第5章相平衡與相圖-鐵碳相圖

1、15.4 5.4 鐵碳相圖鐵碳相圖主講：張希清主講：張希清2一一. . 鐵碳合金的組元及基本相鐵碳合金的組元及基本相 鋼和鑄鐵鋼和鑄鐵是應(yīng)用最廣的金屬材料，雖然它們是應(yīng)用最廣的金屬材料，雖然它們的種類很多，成分不一，但是它們的基本組成都的種類很多，成分不一，但是它們的基本組成都是鐵是鐵(Fe)(Fe)和碳和碳(C)(C)兩種元素，故統(tǒng)稱為兩種元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金鐵碳合金。因此，學(xué)習(xí)鐵碳相圖、掌握應(yīng)用鐵碳相圖的規(guī)律因此，學(xué)習(xí)鐵碳相圖、掌握應(yīng)用鐵碳相圖的規(guī)律解決實際問題是非常重要的。解決實際問題是非常重要的。 3 在鐵碳合金中，在鐵碳合金中，F(xiàn)eFe與與C C可以形成一系列化合物：可以形成一系列

2、化合物：FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC。所以，。所以，F(xiàn)e-CFe-C相圖可以劃分成相圖可以劃分成Fe-FeFe-Fe3 3C, C, FeFe3 3C-FeC-Fe2 2C, FeC, Fe2 2C-FeCC-FeC和和FeC-CFeC-C四個部分。工業(yè)上使用的四個部分。工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過鐵碳合金含碳量不超過5 5，因此，因此，通常所說的鐵碳相通常所說的鐵碳相圖就是圖就是Fe-FeFe-Fe3 3C C部分部分。 Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖相圖 41) 1) 純鐵（純鐵（FeFe）純鐵純鐵 熔點熔點15381538，密度，密度7.87g/7.

3、87g/ 。 1. Fe1. FeC C合金中的組元合金中的組元 鐵碳合金中組元：鐵碳合金中組元：滲碳體（滲碳體（FeFe3 3C C） 純鐵純鐵(Fe) (Fe) 純鐵具有磁性轉(zhuǎn)變（純鐵具有磁性轉(zhuǎn)變（770770磁性轉(zhuǎn)變）磁性轉(zhuǎn)變）。純鐵的強(qiáng)度低，。純鐵的強(qiáng)度低，塑性好塑性好( (軟軟) )，很少用于結(jié)構(gòu)材料。主要利用，很少用于結(jié)構(gòu)材料。主要利用鐵磁性鐵磁性。 純鐵的顯微組織純鐵的顯微組織 5純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化 純鐵固態(tài)下具有純鐵固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：912912C C以下為體心立以下為體心立方方(bcc)(bcc)晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)，91

4、2912C C到到13941394C C之間為面心立方之間為面心立方(fcc)(fcc)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), 1394, 1394C C到熔點之間為體心立方到熔點之間為體心立方(bcc)(bcc)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 6通常將通常將 轉(zhuǎn)變稱為轉(zhuǎn)變稱為A A4 4 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點溫度稱為變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點溫度稱為A A4 4 點點. .FeFe將將 轉(zhuǎn)變稱為轉(zhuǎn)變稱為A A3 3 轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點溫度稱為轉(zhuǎn)變的平衡臨界點溫度稱為A A3 3 點。點。FeFe通常將通常將-Fe-Fe在在770770的磁性轉(zhuǎn)變（高溫的磁性轉(zhuǎn)變（高溫的順磁性的順磁性低溫的鐵磁

5、性）稱為低溫的鐵磁性）稱為A A2 2轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變，磁性轉(zhuǎn)變溫度稱為鐵的居里點。磁性轉(zhuǎn)變溫度稱為鐵的居里點。純純鐵鐵的的冷冷卻卻曲曲線線72) 2) 滲碳體滲碳體(Fe(Fe3 3C)C) 滲碳體滲碳體是是FeCFeC合金中碳以化合物合金中碳以化合物FeFe3 3C C形式出現(xiàn)，含碳形式出現(xiàn)，含碳量量6.69% 6.69% 。正交晶系。正交晶系,C,C原子周圍有原子周圍有6 6個個FeFe原子，構(gòu)成一個八原子，構(gòu)成一個八面體面體,Fe:C=3:1,Fe:C=3:1，一個滲碳體晶胞含有，一個滲碳體晶胞含有1212個鐵原子和個鐵原子和4 4個碳個碳原子。原子。滲滲碳碳體體的的晶晶格格 8 Fe Fe

