第8章铁碳系和铁碳相图Word文档格式.docx

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碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%（1148℃）。

奥氏体中的碳总是位于八面体间隙。

δ相：

碳溶于高温δ－Fe形成的具有体心立方结构的间隙固溶体，其中碳的最大溶解度在1495℃达到最大值0.09％。

Fe3C相或渗碳体相：

是Fe与C形成的间隙化合物，含碳量为6.69％，熔点1227℃，常用符号Cm表示。

渗碳体属于正交晶系，结构复杂。

渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零，是硬而脆的相。

渗碳体的居里点为230℃，此温度点的磁性转变称为A0转变。

渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的量、形状、分布对钢的性能影响很大。

渗碳体在一定的条件下，可能分解而形成石墨状态的自由碳：

Fe3C→3Fe+C（石墨），这种现象在铸铁及石墨钢中有重要意义。

表7.1列出了铁碳系中组元和合金相的力学性能，了解和掌握这些数据对理解铁碳合金的性能有很大帮助。

表7.1铁碳系中组元和合金相的力学性能

组元或

合金相

硬度

（HB）

抗拉强度σb

（Mpa）

延伸率

δ（％）

断面收缩率

ψ（％）

冲击韧性

（J/cm2）

Fe

50-90

150-280

30-50

70-80

160-200

C

3-5

≈0

α相

与Fe的性能接近

Fe3C

700-850

<

50

P

200-300

800-900

9-12

10-15

2.4-3.2

7.2Fe-C相图分析

一.Fe-C双重相图

铁碳合金是铁与碳组成的合金，在合金中当碳含量超过固溶体的溶解限度后，剩余的碳以两种存在方式：

渗碳体Fe3C或石墨。

在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变。

但在极为缓慢冷却或加入促进石墨化的元素的条件下碳才以石墨的形式存在，因此Fe-石墨系是更稳定的状态。

按照这样情况，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图，如图7.1所示。

图7.1Fe-C双重相图

图中实线部分为Fe-Fe3C相图，虚线表示Fe-C相图，实线与虚线重合的部分以实线表示。

尽管Fe-Fe3C相图是一个亚稳相图，但一般情况下铁碳合金中的相变化遵循Fe-Fe3C相图，所以通常也将其称为平衡相图，在Fe-Fe3C相图中的相或反应生成的各种组织都分别称为平衡相或平衡组织。

二.Fe-Fe3C相图分析

1.相区

五个单相区：

ABCD（液相线）—液相区（L）AHNA—δ相区

NJESGN—奥氏体区（γ或A）GPQG—铁素体区（α或F）

DFK—渗碳体区（Fe3C或Cm）

ABCD为固相线，AHJECF为液相线。

七个两相区：

L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+α、γ+Fe3C、α+Fe3C

五条水平线：

HJB—包晶转变线、ECF—共晶转变线、PSK—共析转变线

770℃（MO）虚线—铁素体的磁性转变线（又称为A2线）

230℃虚线—渗碳体的磁性转变线

2.三个恒温转变

（1）包晶转变（1495℃HJB水平线）：

凡成分贯穿HJB恒温线的铁碳合金（w（C）＝0.09-0.53%），冷却到1495℃，w（C）＝0.53%的液相与w（C）＝0.09%的δ相发生包晶反应，生成w（C）＝0.17%的γ相即奥氏体A。

包晶反应式记为

，其中的下标字母表示该相的成分点。

（2）共晶转变（1148℃ECF水平线）：

反应式为

，w（C）＝2.11-6.69%的合金冷却时，在1148℃都发生共晶转变。

共晶转变产物共晶体（γ＋Fe3C）是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体,用符号Ld表示。

莱氏体体中，渗碳体是一个连续分布的基体相，奥氏体则呈颗粒状分布在渗碳体基体中。

由于渗碳体很脆，所以莱氏体是一种塑性很差的组织。

（3）共析转变（727℃PSK水平线）：

所有含碳超过0.0218%的的合金冷却到727℃都发生

，称为共析转变。

转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物（α＋Fe3C），称为珠光体，符号为P。

共析转变温度常标为A1温度，共析线也称为A1线。

3.三条重要的固态转变线：

GS线—奥氏体开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体转变线，称为A3线，该线上某一成分对应的温度常称为A3温度或A3点。

