第3章 铁碳合金相图 (3) 奥氏体。用符号A表示，是碳溶入γ-Fe中形成的间隙固 溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃ 时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于 塑性变形(δ= 40%～50%)。故在轧钢或锻造时，为使钢易于进 行变形，常把钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。
第3章 铁碳合金相图
第3章 铁碳合金相图
3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相 3.2 铁碳合金相图分析 3.3 铁碳合金相图的应用 知识窗——金相观察 金相观察 知识窗 学习指导 自测习题
第3章 铁碳合金相图
3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相
3.1.1 纯铁的同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金 属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等 金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下存在两种或两种 以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过 程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变， 由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
第3章 铁碳合金相图 PSK水平线为共析反应线，S点为共析点。合金在平衡结晶 过程中冷却到727℃时，S点成分的奥氏体发生共析反应，生成P 点成分的铁素体和Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中 奥氏体、铁素体、Fe3C三相共存。共析转变的表达式如下：
A S →(FP + F3C)
727CC
第3章 铁碳合金相图 (5) 珠光体(合金的一种基本组织)。它是铁素体和渗碳体 组成的机械混合物，用符号P表示。珠光体的含碳量为0.77%。 由于渗碳体在混合物中起强化作用，因此，珠光体有着良好 的力学性能，如其抗拉强度高，硬度较高且仍有一定的塑性 和韧性。珠光体在显微镜下呈片层状，如图3-2所示。图中黑 色层片为渗碳体，白色基体为铁素体。
第3章 铁碳合金相图 ES线是碳在奥氏体中的固溶线，通常叫做Acm线。由于在 1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%，而在727℃时仅为0.77%， 因此碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷却至727℃的过程 中，将从奥氏体中析出Fe3C，析出的渗碳体称为二次渗碳体 (Fe3CII)。 PQ线是碳在铁素体中的固溶线。在727℃时F中溶碳量最大 可达0.0218%，室温时仅为0.0008%，因此，含碳量大于 0.0008%的铁碳合金自727℃冷却至室温的过程中，将从F中析 出Fe3C，析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳 体数量极少，对钢铁性能的影响可以忽略不计。为了初学者方 便，可将铁碳相图的左下角简化。
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。它是奥氏体和渗碳体的 机械混合物，由于其中的奥氏体属高温组织，这时称高温莱氏 体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷却到727℃以下时，将转变 为珠光体和渗碳体的机械混合物(P+Fe3C)，称低温莱氏体，用 符号Ld′表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
第3章 铁碳合金相图 (4) 渗碳体相。渗碳体是Fe与C形成的一种具有复杂结构的 间隙化合物，含碳量为6.69%，通常称为渗碳体，用Fe3C(或Cm) 表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。它的硬度极高，可以 刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。 渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件呈条状、网状、片 状、粒状等不同形态，其数量、形态和分布对铁碳合金的力学 性能有很大影响。
第3章 铁碳合金相图 ECF水平线为共晶反应线，C点为共晶点。合金在平衡结晶 过程中冷却到1148℃时，C点成分的液相发生共晶反应，生成E 点成分的奥氏体和Fe3C。共晶反应在恒温下进行，共晶转变的 表达式如下：
LC 1148CC →(A E + F3C)
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物，称莱氏 体，以符号Ld表示。含碳量在2.11%～6.69%之间的铁碳合金， 在平衡结晶过程中均发生共晶反应。
第3章 铁碳合金相图 3.2.2 典型合金结晶过程分析 1．铁碳合金的分类 ． 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： (1) 工业纯铁(wC≤0.0218%)。 (2) 钢(0.0218%＜wC≤2.11%)。钢分为亚共析钢(0.0218%＜ wC＜0.77%)、共析钢(wC=0.77%)和过共析钢(0.77%＜wC≤2.11% ＝。 (3) 白口铸铁(2.11%＜wC＜6.69%)。白口铸铁分为亚共晶白 口铸铁(2.11%＜wC＜4.3%)、共晶白口铸铁(wC=4.3%)和过共晶白 口铸铁(4.3%＜wC＜6.69%)。
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图3-7 亚共析钢显微组
第3章 铁碳合金相图 3) 过共析钢的结晶过程 过共析钢的冷却过程如图3-4中的合金Ⅲ线所示，以含碳量 为1.2%的铁碳合金为例，其结晶过程如图3-8所示。
图3-8 过共析钢的结晶过程示意图
