第五章铁碳合金相图及应用
[重点掌握]
1、铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；
2、根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；
3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。
铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图,相图中的组元只有Fe和Fe3C。
第一节铁碳合金基本相
一、铁素体
1．δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。
2．α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。
F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）二、奥氏体
γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形
三、渗碳体
Fe3C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的点、线、面
1．三条水平线和三个重要点
（1）包晶转变线HJB，J为包晶点。1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L→A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。
（3）共析转变线PSK，S点为共析点。合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分的A发生共析反应：
A→F（0.0218%C）+Fe3C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe3C三相共存。
共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。
珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间, 其机械性能如下：
抗拉强度极限σb≈770MPa
冲击韧性a k≈3×105 J/m2～4×105J/m2
延伸率δ≈20%～35%
硬度：180HB
2．液固相线
液相线ABCD 固相线AECF
二、Fe-C合金平衡结晶过程
7种典型Fe-C合金的平衡结晶过程：
（看动画：Fe-C合金平衡结晶过程）
1.工业纯铁|
2.共析钢
3.亚共析钢
4.过共析钢
5.共晶白口铁
6.亚共晶白口铸铁
7.过共晶白口铸铁
1．工业纯铁（C%≤0.0218%）
铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。
L→L+A→A→A+F→F→F+Fe3C III
相组成物：F+Fe3C (C%>0.0008%)或 F（C%<0.0008%）
相相对量：F%= Fe3C%=
组织组成物：F和Fe3C III
工业纯铁的显微组织 300×
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。主要机械性能如下：
抗拉强度极限σb 180MPa～230MPa
抗拉屈服极限σ0.2 100MPa～170MPa
延伸率δ30%～50%
断面收缩率ψ 70%～80%
冲击韧性a k 1.6×106J/m2～2×106 J/m2
硬度 50HB～80HB
2．共析钢 C%=0.77%
L →L+A →A →A+P →P
光学显微镜下观察的珠光体组织600×
相组成物：F和Fe3C
相相对量：F%= Fe3C%=
组织组成物：P
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
L →L+A →A →A+F →A+P+F →P+F
亚共析钢的室温组织 200× 45钢金相
相组成物：F，Fe3C
相相对量：F%= Fe3C%=
组织组成物：F、P
P%= F%=
4．过共析钢
L →L+A →A →A+Fe3C II→A+P+Fe3C II→P+Fe3C II
(a) (b)
图7.21 含碳1.2%的过共析钢缓冷后的组织500×
(a)硝酸酒精浸蚀，白色网状相为二次渗碳体，暗黑色为珠光体
(b)苦味酸钠浸蚀，黑色为二次渗碳体，浅白色为珠光体
相组成物：F，Fe3C F%= Fe3C%=
组织组成物：P，Fe3C II
组织相对量： Fe3C II%= P%=
5．共晶白口铁（C%=4.3%）
L→L+Le→Le (A+Fe3C共晶)→Le (A+Fe3C共晶+Fe3C II)→Le’(P+Fe3C II+Fe3C)
共晶白口铸铁的室温组织（白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒是由共晶奥氏体转变而来的珠光体）250×
相组成物：F，Fe3C F%= Fe3C%=
组织组成物：Le'
6．亚共晶白口铸铁，2.11%＜C%＜4.3%
