第五章-铁碳相图.doc

第五章　铁碳相图
定义：分析研究铁碳合金在平衡条件下合金的成分、温度、合金相之间关系的图解。
一、 铁碳合金的基本组织与性能
根据铁与碳组元的作用不同，铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
1、 铁素体
铁素体F：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体
铁素体性能：σb＝180－280MPa，δ＝30％－50％，硬度≈80HBS。
2、 奥氏体
奥氏体（A）：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。
奥氏体性能：σb＝400MPa，δ＝40％－50％，硬度＝160－200HBS。
3、 渗碳体
渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的间隙化合物。
渗碳体性能：熔点高约1227℃，硬度≈800HBW，δ≈0，脆性大。Fe3C是钢中的强化相，它的形态、大小、数量与分布对铁碳合金性能产生非常大的影响。
4、 珠光体
珠光体（P）：铁素体和渗碳体组成的两相复合物。其性能介于F和Fe3C之间即：
σb＝770MPa，δ＝20％－30％，硬度≈180HBS，AKV＝24－32J。
5、 莱氏体（Ld或Ld′）
莱氏体：奥氏体和Fe3C组成的两相复合物。在1148℃时称为高温莱氏体（Ld′），溶碳量为ωC＝4.3％；在727℃时，由P和Fe3C组成的两相复合物，称为低温莱氏体（Ld）。
其性能与Fe3C相似，又硬又脆。
二、 铁碳合金相图
在铁碳合金中，铁与碳可形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。而稳定的化合物可作为一个独立的组元。因此，整个Fe－C相图可视为由Fe－Fe3C、Fe3C－Fe2C等一系列二元相图构成。但因铁碳合金中当ωC＞5％时，性能很脆，无实用价值，故铁碳合金相图中仅研究Fe－Fe3C相图。简化后的Fe－Fe3C相图如图5－1所示。

1、相图分析
Fe－Fe3C相图分为上、下两部分。二元共晶相图（前面以讲）和二元共析相图。
⑴Fe－Fe3C相图中的特征点
P点：碳在F中的最大溶解度。
G点：的同素异晶转变点。
Q点：600℃时碳在F中的溶解度。
F、K点： Fe3C的成分点。
S点：共析点。S点成分的A在恒温下同时析出F和Fe3C两相复合物。
共析转变：在一定温度下，一定成分的固相，同时析出成分、结构不同的两种固相的转变。
　　　　　即：
共析转变的产物为P，其性能介于F与Fe3C之间。
⑵Fe－Fe3C相图中的特征线
PSK线：共析线，凡是ωC＞0.0218％时的铁碳合金冷到该线时均要发生共析转变。
ES线：碳在A中的溶解度线，凡是ωC＞0.77％的铁碳合金，由1148℃冷到727℃时过剩的碳将以二次渗碳体形式（Fe3CII）从A的晶界上呈网状析出。
QP线：碳在F中的溶解度线，当温度从727℃冷到600℃时，过剩的碳将以三次渗碳体形式（Fe3CIII）析出。
GS线：铁碳合金冷时由A转变成F的开始线或加热时F转变成A的终了线。
1、 典型合金的结晶过程
⑴按Fe－Fe3C相图，把铁碳合金分成七种类型：
1） ωC＜0.02％的铁碳合金为工业纯铁；
2） 0.02％＜ωC＜0.77％的铁碳合金为亚共析钢；
3） ωC＝ 0.77％的铁碳合金为共析钢；
4） 0.77％＜ωC＜2.11％的铁碳合金为过共析钢；
5） 2.11％＜ωC＜4.3％的铁碳合金为亚共晶白口铸铁；
6） ωC＝4.3％的铁碳合金为共晶白口铸铁；
7） 4.3％＜ωC＜6.69％的铁碳合金为过共晶白口铸铁。
⑵几种典型的铁碳合金的结晶过程分析
1） 共析钢的结晶过程分析　
图2－13中合金I为ωC＝ 0.77％的铁碳合金为共析钢。转变过程:

结晶过程示意图如图5－2所示。

２）亚共析钢的结晶过程分析
图2－13中合金II为ωC＜0.77％的亚共析钢。转变过程:

结晶过程示意图如图5－3所示。

３）过共析钢的结晶过程分析
图2－13中合金III为0.77％＜ωC＜2.11％的过共析钢。转变过程:　

结晶过程示意图如图5－4所示。

４）共晶白口铸铁的结晶过程分析
图2－13中合金IV为ωC=4.3%，的共晶白口铸铁。转变过程:　

结晶过程示意图如图5－5所示。

5）亚共晶白口铸铁的结晶过程分析
图2－13中合金V为ωC＜4.3%的亚共晶白口铸铁。转变过程:　

结晶过程示意图如图5－6所示。

6）过共晶白口铸铁的结晶过程分析
图2－13中合金VI为ωC＞4.3%的过共晶白口铸铁。转变过程:　

结晶过程示意图如图5－7所示。

三、 铁碳合金成分、组织与性能的关系
1、 Fe-Fe3C相图中碳含量对平衡组织的影响
从Fe-Fe3C相图中可知,随着碳含量增加,F的量不断减少, Fe3C的量不断增多,它们的形态与分布也有变化。
在室温下，随碳含量增多，其组织发生如下的变化：

同时F和Fe3C的形态与分布随着铁碳合金成分的变化而发生变化。
2、 相图中碳含量对力学性能的影响
如图5-8所示，铁碳合金中随着碳含量的增加，Fe3C的相对量增加，而F的相对在减少，使合金的强度、硬度升高而塑性、韧性降低。当ωC＞0.9%时，由于晶界中存在网状的Fe3CII而使强度下降。对于白口铸铁，由于组织中存在又硬又脆的莱氏体，工业应用较少。