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第三章 铁碳合金相图非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。
了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。
本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。
C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe -C Fe 3相图。
相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。
3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/m kg 3107.87⨯。
纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即： δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。
可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。
C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。
3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体 碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。
F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。
铁碳合金相图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（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。
钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。
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。
图a 面心立方晶体图b 体心立方晶体图1是纯铁的冷却曲线。
液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。
继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。
在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。
正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。
图1 纯铁的冷却曲线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。
但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，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。
如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。
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。
770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。
2、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。
在固态下，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。
（1）液相用”L”表示。
是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。
（2）铁素体用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。
第三章 铁碳合金相图非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。
了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。
本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。
C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe -C Fe 3相图。
相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。
3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/m kg 3107.87⨯。
纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。
可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。
C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。
3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体 碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。
F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。
铁碳合金相图简析合金相图中的特殊点线区点：16个。
线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：GS,ES,PQ。
区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。
相图标注：相组成物标注的相图。
组织组成物标注的相图。
（即第二图）具体分析：1）J为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时，点成分的L与H点成分的δ发生包晶反应，生成J点成分的A。
2）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L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏体，以符号Ld表示。
在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。
3）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A发生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。
共析反应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。
在显微镜下珠光体的形态呈片状。
在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条）。
珠光体的强度很高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。
4）液相线ABCD，固相线AHJECF。
两条磁性转变线：MO---铁素体的磁性转变线；过230 ℃的虚线---渗碳体的磁性转变线5）三条水平线HJB---包晶转变线1495 ℃，LB+δH——AJ即L0.53+ δ0.09——A0.17ECF---共晶转变线L4.3——A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）Le4.3 高温莱氏体PSK---共析转变线——A1线A S——F P+Fe3C（共析渗碳体）A0.77—— F0.0218+Fe3C——P（珠光体）珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间6）五个基本相区：ABCD以上---液相区AHNA---δNJESGN---A（γ）GPQG---F（α）DFKL--- Fe3C或Cm 7）七个两相区：ABJHA---L+ δJBCEJ---L+ γDCFD--- L+ Fe3CHJNH--- δ+ γGSPG--- α+ γECFKSE--- γ + Fe3CQPSKL以下--- α + Fe3C不同碳含量的冷却过程分析用图。
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金,按成分可分为三类：⑴ 工业纯铁（〈0.0218％ C ），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。
⑵ 碳钢(0.0218%~2。
11％C ），其特点是高温组织为单相A,易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0。
77%C)、共析钢（0.77％C ）和过共析钢(0。
77%～2.11％C ）。
⑶ 白口铸铁（2。
11％～6。
69%C ），其特点是铸造性能好，但硬而脆,白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2。
11％~4。
3%C ）、共晶白口铸铁（4.3%C ）和过共晶白口铸铁(4.3-6.69%C)下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化.图3—26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠ 工业纯铁(图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体.继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。
温度降低到3点以后，开始从d 铁素体中析出奥氏体，在3～4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，d 铁素体全部转变为奥氏体。
在4~5点之间,不发生组织转变。
冷却到5点时,开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。
在6-7点之间冷却，不发生组织转变.温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。
7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为:%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC Fe Q .图3—27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。
工业纯铁的室温组织为a+Fe 3C III ,如图3—28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②)的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0。
第三章 铁碳合金相图非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。
了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。
