临沂金科铸造有限公司培训讲义(铁碳相图)

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。

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δ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，δ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Fe3C III。

7点以下，随温度下降，Fe3C III量不断增加，室温下Fe3C III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α+Fe3C III，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3C 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0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。

铁碳相图的应用在学习铁碳相图的应用之前，我们先学习一下碳的质量分数对平衡组织的影响。

其中主要表现在：碳的质量分数对平衡组织的影响。

碳的质量分数对力学性能的影响。

碳的质量分数对工艺性能的影响。

（1）碳的质量分数对平衡组织的影响。

含碳量——相对量C%↑→F%↓，Fe3C%↑（2）碳的质量分数对力学性能的影响。

HB：取决于相及相对量C%↑→HB↑强度：C%↑→σ↑ 0.9%↑→σ↓塑性、韧性：C%↑→塑性↓、韧性↓（3）碳的质量分数对工艺性能的影响主要表现在对：铸造，锻造，焊接，以及机械加工性能的影响。

Fe - Fe3C 相图的应用主要表现在：选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用（1）选择材料方面的应用分析零件的工作条件, 根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。

若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢（0.10~0.25%C）；若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢（0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢（0.6~1.3%C）。

白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。

2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律, 确定选定材料的工作范围。

（2）在制定热加工工艺方面的应用1、在铸造工艺方面的应用2、在热锻、热轧工艺方面的应用3、在热处理工艺方面的应用对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏.对于锻造：确定锻造温度。

对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。

对热处理：相图更为重要。

可以说相图是热处理的工艺指南。

4-1 铁碳合金的组元一、纯铁工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，其机械性能大致如下：二、碳在铁中的固溶体碳的原子半径较小，在α-Fe和γ-Fe中均可进入Fe原子间的孔隙而形成间隙固溶体。

碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。

铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。

碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体孔隙。

奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性。

30-50%70-80%160-200J/cm250-80延伸率δ断面收缩率ψ冲击值布氏硬度HB 纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。

金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变（allotropic transformation）。

同素异晶转变伴随有热效应产生，因此在纯铁的冷去曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。

铁的同素异晶转变如下：温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在912-1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe；温度在1394-1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe。

拉伸强度σb屈服强度σ0.218×107-28×107N/m 210×107-17×107N/m 2第四章 铁碳合金相图碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。

在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。

在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物Fe 3C（渗碳体）和石墨两种形式，渗碳体在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase），而石墨是稳定的相。

【钢热处理知识】史上最详尽铁碳相图图文讲解喜欢就果断分享吧！铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。

铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。

搞机械的，最应该掌握的材料就是铁碳合金材料。

铁碳相图一、Fe-Fe3C相图的组元1．Fe组元δ -Fe(bcc) --1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃--- a -Fe(bcc) (同素异构转变)强度低、硬度低、韧性、塑性好2．Fe3C （ Cem， Cm）熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。

二、Fe-Fe3C相图中的相1．液相L2．δ相高温铁素体（C固溶到δ -Fe中——δ相）3．α相铁素体F （C固溶到α-Fe中——α相）强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4．γ相、A奥氏体（C固溶到γ-Fe中——γ相）强度低，易塑性变形5．Fe3C三、相图分析1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB：1495摄氏度，C%=0.09-0.53%LB+δH------AJ 即L0.53+ δ0.09------- A0.17（2）共晶转变线ECF,1148摄氏度，C%=2.11---6.69%L4.3---- A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）——Le4.3 高温莱氏体Le，Ld（3）共析转变线PSK，727摄氏度，C%=0.0218---6.69%As----FP+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Le---- P+Fe3CII+Fe3C共晶------低温莱氏体Le’2．液固相线液相线ACD固相线AECF3．溶解度线ES线碳在A中的固溶线，1148摄氏度，2.11%——727摄氏度,0.77%,Fe3CIIPQ线碳在F中的固溶线，727摄氏度,0.0218%——0.0008%室温，Fe3CIII4．GS线5. 特征点6.特征线表四、基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类1．工业纯铁，C%<=0.0218%2．钢0.0218%<C%<= 2.11%亚共析钢 0.0218%<C%<0.77%共析钢 0.77%过共析钢 0.77%<C%<= 2.11% 3．白口铸铁2.11%<C%<6.69%亚共晶白口铸铁 2.11%<C%<4.3%共晶白口铸铁 4.3%过共晶白口铸铁 4.3 %<C%<6.69%在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。