Fe-C 相图

1. Fe-C相图

2. 1. Fe—C合金的组织和性能 • 钢和铸铁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过渡族金属元素铁(Fe)和非金属元素碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金。 • 铁碳相图是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。

3. 因碳原子半径小，它与铁组成合金时，能溶入铁的晶格间隙中与铁形成间隙固溶体。而间隙固溶体只能是有限固溶体，所以当碳原子溶入量超过铁的极限溶解度后，碳与铁将形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。因碳原子半径小，它与铁组成合金时，能溶入铁的晶格间隙中与铁形成间隙固溶体。而间隙固溶体只能是有限固溶体，所以当碳原子溶入量超过铁的极限溶解度后，碳与铁将形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。

4. 由实际使用发现，含碳量大于5%C的铁碳合金脆性很大，使用价值很小，因此通常使用的铁碳合金含碳量都不超过6.69%，这是因为铁与碳形成的化合物渗碳体（Fe3C）是一个稳定化合物，它的含碳量为6.69%，因此可以把它看作一个组元，它与铁组成的相图就是下面所要介绍的铁碳合金相图，实际上应该称为铁一渗碳体（Fe-Fe3C）相图。

6. 1.Fe—C合金中的组元 A. 纯铁 • 纯铁固态下具有同素异构转变：912 ℃ 以下为体心立方(bcc)晶体结构，912 ℃ 到1394 ℃ 之间为面心立方(fcc)结构, 1394 ℃ 到熔点之间为体心立方(bcc)结构。 • 纯铁具有磁性转变（768℃磁性转变），纯铁的强度、硬度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性，用来制作各种仪器仪表的铁芯。

7. 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

8. 纯铁的相图

9. B. 渗碳体(Fe3C) • 渗碳体是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。渗碳体是一种具有复杂晶体点阵的间隙化合物，属于正交晶系。

10. 复杂结构的间隙化合物(Fe3C)

11. 渗碳体晶胞的八个顶点由碳原子占据，晶胞中还包括其他碳原子（底心、体心和C/2处。渗碳体晶胞的八个顶点由碳原子占据，晶胞中还包括其他碳原子（底心、体心和C/2处。 每个碳原子由六个紧邻铁原子围绕，连接这些铁原子的中心将得到一个八面体，碳原子位于铁原子八面体中心空隙中。

12. 渗碳体中各个八面体的轴并不与晶轴平行而是倾斜一定角度，处在顶端的铁原子为相邻的两个八面体所共有。不难计算，铁原子和碳原子之比是3：1。渗碳体中各个八面体的轴并不与晶轴平行而是倾斜一定角度，处在顶端的铁原子为相邻的两个八面体所共有。不难计算，铁原子和碳原子之比是3：1。 Fe3C中各铁原子之间是纯金属键，铁原子和碳原子之间可能同时存在金属键和离子键。

13. Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。 • Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。 • Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。

14. Fe3C熔点为1227℃，相对于石墨而言，Fe3C是一种亚稳化合物，在较高温度长时间保温下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。 • 所以Fe—Fe3C相图为介稳定系相图，Fe－C相图为稳定系相图，若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一图上，称为Fe－C合金双重相图。

15. 2. Fe—C合金中的基本相 • 在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温度)下，可有六个基本相： 液相、高温铁素体（δ）、奥氏体（γ相或A）、铁素体(α或F)、渗碳体、石墨（C） • （1）液相(L) Fe与C高温下能无限互溶形成均匀的液体 • （2）高温铁素体（δ相）C在δ－Fe的间隙固溶体。在1459℃时最大溶解量可达0.09%，为体心立方结构。 • （3）渗碳体C与铁原子形成的有复杂结构的稳定化合物 Fe3C（正交点阵）。

16. （4） 奥氏体 奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体。具有面心立方晶体结构，它的晶格间隙较大，因此可以溶解较多的碳，1148 ℃ 时最多可以溶解2.11%的碳，到727 ℃ 时含碳量降到0.77%。奥氏体的强度、硬度较低，塑性、韧性较高是塑性相，它具有顺磁性。