6、3 3C C在在230230以下具有鐵磁性，滲碳體在以下具有鐵磁性，滲碳體在230230的磁性轉(zhuǎn)的磁性轉(zhuǎn)變稱為變稱為A A0 0 轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。 Fe Fe3 3C C在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀，粒狀，網(wǎng)狀和板條狀。滲在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀，粒狀，網(wǎng)狀和板條狀。滲碳體硬而脆，塑性極低，延伸率接近于碳體硬而脆，塑性極低，延伸率接近于0 0。它是鋼鐵材料。它是鋼鐵材料中的主要強(qiáng)化相。中的主要強(qiáng)化相。滲碳體組織金相圖滲碳體組織金相圖92. Fe-C2. Fe-C合金中的基本相和組織合金中的基本相和組織 在在FeFeFeFe3 3C C相圖中，相圖中，F(xiàn)e-CFe-C合金在不同條件合金在不同條件( (成分，溫成

7、分，溫度度) )下，可有下，可有六個基本相：六個基本相： 液相、液相、相、相、相、相、相、相、FeFe3 3C C相、石墨（相、石墨（C C） （1 1）液相）液相(L)(L)FeFe與與C C在高溫下形成的液體溶液。在高溫下形成的液體溶液。 （2 2）相相C C溶于溶于FeFe中的間隙固溶體稱為中的間隙固溶體稱為 鐵素體，也稱鐵素體，也稱高溫高溫鐵素體鐵素體。在在14591459時最大溶解量可達(dá)時最大溶解量可達(dá)0.09%0.09%，為，為bccbcc結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，（3 3）滲碳體）滲碳體 前面已討論過前面已討論過10 含100%C，灰口鑄鐵中一個基本組成相，用C或G表示。 (4)(4)石墨石墨

8、 石墨具有簡單六方晶格。石墨具有簡單六方晶格。 同一晶面上碳原子以共價鍵結(jié)合同一晶面上碳原子以共價鍵結(jié)合, ,間距間距0.142nm0.142nm結(jié)合力較強(qiáng)。結(jié)合力較強(qiáng)。 兩層晶面的間距為兩層晶面的間距為0.34nm0.34nm，結(jié)合力弱。，結(jié)合力弱。 耐高溫，導(dǎo)電，一定的潤滑性，但其強(qiáng)度、硬度、塑性和耐高溫，導(dǎo)電，一定的潤滑性，但其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都極低。韌性都極低。 11 （5 5） 奧氏體奧氏體 奧氏體奧氏體( (常用常用或或A A表示) )，是，是C C溶解于溶解于FeFe中形成的間中形成的間隙固溶體。隙固溶體。鐵具有鐵具有fccfcc面心立方結(jié)構(gòu)。奧氏體面心立方結(jié)構(gòu)。奧氏體間隙

9、大間隙大，可，可以溶解較多的碳。奧氏體的硬度較低，塑性高。以溶解較多的碳。奧氏體的硬度較低，塑性高。鐵鐵是是順磁順磁性性的的。晶粒呈。晶粒呈平直多邊形平直多邊形。碳在碳在FeFe中的位置中的位置奧氏體的顯微組織奧氏體的顯微組織 12奧氏體組織金相圖奧氏體組織金相圖13（6 6）鐵素體）鐵素體 鐵素體（鐵素體（或或F F）是是C C溶于溶于FeFe中形成中形成的間隙固溶體的間隙固溶體, ,具有體具有體心立方心立方bccbcc結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。鐵素鐵素體的溶碳能力比奧氏體體的溶碳能力比奧氏體小得多小得多，含碳量非常低，含碳量非常低，所以其性能與純鐵相似：所以其性能與純鐵相似：硬度低，塑性高。硬度低，塑性