ES线—碳在奥氏体中的溶解限度线即Acm线。

此线上的温度点常称Acm温度或Acm点。

低于此温度时，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳体Fe3CⅡ，以区别于从液体中经CD线析出的一次渗碳体Fe3CⅠ。

PQ线—碳在铁素体中的溶解度线。

在727℃时，碳在铁素中的最大溶解度为0.0218%，600℃时降为0.008%，因此铁素体在冷却过程中，将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3CⅢ。

7.3铁碳合金及平衡结晶

一.铁碳合金

按Fe-Fe3C相图结晶的铁碳合金通常可按含碳量及其室温平衡组织特征分为三大类：

工业纯铁、碳钢和铸铁。

（一）工业纯铁：

w（C）<

0.0218%的铁碳合金。

它们与铁一样只发生同素异晶转变。

（二）碳钢：

0.0218%<

w（C）≤2.11%的铁碳合金。

含碳为0.77%的碳钢又称为共析钢；

含碳量在0.0218－0.77%和0.77－2.11%的碳钢又分别称为亚共析钢和过共析钢。

（三）铸铁：

w（C）＝2.11-6.69%发生共晶转变的铁碳合金。

这类铁碳合金中碳以Fe3C形式存在，其断口呈白亮色，故称为白口铸铁，简称白口铁。

共晶白口铁是指w（C）=4.30%的白口铁；

2.11%<

4.30%和4.30%<

6.69%的白口铁分别称为亚共晶白口铁和过共晶白口铁。

二.典型铁碳合金的平衡结晶

我们选择7个典型成分的铁碳合金分析不同类型的铁碳合金的平衡结晶过程，这些合金在相图中的位置如图7.2所示。

1

（一）含碳0.01%的铁碳（工业纯铁）

含碳0.01%的铁碳合金从高温液态冷却时，在1－2点温度区间按匀晶转变结晶出δ固溶体。

冷到3点时，开始发生固溶体的同素异构转变δ→γ。

奥氏体的晶核通常优先在δ相的晶界上形成，然后长大。

这一转变在4点结束时，合金全部呈单相奥氏体。

冷却到5点，又发生同素异构转变γ→α，变为铁素体。

铁素体形成时，同样优先在奥氏体晶界上形核并长大。

6点以下合金全部是铁素体。

冷到7点时，碳在铁素体中的溶解量达到饱和。

因此在7点以下，将从铁素体中析出三次渗碳体Fe3CⅢ。

工业纯铁的结晶过程及室温组织见图7.3，其室温组织特征是等轴状的铁素体晶粒和少量分布于晶界的Fe3CⅢ。

图7.2典型铁碳合金平衡结晶过程分析图

（二）钢

1.含碳0.77%的铁碳合金（共析钢）

此合金在1－2点间按匀晶转变结晶出奥氏体。

在2点凝固完成，全部为奥氏体。

冷到3点（727℃），在恒温下发生共析转变：

，转变产物为珠光体P。

珠光体是共析铁素体和共析渗碳体的层片状混合物。

共析转变完成后继续冷却过程中，铁素体含碳量沿PQ线变化，同时铁素体中析出Fe3CⅢ。

Fe3CⅢ在共析铁素体和共析渗碳体的界面上形成并与共析渗碳体连在一起，在显微镜下难以分辩，其数量也很少，对珠光体组织和性能无明显影响，一般可以忽略不计。

所以，室温下共析钢的平衡组织为珠光体。

珠光体中铁素体与渗碳体的相对量可用杠杆法则求得：

2.含碳0.4%的铁碳合金（亚共析钢）

液态合金冷却时在1－2点间按匀晶转变析出δ固溶体。

冷到2点（1495℃），δ固溶体的碳含量为0.09%，液相的含碳量为0.53%，此时液相和δ相发生包晶转变

。

由于合金的含碳（0.40%）量大于0.17%，所以包晶转变终了后，还有过剩的液相存在。

从2点冷到3点的过程中，液相继续结晶为奥氏体，所有的奥氏体成分均沿JE线变化。

到达3点，合金全部由含碳量0.40%的奥氏体所组成。

单相的奥氏体冷却到4点时，开始析出铁素体。

随着温度下降，铁素体不断增多，其含碳量沿GP线变化，而奥氏体的含碳量则沿GS线变化。

当温度达到5点（727℃）时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77%，发生共析转变变成珠光体。

