铁碳相图以及铁碳合金
发布日期：[08-03-10 14:26:26] 浏览人次：[5779 ]
马棚网 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe 和C 能够形成Fe 3C, Fe 2C 和FeC 等多种稳定化合物。所以，Fe-C 相图可以划分成Fe-Fe 3C, Fe 3C-Fe 2C, Fe 2C-FeC 和FeC-C 四个部分。由于化合物是硬脆相5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe 3C 部分。，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过
化合物Fe 3C 称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe 和C ，C 原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe 3C 和Fe-石墨双重相图（图1）。Fe-Fe 3C 相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe 3C 相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe 3C 。
图1 铁碳双重相图 【说明】
图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：
由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁
纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织
铁的固溶体
碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe 是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）
碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格
C)
渗碳体(Fe
3
渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。在一定条件下，
C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe
3
有重要意义。
图6 Fe-Fe
C相图
3
单相区——5个
相图中有5个基本的相，相应的有5个相区： 液相区(L )——ABCD 以上区域 δ固溶体区——AHNA 奥氏体区(γ)——NJESGN
铁素体区(α)——GPQ(Fe 3C)——DFK 直线以左
渗碳体区
两相区——7个
7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间： L +δ——AHJBA
L γ——BJECB L ——DCFD δ+γ——HNJH γ+α——GPSG
γ+ Fe 3C ——ESKFCE
α+ Fe 3C ——PQLKSP+ Fe 3C + 三相区——3个
包晶线——水平线HJB (L δ+γ)
共晶线——水平线ECF(L γ+Fe 3C) 共析线——水平线PSK(γ+α+ Fe 3C)++
相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表1。 表1 Fe-Fe 3C 相图中的特性点 符号
T /℃
C %
说明
A
1538
纯铁的熔点
B
1495
0.53
包晶转变时液相成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227 6.67
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
碳在γ-Fe 中的最大溶解度
F
1148
6.67
渗碳体的成分
G
912
纯铁α↔γ转变温度
H
1495
0.09
碳在δ-Fe 中的最大溶解度
J
1495
0.17
包晶点
K
727
6.67
渗碳体的成分
N
1394
纯铁γ↔δ转变温度
P
727
0.0218
碳在α-Fe 中的最大溶解度
S
727
0.77
共析点
Q
600
0.0057
600˚C 碳在α-Fe 中的溶解度
200
7×10-7
200˚C 碳在α-Fe 中的溶解度
Fe-Fe 3C 相图包含三个恒温转变：包晶、共晶、共析。 包晶转变发生在1495℃（水平线HJB ），反应式为：
式中 L 0.53——含碳量为0.53%的液相； δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；
