第五章 相平衡和相图-Fe-FeC3相图131104

第五章相平衡与相图材料科学基础第四节Fe-C相图一、概述（1）碳钢和铸铁是最为广泛使用的金属材料，铁碳相图是研究钢铁材料的组织和性能及其热加工和热处理工艺的重要工具。（2）在Fe-C系统中，碳可以以两种形式存在：•游离态石墨（表示为C或G），含碳量100%，是稳定相；•化合物Fe3C（表示为Cm），含碳量6.69%。Fe3C是亚稳相，在一定条件下可以分解为铁和石墨，即Fe3C→3Fe＋C（石墨）（3）相应于碳的两种形式，存在两种相图，重合在一起，构成双重相图：•Fe-C（石墨）相图，稳定平衡相图（虚线），Fe和C构成相图的组元。•Fe-Fe3C相图，亚稳定平衡相图（实线）。Fe和Fe3C构成相图的组元。•通常情况下，铁碳合金是按Fe－Fe3C系进行转变。只有在极其缓慢的冷却条件下才有可能形成石墨，按Fe-C（石墨）系进行转变。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图二、Fe-Fe3C1.组元和相（1）Fe为同素异构体，在常压下从高温到低温，具有3个晶态：-Fe，-Fe，-Fe（2）碳有两种晶态：金刚石：金刚石结构；石墨：六方结构（3）在Fe-Fe3C系中有4种晶体相：•铁素体（或F）：碳原子溶于-Fe形成的固溶体（体心立方结构）；•高温铁素体（）：碳原子溶于-Fe形成的固溶体（体心立方结构）；•奥氏体（或A）：碳原子溶于-Fe形成的固溶体（面心立方结构）；•渗碳体（Cm）：碳与铁形成复杂结构的化合物Fe3C（正交点阵）。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图2.水平线（1）HJB—在1495℃发生的包晶转变：LB＋H→J，转变产物是奥氏体（A）；（2）ECF—在1148℃发生的共晶转变：Lc→E+Fe3C，转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体（Ld）；（3）PSK—在727℃发生共析转变：s→P+Fe3C，转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体（P）。共析转变温度常标为A1温度。（4）770℃的水平虚线—铁素体的磁性转变温度，常称为A2温度。（5）230℃的水平虚线—渗碳体的磁性转变。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图3.固态两相平衡转变（脱溶分解，固溶析出）在Fe－Fe3C相图中，有3条重要的固溶度曲线：（1）GS线——奥氏体中开始析出铁素体（降温时）或铁素体全部溶人奥氏体（升温时）的转变线。•曲线所代表的温度常称为A3温度。（2）ES线——碳在奥氏体中的溶解度曲线。•曲线所代表的温度常称Acm温度。•低于此温度，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳体，用Fe3CII表示，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CI（3）PQ线——碳在铁素体中的溶解度曲线。•在727℃时，碳在铁素体中的最大含碳量达到0.0218％C。•铁素体从727℃冷却时也会析出极少量的渗碳体，以三次渗碳体Fe3CIII称之，以区别上述两种情况产生的渗碳体。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图4.铁碳合金的分类铁碳合金通常可按含碳量及其室温平衡组织分为三大类：（1）工业纯铁，C0.0218%（2）碳钢，0.0218%C2.11%•共析钢，C=0.77%；•亚共析钢，0.0218%C0.77%；•过共析钢，0.77%C2.11%；（3）铸铁，2.11%C6.69%•共晶白口铁，C=4.30%；•亚共晶白口铁，2.11%C4.30%；•过共晶白口铁，4.30%C6.69%；第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图•碳钢和铸铁是按共晶转变来区分的，无共晶转变，即无莱氏体的合金称为碳钢。既无共析转变也无共晶转变的合金称为工业纯铁。•碳钢和铸铁的理论分界碳含量为2.11%。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图5.平衡凝固过程（1）工业纯铁（C0.0218%）•L（匀晶转变）（固溶体同素异晶转变）（固溶体同素异晶转变）+Fe3CIII（脱溶分解）•室温平衡组织：+Fe3CIII，铁素体第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图图7.18工业纯铁的显微组织300×第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图（2）共析钢（C=0.77%）•L（匀晶转变）+Fe3C（共析转变）•室温平衡组织：P（+Fe3C），100%珠光体，层片状混合物。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图（3）亚共析钢（0.0218%C0.77%）•0.09%C：L•0.09%C0.17%：LL+•C=0.17%：LL+•0.17%C0.53%：LL+L•C0.53%：L•（固溶体同素异晶转变）脱溶分解（+Fe3CIII）共析转变（+Fe3C）•室温平衡组织：+Fe3CIII+P（+Fe3C）第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图图7.20亚共析钢的室温组织200×第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图（4）过共析钢，0.77%C2.11%；•L（匀晶转变）脱溶分解（+Fe3CII）共析转变（+Fe3C）•室温平衡组织：Fe