在5点以下，

共析转变之前形成的先共析铁素体中将析出三次渗碳体，但其数量很少，一

般可以勿略。

因此，含碳0.40％的亚共析钢室温平衡组织为珠光体和先共析铁素体。

组织组成物珠光体P和先共析铁素体F的相对含量是：

室温下0.40％C的碳钢中仅有α和Fe3C两相，它们的含量为

亚共析钢的室温平衡组织组成物都是珠光体和先共析铁素体。

a）0.40%Cb）0.60%C

图7-8亚共析钢的室温组织（白色晶粒为铁素体，暗黑色是珠光体）

含碳量越高，室温组织中的珠光体含量也越多（见图7.5）。

可以根据亚共析钢的平衡组织来估计它的碳含量：

含碳量≈P×

0.77（%）。

式中P为珠光体在显微组织中所占的面积百分比；

0.77珠光体含碳量值。

图7-7为含碳0.40%的碳钢结晶过程示意图，图7-8为两种不同含碳量的亚共析钢的室温组织。

3.含碳1.2%的铁碳合金（过共析钢）

该合金结晶过程：

在1-2点间按匀晶过程转变为单相奥氏体后，冷到3点开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4点为止。

这种先共析的渗碳体沿奥氏体界面形成，呈连续的网状。

随着渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿ES线不断下降，当温度到达4点时（727℃）奥氏体的含碳量降为0.77%，因而在恒温下发生共析转变，最后得到的组织是珠光体和二次渗碳体（见图7.7和图7.8）。

在过共析钢中，二次渗碳体的量随钢中含碳量的增加而增加。

当含碳量达到2.11%时，二次渗碳体的量达到最大，其相对量可由杠杆法则算出：

二次渗碳体的形态对过共析钢的性能有很大影响。

含碳量较少时（<

1.0%）,二次渗碳体呈颗粒状分别在晶界（又称断续网状），这种形态对性能影响不是很大；

含碳量较高的（>

1.0%）铁碳合金中，二次渗碳体呈现出连续的网状，将严重损害钢的塑性和韧性，所以要设法避免产生这种组织。

（三）白口铸铁

1.含碳4.3%的铁碳合金（共晶白口铸铁）

合金熔液冷到1点（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变L4.30→γ2.11+Fe3C，共晶产物为莱氏体（Ld）。

