铁碳合金相图及结晶组织变化
铁碳合金的组元和相
一、基本概念
铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金
碳钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金
铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金
铁碳合金相图：研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是F e-Fe3C
二、组元
1.纯铁
纯铁指的是室温下的α-Fe，强度、硬度低，塑性、韧性好。
2.碳
碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体。
3.碳在铁碳合金中的存在形式有三种：
C与Fe形成金属化合物，即渗碳体；
C以游离态的石墨存在于合金中。
C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体；
A. 铁素体：C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F”或“α”表示，铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相，铁素体在室温下可稳定存在。
B. 奥氏体：C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”表示，奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。
C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C，Fe与C组成的金属化合物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6. 69％。以“Fe3C”或“Cm”符号表示，渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性几乎等于零。渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。碳在a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。
铁碳合金相图的分析
1.铁碳合金相图由三个相图组成：包晶相图、共晶相图和共析相图；
2.相图中有五个单相区：液相L、高温铁素体δ、铁素体α、奥氏体γ、渗碳体Fe3C；
3.相图中有三条水平线：
HJB水平线（1495℃）：包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体。
L0.53+δ0.09←→γ0.17
ECF水平线（1148℃）：共晶线，发生共晶反应，反应产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用“Le”表示。
L 4.3←→γ2.11+ Fe3C
PSK水平线（727℃）：共析线，发生共析反应，反应产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用“P”表示。共析线又称为A1线
γ0.77←→F0.0218+ Fe3C
4.图中的特性点
A点：纯铁的熔点
C点：共晶点
D点: Fe3C的熔点
E点：γ-Fe中的最大溶碳量
G点：α-Fe→γ-Fe的同素异构转变点
J点：包晶点
N点：γ-Fe→α-Fe的同素异构转变点
S点：共析点
5.图中的特性线
ABCD－液相线
AHJECF－固相线
GS、GP为α-Fe固溶体转变线
HN、JN为奥氏体A固溶体转变线
ES线为碳在奥氏体A中的固溶线，随着温度下降，C的溶解度下降，当含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃冷却到727℃时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为Fe3CⅡ。ES线又称为Acm线。
PQ线为碳在α-Fe中的固溶线，随着温度下降，C的溶解度下降，铁碳合金自727℃向室温冷却时，会从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体。标记为Fe3CⅢ，但因为析出量极少，在含碳量高的合金中不予以考虑。
CD线是从液体中结晶出渗碳体的开始温度线，从液体中结晶出的渗碳体称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠ。
铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金
典型铁碳合金的平衡结晶过程
一、铁碳合金的分类
1.工业纯铁（<0.0218%C）
室温下的平衡组织几乎全部为铁素体的铁碳合金，工业上很少使用
2.钢（0.0218%--2.11%C）
高温组织为单相奥氏体，易于变形。根据室温组织的不同分为三类
亚共析钢（0.0218%--0.77%C）：指室温下的平衡组织为铁素体与珠光体的铁碳合金，有熟铁之称；
共析钢（0.77%C）：指室温下的平衡组织为珠光体的铁碳合金，即碳素工具钢中的T8钢；
过共析钢（0.77%C-- 2.11%C）：指室温下的平衡组织为珠光体与二次渗碳体的铁碳合金。
3.白口铸铁（2.11% -- 6.69%C）
指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡组织中皆含有变态莱氏体的一类铁碳合金，其断口白亮而得名，俗称生铁。亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
二、结合下图，分析7种典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化
1. 工业纯铁的结晶过程（图中合金①）
1—2点：匀晶反应形成δ铁素体
2—3点：不发生组织转变
3—4点：开始从δ铁素体中析出奥氏体，4点后全部转化为奥氏体
4—5点：不发生组织转变
5—6点：开始从奥氏体中析出铁素体，6点后全部转化为铁素体
6—7点：不发生组织转变
7点以后:开始从铁素体中析出三次渗碳体
工业纯铁结晶过程的基本反应：匀晶反应十固溶体转变反应＋二次析出反应
工业纯铁的室温组织：F十Fe3CⅢ纯铁的结晶过程中的组织变化过程
2. 共析钢的结晶过程（图中合金②）
1—2点：匀晶反应形成奥氏体
2—3点：不发生组织转变
3点以后：发生共析转变，反应结束后全部转化为珠光体
3′点后继续冷却：从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体
共析钢结晶过程的基本反应：匀晶反应十共析反应
共析钢室温组织：100%的珠光体P
共析钢结晶过程中的组织变化
3. 亚共析钢的结晶过程（图中合金③）
1—2点：匀晶反应形成δ铁素体
2—2′点：发生包晶反应
L0.53+δ0.09←→γ0.17
2′—3点：剩余的液相发生通过匀晶转变为奥氏体
3—4点：不发生组织转变
4—5点：从奥氏体中析出铁素体
5—5′点：发生共析反应
γ0.77←→F 0.0218+ Fe3C
5′点以后：从铁素体中析出少量的三次渗碳体
亚共析钢结晶过程的基本反应：匀晶反应+包晶反应+匀晶反应+固溶体转变反应+共析反应亚共析钢的室温组织：铁素体F+珠光体