10、高。14鐵素體組織金相圖鐵素體組織金相圖鐵素體鐵素體的顯微的顯微組織與組織與工業(yè)純工業(yè)純鐵相同鐵相同,晶粒常晶粒常呈多邊呈多邊形形。15珠光體珠光體 ( P )( P )鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。珠光體金相圖珠光體金相圖16萊氏體萊氏體 ( Ld )( Ld )奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。在萊氏體中，滲碳體是一個連續(xù)分布的基體相，奧氏體則在萊氏體中，滲碳體是一個連續(xù)分布的基體相，奧氏體則呈顆粒狀分布在滲碳體的基體上。因為滲碳體很脆，所以呈顆粒狀分布在滲碳體的基體上。因為滲碳體很脆，所以萊氏體是一種塑性很差的組織。萊氏體是

11、一種塑性很差的組織。萊萊氏氏體體金金相相圖圖17下圖為下圖為Fe-Fe-碳合金雙重相圖碳合金雙重相圖。圖中實線部分為。圖中實線部分為Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖，相圖，虛線表示虛線表示Fe-CFe-C（石墨）相圖（虛線與實線重合的部分以實（石墨）相圖（虛線與實線重合的部分以實線表示）。鐵碳相圖通常是指線表示）。鐵碳相圖通常是指Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖。相圖。二、二、FeFeFeFe3 3C C相圖分析相圖分析 分析點、線、分析點、線、區(qū)特別是重區(qū)特別是重要的點、三要的點、三條水平恒溫條水平恒溫轉(zhuǎn)變線、重轉(zhuǎn)變線、重要的相界線要的相界線 18相圖的分析相圖的分析 五個重要的成份

12、點五個重要的成份點: : P P、S S、E E、C C、K K。 四條重要的線四條重要的線: : EF EF、ESES、GSGS、PKPK。 兩個重要轉(zhuǎn)變兩個重要轉(zhuǎn)變: : 共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。 二個重要溫度二個重要溫度: : 1148 1148 、727 727 。19（1 1）FeFeFeFe3 3C C相圖的點相圖的點五個重要的成份點五個重要的成份點: P、S、E、C、K。20（2 2）FeFeFeFe3 3C C相圖的線相圖的線 FeFe FeFe3 3C C相圖有一些特性線，它們是相圖有一些特性線，它們是由不同成分合金具有相同意義的點連接

13、起由不同成分合金具有相同意義的點連接起來的。來的。 有三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線，二條磁性轉(zhuǎn)有三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線，二條磁性轉(zhuǎn)變線變線( (水平水平) )和三條重要的相界線。和三條重要的相界線。 21A.A.三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線圍繞三條水平線圍繞三條水平線可把可把FeFeFeFe3 3C C相相圖分解為三個部圖分解為三個部分考慮：左上角分考慮：左上角的包晶部分，右的包晶部分，右邊的共晶部分，邊的共晶部分，左下角的共析部左下角的共析部分。分。 22 包晶線：包晶線：HJBHJB線（線（14951495），J J為包晶點，為包晶點，w wc c=0.09=0.090.53%0.53%的的Fe

14、-CFe-C合金緩冷到合金緩冷到HJBHJB線均發(fā)生包線均發(fā)生包晶反應(yīng)，即：晶反應(yīng)，即： L L0.530.53+0.090.090.170.17 （L LB B+H HJ J）23 共晶線：共晶線：ECFECF水平線（水平線（11481148），C C點為共晶點，點為共晶點，w wc c=2.11=2.116.69%6.69%的的Fe-CFe-C合金緩冷到合金緩冷到ECFECF線均發(fā)生共晶反應(yīng)：線均發(fā)生共晶反應(yīng)： 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體和滲碳體組成的共晶混合物轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體和滲碳體組成的共晶混合物（+Fe+Fe3 3C C ），稱為），稱為萊氏體，用萊氏體，用LdLd表示。表示。 L L4.30

15、4.302.112.11+ Fe+ Fe3 3C C （L LC CE E+ Fe+ Fe3 3C C） 24 共析線：共析線：PSKPSK水平線（水平線（727727），S S點為共析點。凡點為共析點。凡w wc c0.0218%0.0218%的的Fe-CFe-C合金冷卻到合金冷卻到PSKPSK線均發(fā)生共析反應(yīng)：線均發(fā)生共析反應(yīng)： 0.770.770.02180.0218 + Fe + Fe3 3C C （S SP P+ Fe+ Fe3 3C C） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（ + + FeFe3 3C C ），稱為），稱為珠光體，用珠