3CII+P（+Fe3C）第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图(a)(b)图7.21含碳1.2%的过共析钢缓冷后的组织500×硝酸酒精浸蚀，白色网状相为二次渗碳体，暗黑色为珠光体第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图（5）共晶白口铁，C=4.30%；•共晶转变L（+Fe3C）Ld脱溶分解（+Fe3CII）共析转变（+Fe3C）•室温平衡组织：室温莱氏体Ld（Fe3CII+P）第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图图7.22共晶白口铸铁的室温组织250×白色基体是共晶渗碳体黑色颗粒是由共晶奥氏体转变而来的珠光体第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图（6）亚共晶白口铁，2.11%C4.30%；•L（匀晶转变）脱溶分解（+Fe3CII）共晶转变L（+Fe3C）Ld共析转变（+Fe3C）脱溶分解（+Fe3CII）共析转变（+Fe3C）•室温平衡组织：Fe3CII+P+Ld（Fe3CII+P+Fe3C共晶）第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图（7）过共晶白口铁，4.30%C6.69%；•LFe3CI共晶转变L（+Fe3C）Ld脱溶分解（+Fe3CII）共析转变（+Fe3C）•室温平衡组织：Fe3CI+Ld（Fe3CII+P+Fe3C共晶）第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图图7.24过共晶白口铸铁冷却到室温后的组织250×（白色条片是一次渗碳体，其余为莱氏体）第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图总类分类名称碳浓度(%)室温平衡组织铁工业纯铁0.0218铁素体(F)铁素体＋三次渗碳体(F)+CmIII钢亚共析钢共析钢过共析钢0.0218-0.770.770.77-2.11先共析铁素体＋珠光体(F)+P珠光体，P先共析二次渗碳体＋珠光体P+CmII铸铁亚共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁2.11-4.304.304.30-6.69珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体P+CmII+Ld莱氏体Ld一次渗碳体＋莱氏体CmII+Ld第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图6.碳对Fe-C合金组织性能的影响（1）室温下各种组织的形态•铁素体：等轴铁素体•珠光体：共析铁素体和共析渗碳体为层片状。•一次渗碳体：长条状•二次渗碳体：网状•三次渗碳体：颗粒状•室温莱氏体：共晶渗碳体为连续的基体。（2）室温下两个组成相的性能•铁素体：塑性和韧性高，强度和硬度较低。•渗碳体：塑性和韧性低，硬而脆。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图（3）碳对对Fe-C合金组织的影响•完全按Fe-Fe3C相图结晶的的铸铁平衡组织都是由铁素体和渗碳体组成。但不同含碳量的合金中，铁素体和渗碳体的数量和组织形态不同。•随含碳量增加，渗碳体的数量增加，铁素体数量减少。•随含碳量增加，合金组织的变化：+PPP+CmIIP+CmII+LdLd+CmI（4）碳对Fe-C合金性能的影响•在碳钢中，珠光体数量越多，强度越高。•在铸铁中有共晶莱氏体，塑性，强度和韧性均比钢差。•共晶铸铁的铸造性最好。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图三、Fe-石墨相图1.相图中的线和区CD——从液相结晶出一次石墨GI；ES——从奥氏体中析出二次石墨GII；PQ——从铁素体中析出三次石墨GIII；ECF——共晶反应线，LCE+GPSK——共析反应线，SP+G2.Fe-石墨结晶平衡组织•完全按Fe-石墨相图结晶的的所有铸铁的平衡组织都是由铁素体和片状石墨组成。•随含碳量增加，石墨数量增加，铁素体数量减少。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图2.铁碳合金的石墨化铁碳合金中形成石墨的过程称为石墨化，分为两个阶段：（1）液态石墨化：•从液体中直接形成一次石墨和共晶石墨；•一次渗碳体和共晶渗碳体的高温分解。（2）固态石墨化：•从奥氏体中形成的二次石墨和共析石墨；•二次渗碳体和共析渗碳体的分解。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图3.铸铁的类型和组织根据石墨化程度，铸铁可分为（1）白口铸铁•完全按Fe-Fe3C相图结晶的铸铁的平衡组织由铁素体和渗碳体组成。其断口呈现白色，故称为白口铸铁。（2）灰口铸铁•第一阶段的石墨化可以充分进行，第二阶段的石墨化充分或部分，铸铁组织由基体组织和石墨组成。其断口呈现深灰色，故称为灰口铸铁。•结晶条件不同，第二阶段的石墨化程度不同，基体组织分别为铁素体、珠光体、铁素体+珠光体。（3）麻口铸铁•第一阶段的石墨化未充分进行，铸铁组织中包括石墨和共晶渗碳体或一次渗碳体，称为麻口铸铁。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图根据石墨的形状，铸铁可分为：（1）普通灰口铸铁，石墨为粗片状。（2）孕育灰口铸铁，石墨为细片状，（加入孕育剂，孕育处理）。（3）球墨铸铁，石墨为球状，（加入球化剂，球化处理）。4.石墨和基体组织对铸铁性能的影响•石墨为粗片状细片状球状，力学性能提高。•珠光体数量增加，强度提高，塑性降低。第四节Fe-C相图材料科学基础第五章相平衡与相图