17. 奥氏体的显微组织 γ-Fe晶粒呈平直多边形。 碳原子存在于面心立方 晶格中正八面体的中心。

18. （5）铁素体 • 铁素体（α或F）是C溶于α－Fe形成的间隙固溶体。C原子位于八面体间隙。铁素体的含碳量非常低，在727℃时C在α－Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%。 • 其性能与纯铁相似：硬度低，塑性高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁磁性，具有体心立方结构。 • （6） 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以游离态石墨 (hcp)稳定相存在。所以石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本相。

20. 3. Fe—Fe3C相图分析 • 根据分析围绕三条水平线可把Fe—Fe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。 • 分析点、线、区特别是：重要的点、三条水平恒温转变线 、二条磁性转变线(水平)和三条重要的相界线。

21. A.三条水平恒温转变线 • ①包晶线：HJB线（1459℃），J为包晶点(0.17%)，wc=0.09%（H)～0.53%(B)的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即： • L0.53+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ）

22. A：纯铁熔点 H：C在δ－Fe的最大溶解度 J：包晶点 B：包晶反应时液态合金的浓度 N： δ－Fe 和γ—Fe同素异构转变点

23. ②共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点，Wc=2.11～6.69%的Fe、C合金缓冷到ECF线均发生共晶反应，即：②共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点，Wc=2.11～6.69%的Fe、C合金缓冷到ECF线均发生共晶反应，即： • L4.30→γ2.11+ Fe3C （LC→γE+ Fe3C） • 转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体，用Ld表示。

24. E：C在γ—Fe中的最大溶解度(2.11%) C：共晶点 D：渗碳体熔点 F：共晶反应时渗碳体浓度 （6.69% ）

25. ③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡wc>0.0218%(P)的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡wc>0.0218%(P)的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即： • γ0.77→α0.0218 + Fe3C （γS→αP+ Fe3C） • 转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体，用P表示。共析转变温度常用A1表示。

26. G： α－Fe 和γ—Fe同素异构转变点 P：C在α－Fe 中的最大溶解度（0.0218%） S：共析点 K: 共析反应时渗碳体浓度 （6.69%） Q：室温时C在α－Fe 中的溶解度（0.0008%）

27. B. 两条磁性转变线 • ① 230℃水平线为Fe3C的磁性转变线，230℃以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。常用A0表示 • ② 770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁磁性，770℃以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里点。

28. C. 三条重要的相界线(固态转变线) ① GS线：开始析出铁素体或α全部溶入(升温时) 奥氏体的转变线。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析α相开始析出线。常称为A3线或A3温度。

29. ② ES线：C在γ中溶解度曲线。常用Acm表示，称为Acm温度。低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。(cm就是表示Fe3C）为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为二次Fe3C。

30. ③ PQ线：C在α中溶解度曲线。在727℃时，C在α中的最大溶解度0.0218%，当温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，，称为三次Fe3C。以区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。

31. HN线：开始析出奥氏体或奥氏体全部溶入(升温时)高温铁素体的转变线。这条线常称为A4线，平衡的临界点称为A4温度。HN线：开始析出奥氏体或奥氏体全部溶入(升温时)高温铁素体的转变线。这条线常称为A4线，平衡的临界点称为A4温度。

32. 5个单相区：L、δ、γ、 α, Fe3C 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C、γ+α、α+ Fe3C · 3个三相共存区： L+γ+ Fe3C（ECF线）、 L+δ+γ（HJB线）、 γ+α+ Fe3C（PSK线）