16、光體，用P P表示。表示。共析轉(zhuǎn)變溫度常用共析轉(zhuǎn)變溫度常用A A1 1表示表示。25B. B. 兩條磁性轉(zhuǎn)變線兩條磁性轉(zhuǎn)變線 230 230水平線為滲碳體水平線為滲碳體FeFe3 3C C的磁性轉(zhuǎn)變線的磁性轉(zhuǎn)變線，230230以以上上FeFe3 3C C無磁性，無磁性，230230以下為鐵磁性。常用以下為鐵磁性。常用A A0 0表示表示 770770為鐵素體為鐵素體的鐵磁性轉(zhuǎn)變線的鐵磁性轉(zhuǎn)變線。770770以上無以上無鐵磁性，鐵磁性，770770以下為鐵磁性。常用以下為鐵磁性。常用A A2 2表示，稱居里點。表示，稱居里點。 26C. 3C. 3條重要的相界線條重要的相界線( (固溶度曲線固溶

17、度曲線) ) GS GS線：又線：又稱為稱為A A3 3線。線。奧奧氏體中氏體中開始析開始析出鐵素體出鐵素體或或全部溶入全部溶入( (升溫時升溫時) ) 的轉(zhuǎn)變線。的轉(zhuǎn)變線。A A3 3溫度。溫度。 27 ES ES線線：C C在奧氏體在奧氏體中的溶解度曲線。稱為中的溶解度曲線。稱為A ACmCm溫度。溫度。 溫度降低，溶解度降低，將析出次生的滲碳體溫度降低，溶解度降低，將析出次生的滲碳體FeFe3 3C C。為了區(qū)別自液態(tài)合金為了區(qū)別自液態(tài)合金(CD(CD線線) )中直接析出的一次中直接析出的一次FeFe3 3C C，將，將中析出的中析出的FeFe3 3C C稱為稱為二次滲碳體，記為二次滲碳

18、體，記為FeFe3 3C C。因此。因此ESES線也稱線也稱為二次滲碳體的開始析出線。為二次滲碳體的開始析出線。 28 PQ PQ線線：C C在鐵素體在鐵素體中的溶解度曲線中的溶解度曲線。 在在727727時，時，C C在在中 的 最 大 溶 解 度中 的 最 大 溶 解 度0.0218%0.0218%，溫度下降，溫度下降，C C溶解度下降，會析出溶解度下降，會析出少量的滲碳體，稱為少量的滲碳體，稱為三 次 滲 碳 體 ， 記 為三 次 滲 碳 體 ， 記 為FeFe3 3C C。以區(qū)別于沿。以區(qū)別于沿CDCD線和線和ESES線析出的滲碳線析出的滲碳體體FeFe3 3C C。29（3 3）Fe

19、FeFeFe3 3C C相圖中的區(qū)相圖中的區(qū) 5 5個單相區(qū)個單相區(qū)：液相區(qū)（：液相區(qū)（L L）、）、固溶體區(qū)（固溶體區(qū)（ ）、）、奧氏體區(qū)（奧氏體區(qū)（）、鐵素體區(qū)（）、鐵素體區(qū)（）、滲碳體區(qū)（）、滲碳體區(qū)（FeFe3 3C C） 30 7 7個兩相區(qū)個兩相區(qū)：L+L+、L+L+、L+ FeL+ Fe3 3C C、+、+ Fe+ Fe3 3C C、+、+ Fe+ Fe3 3C C31 3 3個三相共存區(qū)個三相共存區(qū)：L+ FeL+ Fe3 3C C（ECFECF線）、線）、L+L+（HJBHJB線）、線）、+ Fe+ Fe3 3C C（PSKPSK線）線）32三、三、Fe-CFe-C合金分類合

20、金分類 按含碳量按含碳量(W(Wc c) )及有無共晶轉(zhuǎn)變分為三大類：及有無共晶轉(zhuǎn)變分為三大類：工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵：W Wc c0.0218%0.0218%的鐵碳合金與鐵一樣只發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)的鐵碳合金與鐵一樣只發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，稱之為工業(yè)純鐵。很少用作工程結(jié)構(gòu)材料。變，稱之為工業(yè)純鐵。很少用作工程結(jié)構(gòu)材料。碳鋼碳鋼 (W(Wc c=0.0218=0.02182.11%2.11%不發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金稱為碳鋼不發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金稱為碳鋼) )鑄鐵鑄鐵（W Wc c=2.11=2.116.69%6.69%發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金稱為鑄鐵發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金稱為鑄鐵) )。33共析鋼共析鋼：Wc