莱氏体中的奥氏体和渗碳体分别称为共晶奥氏体和共晶渗碳体。

冷到1点以下，共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，它通常依附在共晶渗碳体上而难以分辨。

温度降至2点（727℃）时，共晶奥氏体的含碳量降至0.77%，在恒温下发生共析转变，转变为珠光体。

最后得到的组织是珠光体＋二次渗碳体＋共晶渗碳体。

其显微组织如图7.10所示，其中基体为共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体。

这种共析温度以下的莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体，用

表示，它保持了高温莱氏体的形态特征，但组成物已发生了转变。

图7-12共晶白口铸铁的室温组织

（白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体）

2.含碳3.0%的铁碳合金（亚共晶白口铸铁）

液态合金在1-2点结晶出奥氏体（称为

初晶奥氏体或先共晶奥氏体），此时液相成分按BC线变化，而奥氏体成分沿JE线变化。

温度降到2点（1148℃）时，剩余液相的成分达到共晶点，随即发生共晶转变，生成莱氏体。

在2点以下，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中都析出二次渗碳体。

随着二次渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿ES线降低。

当温度到达3点（727℃）时，所有奥氏体都发生共析转变成为珠光体。

图7-13为该合金的结晶过程示意图。

合金室温平衡组织为：

＋Fe3CⅡ＋P。

图7.12为其室温组织。

图中大块黑色树枝状组织是由先共晶奥氏体转变成的珠光体，其余部分为变态莱氏体，变态莱氏体是基体。

由先共晶奥氏体析出的二次渗碳体与共晶渗碳体连成一体而难以分辨。

通过计算可得到该合金中组织组成物的相对含量：

共晶反应完成时

，

室温下

3.含碳5.0%的铁碳合金（过共晶白口铸铁）

该合金先在1－2温度区间从液相结晶出粗大的一次渗碳体，又称为先共晶渗碳体。

同时，液相成分沿着DC线变化。

当冷却到达ECF线上的2点时，液相成分到达C点，发生共晶转变生成莱氏体。

在2－3点之间，共晶奥氏体析出二次渗碳体。

温度降到PSK上的3点时，含碳0.77％的奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。

结晶示意图见7.13。

过共晶白口铸铁的室温组织为变态莱氏体＋一次渗碳体，其显微组织如图7.14所示。

图7.-16过共晶白口铸铁室温组织

（白色的为一次渗碳体，其余为莱氏体）

7.3碳对铁碳合金组织和性能的影响

一.对组织的影响

1.铁碳系的组织组成物及相组成物相图

根据以上对各种铁碳合金结晶过程的分析，

可将铁碳合金相图中的相区按组织加以标注，

如图7-18、7－19所示。

该图直观地说明了不同成分的铁碳合金

在室温下的组织状态，以及冷却或加热时

的组织变化过程。

2.碳含量对相及组织的影响

铁碳合金室温平衡组织由铁素体和渗

碳体两相组成。

W（C）=0时，合金组织全

为铁素体，随着含碳量增加，铁素体数量

减少，渗碳体增多，到W（C）=6.69％时，

铁素体量降为0，而渗碳体增至百分之百。

铁碳合金中含碳量的变化使铁碳合金的组织组成物及其形态发生变化。

含碳量很低时，组织基本上为等轴状铁素体。

从W（C）=0.0218％→0.77％，组织为F+P，铁素体形态逐渐变化：

等轴状→块状→粗网状→细网状；

而渗碳体的形态变化则相反。

W（C）=0.77％时，组织为P，铁素体和渗碳体都是层片状。

在W（C）＝0.77-2.11％范围，组织是P+Fe3CⅡ,二次渗碳体的形状随含碳量的增大由断续网状变为连续网状，网的厚度也不断增加。

在铸铁的含碳量范围（2.11-6.69％），组织中出现莱氏体：

含碳量较低时为莱氏体＋二次渗碳体；

W（C）＝4.3％时，组织全部为莱氏体；

在碳量较高的范围，组织为莱氏体＋粗大长条状的一次渗碳体。

铁碳合金的平衡组织组成物的相对量随含碳量变化而发生变化，如图7.16

二、对性能的影响

铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成，其中铁素体是软韧相，而渗碳体是硬脆相。

它们的基本性能大致如下：

铁素体

渗碳体

钢中珠光体对其性能有很大的影响。

珠光体由铁素体和渗碳体组成，由于渗碳体以细片状分散地分布在软韧的铁素体基体上，起了强化作用，因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。