第3章 铁碳合金相图 合金冷却时，从1点起自L中结晶出A，至2点全部结晶完了。 在2～3点间A不变，从3点起由A中析出Fe3CII，Fe3CII呈网状分 布在A晶界上。至4点时A的含碳量降为0.77%，发生共析反应 转变为P，而Fe3CII不变化。在4～5点间冷却时组织不发生转变， 即 L—→L＋A—→A—→A＋Fe3CII—→P＋Fe3CII(网状) 因此室温平衡组织为P＋Fe3CII。其显微组织如图3-9所示。 Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。
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图3-2 珠光体的显微组织
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3.2 铁碳合金相图分析
铁碳合金相图是以温度为纵坐标、含碳量为横坐标绘制的 图形，如图3-3所示(这里将左上角进行了简化)。它是研究钢和 铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工工艺的制定也具 有重要的指导意义。由于含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极 大，没有使用价值，因而有实用意义并被深入研究的只是FeFe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和 Fe3C。
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图3-1 纯铁的冷却曲线
第3章 铁碳合金相图 纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结 晶的一般规律：有一定的平衡转变温度(相变点)；转变时需要 过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。 但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比在液态下困难得 多，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变 时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。例如，γ-Fe转 变为α-Fe时，它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件 变形和开裂。 纯铁的磁性转变温度为770℃。磁性转变不是相变，晶格 不发生转变。
第3章 铁碳合金相图 图3-1所示为纯铁的冷却曲线。液态纯铁在1538℃进行结 晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe。继续冷却到1394℃时发生 同素异构转变，成为面心立方晶格的γ-Fe。再冷却到912℃时 又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的α-Fe。正因为 纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组 织和性能成为可能。
第3章 铁碳合金相图 表3-1 铁碳合金相图各特性点的说明
符号 A C D E F G P S 温度/℃ 1538 1148 1227 1148 1148 912 727 727 含碳量/% 0 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.0218 0.77 含 义
纯铁的熔点 共晶点 LC? ? (AE+Fe3C) Fe3C 的熔点 碳在 γ-Fe 中的最大溶解度 共晶生成 Fe3C 的成分 α-Fe? ? γ-Fe 同素异构转变点 碳在 α-Fe 中的最大溶解度 共析点 AS? ? (F P+Fe3C)
第 铁碳合金相图 (2) 相图中的特性线。相图中各条线都表示铁碳合金发生组 织转变的界限，这些线就是组织转变线，又称作特性线。下面 简单介绍一下主要特性线的含义。 ACD线为液相线。此线以上的区域是液相区，液态合金冷 却到此线温度时，便开始结晶。 AECF线为固相线。表示合金冷却到此线温度时将全部结晶 成固态。 液相线和固相线之间所构成的两个区域，是由液态合金和 结晶体组成的两相区。不过，这两个区所包含的结晶体不同， 液态合金沿AC线结晶出来的是奥氏体，而沿CD线结晶出来的是 渗碳体。由液态合金直接析出的渗碳体称为一次渗碳体(Fe3CI)。
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图3-3 Fe-Fe3C相图
第3章 铁碳合金相图 3.2.1 图形分析 铁碳合金相图中有四个基本相，即液相(L)、奥氏体(A)、 铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)。它们各有其相应的单项区。 (1) 相图中的特性点。在铁碳合金相图中，用字母标出的 点都有其特定的意义，称作特性点。主要特性点的温度、含碳 量及含义见表3-1。
共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光 体，以符号P表示。含碳量为0.0218%～6.69%的铁碳合金，在平 衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。 GS线是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的临界温度 线，通常称A3线。奥氏体之所以转变成铁素体是γ-Fe→α-Fe同素 异晶转变的结果。
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图3-9 过共析钢的显微组织
第3章 铁碳合金相图 3．白口铸铁(2.11%＜wC＜6.69%)的结晶过程 ．白口铸铁 ＜ 的结晶过程 1) 亚共晶白口铁(以合金Ⅴ为例) 合金Ⅴ冷却到1点(在AC线上)，从液态中先结晶出奥氏体A， 温度下降到2点(共晶线上)时，剩余液相转变为高温莱氏体(Ld)， 先结晶的A在温度继续下降时转变为P＋Fe3CII，而莱氏体也转变 为低温莱氏体(Ld′)，即 L—→L＋A—→A＋Ld—→P＋Fe3CII＋Ld′ 因此，亚共晶白口铁室温组织P＋Fe3CII＋Ld′，如图3-10(a) 所示。
第3章 铁碳合金相图 2．钢的结晶过程分析 ．
图3-4 典型铁碳合金的结晶过程分析
第3章 铁碳合金相图 1) 共析钢的结晶过程 共析钢的冷却过程如图3-4中的合金Ⅰ线所示，含碳量为 0.77%，其结晶过程如图3-5所示。