21、=0.77% Wc=0.77% 亞共析鋼亞共析鋼:Wc=0.0218-0.77%:Wc=0.0218-0.77%過共析鋼過共析鋼：Wc=0.77-2.11%Wc=0.77-2.11%根據(jù)其室溫組織的不同，根據(jù)其室溫組織的不同，碳鋼碳鋼又可分為：又可分為：共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵：Wc=4.30% Wc=4.30% 亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵： Wc=2.11-4.30% Wc=2.11-4.30% 過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵: : Wc=4.30-6.69% Wc=4.30-6.69%根據(jù)根據(jù)白口鑄鐵白口鑄鐵室溫組織不室溫組織不同，可分為三種：同，可分為三種：34從上述每類鐵碳合金中各選擇

22、一種分析其平衡凝固過程。從上述每類鐵碳合金中各選擇一種分析其平衡凝固過程。35四、四、FeFeC C合金的平衡結(jié)晶過程及組織合金的平衡結(jié)晶過程及組織( (以以Wc=0.01%Wc=0.01%的合金為例的合金為例) ) 1 1）工業(yè)純鐵）工業(yè)純鐵勻晶轉(zhuǎn)變多晶型轉(zhuǎn)變脫溶沉淀勻晶轉(zhuǎn)變多晶型轉(zhuǎn)變脫溶沉淀轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)變過程：LL+ + FeLL+ + Fe3 3C C 36 室溫組織為：室溫組織為：+ Fe+ Fe3 3C C Fe Fe3 3C C最多為最多為0.33%0.33%工業(yè)純鐵室溫組織圖（工業(yè)純鐵室溫組織圖（200200） 將從將從FeFe中析出的中析出的FeFe3 3C C稱為三次滲碳體，但

23、這個轉(zhuǎn)變大多被稱為三次滲碳體，但這個轉(zhuǎn)變大多被抑制，形成微量的過飽和狀態(tài)。抑制，形成微量的過飽和狀態(tài)。 通常的組織為單一鐵素體。通常的組織為單一鐵素體。37（2 2） 共析鋼共析鋼（W Wc c=0.77%=0.77%） 過程如下：過程如下：LL+P+PLL+P+P（+ Fe+ Fe3 3C C）P+FeP+Fe3 3C C （常忽略）（常忽略）勻晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀勻晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀FeFe3 3C C與共析滲碳體連在一起，在顯與共析滲碳體連在一起，在顯微鏡下難以分辨，數(shù)量也很少，對性微鏡下難以分辨，數(shù)量也很少，對性能無明顯影響，一般忽略不計。）能無明顯影響，一般忽略不計。）38 室

24、溫組織為珠光體室溫組織為珠光體P P（+ Fe+ Fe3 3C C），），P P呈層片狀，是鐵素呈層片狀，是鐵素體體和滲碳體和滲碳體FeFe3 3C C的層片交替重疊的機(jī)械混合物。圖中的的層片交替重疊的機(jī)械混合物。圖中的白色片狀為白色片狀為，黑色片狀為，黑色片狀為FeFe3 3C C。 相相: Fe3C： =(6.69-0.77)/6.6988% Fe3C%= 0.77/6.69=12% 組織：組織：P P，10010039共析鋼組織金相圖共析鋼組織金相圖40（3 3）亞共析鋼）亞共析鋼 （Wc=0.0218Wc=0.02180.77%0.77%） 結(jié)晶過程如下：結(jié)晶過程如下： LL+L+L+ +P+ PLL+L+L+ +P+ P（析出（析出FeFe3 3C C） 勻晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀勻晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀 41注意：注意：在共析轉(zhuǎn)變之前生成在共析轉(zhuǎn)變之前生成的的稱為先共析鐵素體。稱為先共析鐵素體。共析轉(zhuǎn)變之前共析轉(zhuǎn)變之前和和的相對量的相對量( (即共析轉(zhuǎn)變后即共析轉(zhuǎn)變后和和P P的相對量的相對量) )可通