从液体中结晶出奥氏体组织，随温度降低奥氏体量逐渐增加，液体量逐渐减少。

当温度降低到AE 线2点时，剩余的液体全部转变为奥氏体。

温度继续下降，在2—3点间奥氏体成分不变。

降到3点时，此时温度达到了共析温度(727℃)，奥氏体向铁素体进行同素异晶转变，由于铁素体晶格溶碳能力极小，则同时析出FQC，即发生共析反应，生成铁素体与渗碳体层片相间的机械混合物，即共析组织为珠光体。

2．亚共析钢(如图3-4V) 现以含碳量为0．3％的白口生铁为例。

与上述同理，当液体缓冷至1一2点间，其组织为液体和奥氏体组织，2—3点间为单相奥氏体组织。

从3点开始析出铁索体，而随温度下降铁索体量逐渐增加，奥氏体的含碳量也随GS线逐渐增高。

当温度降到共析温度(727℃)4点时，奥氏体的碳含量增加到共析成分(Wc=0．77％)，此时奥氏体发生共析反应，生成共析组织为珠光体，当温度降至共析温度Al线以下时，得到的平衡组织是铁素体和珠光体。

3．过共析钢(如图3-4Ⅲ) 现以含碳量为1.2％的钢为例。

与上述同理，当液体缓冷至1—2点间时为液体和奥氏体组织，2—3点间为单相奥氏体组织，在3点奥氏体中溶碳量达到饱和，在3点以下奥氏体开始析出Fe3CII，随温度下降Fe3CII量逐渐增加，奥氏体的含碳量也随ES线逐渐增高。

当缓冷至共析温度(727℃)4点时，奥氏体的含碳量增加到共析成分(Wc=0.77％)，此时奥氏体发生共析反应，生成共析组织为珠光体，当温度降到共析温度线以下时，得到的平衡组织是珠光体和网状二次渗碳体。

图3-4 简化Fe-Fe3C状态图上几种典型合金的结晶过程(二)白口生铁部分1．共晶白口生铁(如图3-4Ⅳ) 共晶白口生铁含碳量为4．3％，当液体缓冷至共晶温度(1148℃)1点时，此时的液体将发生共晶反应生成共晶体组织为高温莱氏体(Ld)，继续缓冷至共析温度(727℃)2点时，其中Ld中的奥氏体发生共析转变生成珠光体，此时LD转变为LD’。

一直缓冷至室温，得到的平衡组织是LD’。

2．亚共晶白口生铁(图34V)现以含碳量为3％的白口生铁为例。

与上述同理，当液体缓冷至1—2点间，其组织为液体和奥氏体。

当温度降至共晶温度(1148℃)2点时，剩余的液体成分达到共晶成分(Wc=4．3％)，将发生共晶反应生成高温莱氏体。

继续缓冷至2—3点间，其组织为A+Fe3CII+Ld。

再继续缓冷至共析线3点以下时，得到的干衡组织是P+Fe3CII+Ld’。

3．过共晶白口生铁(如图3-4Ⅵ) 现以含碳量5％的白口生铁为例。

与上述同理，当液体合金缓冷至1一2点时，其组织为L+Fe3CI，，至共晶温度(1148℃)2点时，剩余液体成分达到共晶成分(Wc=4.3％)发生共晶反应生成高温莱氏体。

2—3点时，其组织为Ld+Fe3CI。

再继续缓冷至3点以下时，得到的平衡组织是Ld’+Fe3CI。

三、铁碳合金性能，成分与组织之间的关系室温下的铁碳合金成分、组织与性能有着密切的关系，铁碳合金的成分、组织及性能变化规律从图3-5中可以看出，铁碳合金的力学性能与成分大致为线性关系．硬度只受含碳量的影响，而受组织形态(片状、网状、条状)的影响不大。

强度不仅受含碳量的影响而且对组织形态比较敏感。

如当WC ≥0.77％时，由于Fe3CII沿晶界析出，使强度的增加趋势减缓，当Wc=0．9％时，Fe3CII沿晶界形成完整的网状形态，使强度呈迅速降低趋势，当Wc≥1．0％时，合金中大量出现网状渗碳体，强度很低。

总之，铁碳合金的组织与性能变化规律是：(1)铁碳合金的组织随着含碳量的增加，其铁素体相对量减少，珠光体相对量增多，渗碳体与莱氏体相对量增多；(2)铁碳合金的力学性能随着含碳量的增加，其强度、硬度增高，丽塑性、韧性降低。

但当Wc>1.0％时，因为有网状Fe3CII存在，所以强度下降。

图3-5 铁碳合金的成分、组织及性能的变化规律四、铁碳合金状态图的主要用途1.选材的重要理论依据。

根据合金的成分、组织与性能的变化规律，可按照零件或工具的性能要求，进行合理的选材。

2．制订热加工工艺规程的重要理论依据。

(1)铸造工艺根据液相线与固相线位置高低与距离判断合金的铸造性能，制订铸造工艺。

(2)锻造工艺根据不同成分的材料所对应的奥氏体区温度范围，确定锻造工艺的加热温度范围及锻造温度范围。