珠光体内的层片越细，强度越高；

如果其中的渗碳体球状化，则强度下降，但塑性与韧性提高。

亚共析钢随含碳量的增加，珠光体的

数量逐渐增多。

因而强度、硬度上升，塑性与韧性下降。

当含碳量为0.77%

时，钢的组织全为珠光体，故此时钢

的性能就是珠光体本身的性能。

过共析

钢除珠光体之外，还出现了二次渗碳体，

故其性能要受到二次渗碳体的影响。

若

含碳量不超过1%，由于在晶界上析出二

次渗碳体一般还不连成网状，故对性能

的影响不大。

当碳含量大于1%以后，因

二次渗碳体的数量增多而呈连续网状分

布，则使钢具有很大的脆性，塑性很低，σb也随之降低。

图7-20为含碳量对平

衡状态下碳钢机械性能的影响。

7.4Fe-石墨相图

一.相图分析

Fe-石墨系比Fe-Fe3C系更为稳定，在极为缓慢的冷却条件下，铁碳合金首先按Fe-石墨相图进行结晶。

Fe-石墨相图是由虚线和部分实线所构成，相图上的点、线及其走向与Fe-Fe3C相图基本相同，只是某些特征温度和含碳量略有差别。

Fe-石墨相图的液相线为ABC’D’,固相线为AHJE’C’F’。

在Fe-Fe3C相图上，凡是析出渗碳体的点、线在Fe-C相图中都析出石墨，冷却到C’D’、E’S’和P’Q’线分别析出一次石墨、二次石墨和三次石墨。

Fe-Fe3C相图中，在所有有渗碳体的相区中，将渗碳体用石墨替代就形成Fe-C相图的相区。

Fe-石墨相图中，共晶线为E’C’F’,反应式为

；

共析反应在738oC的P’S’K’线上发生：

二.合金结晶与组织

铁碳合金按Fe-石墨相图结晶的组织中，碳以游离的石墨形式存在，其断口呈暗灰色，故称其为灰口铸铁。

1.灰口铸铁的结晶与组织

灰口铸铁的结晶过程与白口铸铁很相似

（1）w（C）＝4.26％的共晶合金

从高温冷却至1154oC时，发生共晶转变

，生成的共晶体由奥氏体和石墨（共晶石墨）组成。

共晶石墨一般为片状或条状。

继续降温，奥氏体的溶碳量沿E’S’线变化，析出二次石墨。

当温度下降到738oC时，发生共析反应

，生成由共析铁素体和共析石墨组成的共析体。

在随后的冷却过程中，共析铁素体中析出三次石墨。

二次石墨、共析石墨和三次石墨都是依附于共晶石墨而生长，所以

最终的铸铁组织为铁素体和片状石墨。

（2）亚共晶合金

4.26％的亚共晶合金从液态冷到BC’线时，开始结晶出初晶奥氏体。

温度降低，初晶奥氏体含碳量沿JE变化，液相中碳量沿BC’变化,在1154oC发生共晶转变，生成共晶奥氏体和共晶石墨。

随着温度继续下降，初晶奥氏体和共晶奥氏体中析出

二次石墨，到共析反应温度，奥氏体转变为共析铁素体和共析石墨，随后共析铁素体析出三次石墨。

共晶反应后各阶段析出的石墨也是依附在共晶石墨上生长，故室温的铸铁组织也是铁素体和片状石墨，只是铁素体的含量较多。

（3）过共晶合金

液态合金冷却时，在L+C两相区结晶出大片状一次石墨（先共晶石墨）。

在以后的冷却过程中，组织变化与共晶合金的相图。

室温组织仍是铁素体和片状石墨，石墨数量较多且尺寸比较大。

2.孕育处理

铁碳合金按Fe-C相图结晶时，石墨的形成十分困难，为了促进石墨的形核和长大，须加入促进石墨形成的元素Si,所以灰口铸铁中都含有Si。

孕育处理是在浇注前的铁水中进入一定量的孕育剂，以改变石墨形态和铸铁性能。

加入硅铁或硅钙孕育剂可使石墨变为细片状，形成孕育铸铁。

加入镁或稀土镁合金等球化剂进行球化处理，可使石墨成球状，生成球墨铸铁。

加入稀土硅铁、稀土镁钛等稀土合金可使石墨呈蠕虫状，形成蠕墨铸铁。

铁素体基体＋不同形态的石墨组织都是灰口铸铁。

3.铁碳合金的石墨化过程

铁碳合金结晶时石墨形成过程称为石墨化。

铸铁的石墨化过程可分为两个阶段：

液态石墨化过程—从液相凝固开始到共晶转变结束，包括一次石墨、共晶石墨的形成和一次渗碳体。

共晶渗碳体高温分解形成石墨的过程。

固态石墨化过程—从共晶转变结束到共析转变结束，包括二次石墨、共析石墨的形成和二次渗碳体。

共析渗碳体分解成石墨的过程。

由于结晶冷却条件不同，石墨形成的情况也会不同，得到的组织就有差别。

如果共析反应以前的石墨化较充分，而共析温度附近冷却较快，共析石墨化被完全抑制，使奥氏体按Fe-Fe3C相图全部转变为珠光体，则得到以珠光体为基的灰口铸铁；

如果共析石墨化能够部分进行，则形成以铁素体和珠光体为基的灰口铸铁。

如果液态石墨化过程未充分进行，则得到含有石墨、一次渗碳体或共晶渗碳体的麻口铸铁

三.石墨与基体对性能的影响

1.石墨的影响

石墨犹如裂纹和孔洞，破坏基体的连续性，易引起应力集中，所以铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比钢低得多。

在基体组织相图的情况下，石墨形状由粗片状→细片状→球状时，对基体的削弱作用和应力集中程度依次减弱，抗拉强度依次升高。

因此，改变石墨的形状、大小和分布是提高铸铁机械性能的重要途径。

2.基体的影响

一般情况下，基体中铁素体的数量增多，铸铁的塑性、韧性提高；

珠光体的数量增加，则铸铁的强度和硬度提高，而塑性和韧性下降。

如铁素体球墨铸铁的塑性和韧性高，抗拉强度只有σb=400-500MPa；

而珠光体球墨铸铁的抗拉强度达到σb=600-800MPa，硬度高耐磨性好，但塑性、韧性不如铁素体球墨铸铁的高。