工程材料第3章铁碳合金相图

铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁
与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相，从而对 铁碳合金的组织和性能产生影响。
(1) 液相。用符号L表示，是铁碳合金在熔化温度以上形成
的均匀的液体。
第3章 铁碳合金相图 (2) 铁素体。用符号F表示，是碳溶解于α-Fe中形成的间隙 固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时 约为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时溶碳量最大， 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度、硬度低，塑性和韧性 良好。其力学性能与工业纯铁大致相同，即σb≈250 MPa、
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。
第3章 铁碳铁碳合金相图 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。
织和性能成为可能。
第3章 铁碳合金相图
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
(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。
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
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。
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? ? (FP+Fe3C)
第3章 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。
故其力学性能与渗碳体相近。
第3章 铁碳合金相图
图3-2 珠光体的显微组织
第3章 铁碳合金相图
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
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
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
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，
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 3.1.2 铁碳合金的基本相和基本组织 在铁碳合金中，铁和碳是它的两个基本组元。在固态下，
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。
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 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
80HBS、δ= 45%～50%，工业纯铁(wC≤0.02%)的室温组织是
由铁素体晶粒组成的。
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。