铁碳相图-视频讲解

Fe-C 相图

又称铁碳相图或铁碳状态图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。

简史 早在 1868 年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）等利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的温度视加热或冷却 (分别以Ac和Ar表示)过程而异。奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即Ar1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，Ar3下降而与Ar2相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与Ar1合为一点。1904年又发现A4至熔点间为δ铁。以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本 (H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。目前采用的铁碳平衡图示于图1，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。

铁素体的强度、硬度不高（σb=180-280MPa,50-80HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=30%-50%,Akv=128-160J)。所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工

奥氏体的强度、硬度为（σb约为400MPa,160-200HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=40%-50%)，无磁性。因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。

铁碳相图详解

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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，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Fe3CIII。7点以下，随温度下降，Fe3CIII量不断增加，室温下Fe3CIII的最大量为：%31.0%1000008.069.60008.00218.03ⅢCFeQ。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+Fe3CIII，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3CIII。

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

1 §5.6 铁碳相图和铁碳合金

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Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C,

Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，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5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。

化合物Fe3C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-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图5.6-1）。Fe-Fe3C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-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。

图5.6-1 铁碳双重相图

【说明】 图5.6-1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。 2 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%。【说明】

图5.6-1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%。

第十二节课 铁碳相图

从此开始，主要讲钢铁。钢铁的内容看似繁杂，实际上也有一条主线，那就是： 二元四火二图六体

二元：铁，碳。

四火：退火，淬火，正火，回火。

二图：铁碳相图，TTT图。

六体：铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，贝氏体，马氏体。

铁碳的关系。为什么二者有如此亲密关系？确实是上帝造成的。自然有：焦碳使氧化铁

还原这层关系。但它们的关系远不是这些。这二者的主要关系在于碳能固溶在铁中，而产生

相变，影响热处理。铜，铝中均不能与碳固溶，也没有相应的相变，及碳的影响，更没有与

碳的合金。 纯铁中的α←→γ相变，比较简单。在短时间内就可以完成。而碳钢中，则是α←→γ

+Fe3C，比较复杂。如果时间足够的话，还可以完成这一相变。时间一短，则使此相变半途

中止，出现马氏体。

α最多固溶0.02% C, γ可固溶2.11% C，相差近100倍。

只有钢铁的热处理产生千差万别的性质，而铜铝则没有这种固态相变和热处理。

首先在黑板上画出铁碳相图。相图中有一个包晶反应，一个共析反应和一个共晶反应。

此铁碳相图只是碳含量至6.68wt%的部分，不是如其他二元相图那样两种元素含量都到100%的成分。讲解各相的意义，有α、γ、δ相，但没有β相。以前曾以为α相中的居里

点是相的转变，并命名为β相。α、γ、δ相分别被称为α铁素体、γ奥氏体、δ铁素体。 此铁碳相图实际上是铁―Fe3C（渗碳体）相图。即碳以渗碳体的形式存在。碳也可能

以石墨的形式存在。所以还有一个铁―石墨相图。

为什么铁碳相图的右上方的渗碳体的熔点线是虚线？渗碳体的熔点的理论计算值为1227℃，为什么没有实验值？

再画出冷却曲线。讲解其中A0 、A1 、A2 、A3 、A4 意义。其顺序是按温度高低来

排定的。但在某一铁碳合金，如在纯铁中，并不是同时可以观察到所有这些点。 A0 210℃，渗碳体的居里点。

A1 727℃，共析温度。 A2 770℃，α铁的居里点，纯铁的磁性转变温度