本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。
C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe -C Fe 3相图。
相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。
3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/m kg 3107.87⨯。
纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即： δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。
可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。
C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。
3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体 碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。
F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。
力学性能与工业纯铁相当。
⑶奥氏体 碳溶于γ-Fe 的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A 表示。
奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。
奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。
3.2 Fe -C Fe 3相图3.2.1 Fe -C Fe 3相图中各点的温度、含碳量及含义Fe -C Fe 3相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。
图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。
C, ％(重量) →图3.1 Fe -C Fe 3相图表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义符号 温度（℃）含碳量[%（质量）]含 义A B C D E F G H J K N P S Q1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727 1394 727 727 600 （室温）0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.09 0.17 6.69 0 0.0218 0.77 0.0057 (0.0008)纯铁的熔点包晶转变时液态合金的成分 共晶点Fe 3C 的熔点碳在γ-Fe 中的最大溶解度 Fe 3C 的成分α-Fe →γ-Fe 同素异构转变点 碳在δ-Fe 中的最大溶解度 包晶点Fe 3C 的成分γ-Fe →δ-Fe 同素异构转变点 碳在α-Fe 中的最大溶解度 共析点600℃（或室温）时碳在α-Fe 中的最大溶解度Fe -C Fe 33.2.2.1 三个重要的特性点⑴J 点为包晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。
B 点成分的L 与H 点成分的δ 发生包晶反应，生成J 点成分的A 。
包晶反应在恒温下进行，反应过程中L 、δ、A 三相共存，反应式为：H B L δ+J A 或 09.053.0δ+L 17.0A 。
⑵C 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L 发生共晶反应，生成E 点成分的A 和C Fe 3。
共晶反应在恒温下进行，反应过程中L 、A 、C Fe 3三相共存，反应式为：CL C Fe A E 3+ 或 3.4L C Fe A 311.2+。
共晶反应的产物是A 与C Fe 3的共晶混合物，称莱氏体，用符号Le 表示，所以共晶反应式也可表达为： 3.4L 3.4Le 。
莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。
在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状A （727℃时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。
⑶S 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A 发生共析反应，生成P 点成分的F 和C Fe 3。
共析反应在恒温下进行，反应过程中A 、F 、C Fe 3三相共存，反应式为：S A C Fe F P 3+ 或 77.0A C Fe F 30218.0+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，用符号P 表示，因而共析反应可简单表示为：77.0A 77.0PP 中的渗碳体称为共析渗碳体。
在显微镜下P 的形态呈层片状。
在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。
P 的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下：抗拉强度（b σ） 770MPa延伸率（δ） 20～35％冲击韧性（k a ） 30～402/cm J硬度（HB ） 1802/mm kgf3.2.2.2 相图中的特性线相图中的ABCD 为液相线；AHJECF 为固相线。
⑴水平线HJB 为包晶反应线。
碳含量0.09～0.53％的铁碳含金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。
⑵水平线ECF 为共晶反应线。
碳含量在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。
⑶水平线PSK 为共析反应线。
碳含量0.0218～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。
PSK 线在热处理中亦称1A 线。
⑷GS 线是合金冷却时自A 中开始析出F 的临界温度线，通常称3A 线。
⑸ES 线是碳在A 中的固溶线，通常称cm A 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℃冷至727℃的过程中，将从A 中析出C Fe 3。
析出的渗碳体称为二次渗碳体（II C Fe 3）。
cm A 线亦是从A 中开始析出II C Fe 3的临界温度线。
⑹PQ 线是碳在F 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％，因此碳含量大于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从F 中析出C Fe 3。
析出的渗碳体称为三次渗碳体（III C Fe 3）。
PQ 线亦为从F 中开始析出III C Fe 3的临界温度线。
III C Fe 3数量极少，往往可以忽略。
下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽略这一析出过程。
3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程根据Fe -C Fe 3相图，铁碳含金可分为三类： ⑴ ()0.0218%C 工业纯铁≤⑵ ()()()()⎪⎩⎪⎨⎧≤〈=〈〈≤〈 2.11C 0.77过共析钢0.77%C 共析钢0.77%C 0.0218%亚共析钢2.11%C 0.0218%钢 ⑶ ()()()()⎪⎩⎪⎨⎧〈〈=〈〈〈〈 6.69%C 4.3%过共晶白口铸铁 4.3%C 共晶白口铸铁 4.3%C 2.11%亚共晶白口铸铁6.69%C 2.11%白口铸铁 下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。
3.3.1 工业纯铁以含碳0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。
合金在1点以上为液相L 。
冷却至稍低于1点时，开始从L 中结晶出δ，至2点合金全 部结晶为δ。
从3点起，δ逐渐转变为A ，至4点全部转变完了。
4-5点间A 冷却不变。
自5点始，从A 中析出F 。
F 在A 晶界处生核并长大，至6点时A 全部转变为F 。
在6-7点间F 冷却不变。
在7-8点间，从F 晶界析出III C Fe 3。
因此合金的室温平衡组织为F +III C Fe 3。
F 呈白色块状；III C Fe 3量极少，呈小白片状分布于F 晶界处。
若忽略III C Fe 3，则组织全为F 。
图3.2工业纯铁结晶过程示意图3.3.2 共析钢其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。
合金冷却时，于1点起从L 中结晶出A ，至2点全部结晶完了。
在2-3点间A 冷却不变。
至3点时，A 发生共析反应生成P 。
从3′继续冷却至4点，P 皆不发生转变。
因此共析钢的室温平衡组织全部为P ，P 呈层片状。
共析钢的室温组织组成物也全部是P ，而组成相为F 和C Fe 3，它们的相对质量为：%%%881006.690.776.69=⨯-=F ;%%%3121=-=F C Fe图3.3 共析钢结晶过程示意图3.3.3 亚共析钢以含碳0.4％的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示。
合金冷却时，从1点起自L 中结晶出δ，至2点时，L 成分变为0.53％C ，δ变为0.09％C ，发生包晶反应生成17.0A ，反应结束后尚有多余的L 。
2′点以下，自L 中不断结晶出A ，至3点合金全部转变为A 。
在3-4点间A 冷却不变。
从4点起，冷却时由A 中析出F ，F 在A 晶界处优先生核并长大，而A 和F 的成分分别沿GS 和GP 线变化。
至5点时，A 的成分变为0.77％C ，F 的成分变为0.0218％C 。
此时A 发生共析反应，转变为P ，F 不变化。
从5′继续冷却至6点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为F +P 。
F 呈白色块状；P 呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。
碳含量大于0.6％的亚共析钢，室温平衡组织中的F 常呈白色网状，包围在P 周围。
图3.4 亚共析钢结晶过程示意图含0.4％C 的亚共析钢的组织组成物（F 和P ）的相对质量为：%%%511000.020.770.020.4=⨯--=P ；%%%49511=-=F组成相（F 和C Fe 3）的相对质量为：%%%%;%%36941941006.690.46.69=-==⨯-=C Fe F由于室温下F 的含碳量极微，若将F 中的含碳量忽略不计，则钢中的含碳量全部在P 中，所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。
即根据P 的含量可求出钢的含碳量为：%%%0.77⨯=P C 。
由于P 和F 的密度相近，钢中P 和F 的含量（质量百分数）可以近似用对应的面积百分数来估算。
图3.5 过共析钢结晶过程示意图3.3.4 过共析钢以碳含量为1.2％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示。