33. A0（230℃）：Fe3C的磁性转变线。 A1：共析转变温度线 A2（770℃）：为α的铁磁性转变线 ，又称居里温度 A3(GS)：开始析出铁素体或α全部溶入(升温时) 奥氏体的转变线 Acm(ES)：C在γ中溶解度曲线

34. 高温铁素体（δ相）:C在δ的间隙固溶体,为体心立方结构。高温铁素体（δ相）:C在δ的间隙固溶体,为体心立方结构。 奥氏体(γ或A):C溶解于γ形成的间隙固溶体，为面心立方结构。 铁素体（α或F）：C溶于α形成的间隙固溶体，为体心立方结构。 莱氏体（Ld）：共晶反应时由为γ和Fe3C组成的共晶混合物。 珠光体（P）：共析反应时由α和Fe3C组成的机械混合物

35. 渗碳体：C与铁原子形成的复杂结构的化合物Fe3C。渗碳体：C与铁原子形成的复杂结构的化合物Fe3C。 从液体中直接析出的渗碳体称为一次渗碳体。 从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体。 从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。

36. 4. Fe—C合金分类 • Fe、C合金通常按其含碳量及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁、碳钢、铸铁 • 根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。 • （1）工业纯铁：(Wc<0.0218%)，相图上是P点之左的部分，它的室温组织为单相铁素体或铁素体+三次渗碳体。

37. （2）钢 • 钢是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%)之间的Fe、C合金，相图上是P点和E点之间。 • 根据其室温组织的不同，碳钢又可分为： • 共析钢（S点）：Wc=0.77% • 亚共析钢（P、S）：Wc=0.0218～0.77% • 过共析钢（S、E）：Wc=0.77～2.11% Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。

38. （3）白口铸铁 • 白口铸铁是含碳量在Wc=2.11～6.69%之间的Fe、C合金。 • 其特点是液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。 • 根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种： • 共晶白口铸铁（C）：Wc=4.30% • 亚共晶白口铸铁（E、C）：Wc=2.11～4.30% • 过共晶白口铸铁（C、F）：Wc=4.30～6.69%

40. Fe－C合金的平衡结晶过程及组织 （1）工业纯铁 Wc=0.01% 转变过程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+ Fe3CⅢ 匀晶转变＋多晶型转变＋脱溶沉淀 多晶型转变时优先在晶界上形核并长大。

42. 室温组织为：α+ Fe3CⅢ（不是珠光体） 只要合金成分在PQ之间，降温冷却时都会析出三次渗碳体，设合金成分为PQ之间的任一O点。 根据杠杆定律

43. Fe3CⅢ • 工业纯铁含碳量为0.0218%时析出的三次渗碳体的量最大， Fe3CⅢ最多为0.33%，这里把铁素体在室温时的含碳量当作零处理

44. 转变过程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+ Fe3CⅢ

45. （2）共析钢（Wc=0.77%） 冷却曲线如图： L→L+γ→γ→ P+γ →P（α+ Fe3C） 匀晶转变＋共析转变 ＋脱溶沉淀 发生脱溶转变析出三次渗碳体，它和共析渗碳体混合在一起，并且量很少，一般可以忽略不计。

47. 室温组织为珠光体P（α+ Fe3C），P呈层片状，是铁素体和Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。如图中的白色片状为铁素体，黑色片状为Fe3C。

48. Fe3CⅢ 室温下，珠光体中铁素体与渗碳体的相对量可用杠杆规则来求 所以三次渗碳体的量有限，对组织无影响。

49. 在共析转变开始时，珠光体的组成相中任意一相，铁素体或渗碳体优先在奥氏体晶界上形核并以薄片形态长大，通常情况下，渗碳体优先形核并长大。在共析转变开始时，珠光体的组成相中任意一相，铁素体或渗碳体优先在奥氏体晶界上形核并以薄片形态长大，通常情况下，渗碳体优先形核并长大。 珠光体的层片间距随冷却速度增大而减小，珠光体层片越细，其强度越高，韧性和塑形也越好。 层片状珠光体经适当退火处理，共析渗碳体可在铁素体的基体上呈球状分布，称为球状珠光体，它的强度比层片状珠光体低，但塑形、韧性比其好。

50. 珠光体的光学显微组织照片 球状珠光体的光学显微组织照片