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第四章铁碳合金相图

碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料,是铁和碳组成的合金,不同成分的
碳钢和铸铁,组织和性能也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热
处理工艺以及分析工艺废品的原因时,都需要应用铁碳相图。
在铁碳合金中,根据结晶条件不同,组元碳可具有碳化物 Fe3C(渗碳体)
和石墨两种形式,渗碳体在热力学上是一个亚稳定相(meta-stable phase),而
石墨是稳定的相。在通常情况下,铁碳合金是按 Fe-Fe3C 系进行转变,本章我
们讨论的铁碳相图实际上就是 Fe-Fe3C 相图。

4-1 铁碳合金的组元
一、纯铁
纯铁的熔点为 1538℃,其冷却曲线如图 所示。


温度(℃)
时间
图 纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化

纯铁由液态结晶为固态后,继续冷却到 1394℃及 912℃时,先后发生两次
晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变
(allotropic transformation)。同素异构转变伴有热效应产生,因此在纯铁的冷
却曲线上,在 1394℃及 912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下:
1394O C 912O C
δ− Fe ⇔γ− Fe ⇔α− Fe
(体心立方) (面心立方) (体心立方)
温度低于 912℃的铁为体心立方晶格,称为α-Fe;温度在 912~1394℃间
的铁为面心立方晶格,称为γ-Fe ;温度在 1394~1538℃间的铁为体心立方晶
格,称为δ-Fe。
工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低,塑性好,其机械性能大致如下:
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7 7 2
拉伸强度σb 18×10 ~28×10 N/m
7 7 2
10×10 ~17×10 N/m
延伸率δ 30~50%
断面收缩率ψ 70~80%
2
冲击值 160~200J/cm
布氏硬度 HB 50~80

二、碳在铁中的固溶体

碳的原子半径较小,在α-Fe 和γ-Fe 中均可进入 Fe 原子间的空隙而形成
间隙固溶体。
碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体(ferrite),常用符号 F 或α表示,
其最大溶解度为 %C,发生于 727℃,碳多存在于体心立方α结构的八
面体空隙。铁素体与α-Fe 在居里点 770℃以下均具有铁磁性。
碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体(austenite),常用符号 A 或γ
表示,其最大溶解度为 %C,发生于 1148℃,碳多存在于面心立方γ结
构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe 均具有顺磁性。

三、铁碳化合物

当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时,多余的碳主要以碳化物
Fe3C 的形式存在。
Fe3C 称为渗碳体,是一种具有复杂结构的间隙化合物,其中含碳 %,
其硬度很高,塑性几乎为零。


4-2 Fe-Fe3C 相图分析
Fe-Fe3C 相图如图 所示。
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图 Fe-Fe3C 相图

图中 ABCD 为液相线,AHJECF 为固相线。整个相图主要由包晶、共晶和
共析三个恒温转变所组成:
(1) 在 HJB 水平线(1495℃)发生包晶转变:
LB + δ H ⎯⎯→γ J
转变产物是γ。此转变仅发生在含碳 ~%的铁碳合金中。

(2) 在 ECF 水平线(1148℃)发生共晶转变:
LC ⎯⎯→γ E + Fe3C
转变产物是γ和 Fe3C 的机械混合物,称为莱氏体(ledeburite),用符号 Ld
或 Le 表示。含碳 ~%的铁碳合金都发生此转变。

(3) 在 PSK 水平线(727℃)发生共析转变:
γ⎯⎯→α P + Fe3C
转变产物是α和 Fe3C 的机械混合物,称为珠光体(pearlite),用符号 P 表
示。所有含碳量超过 %的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常
称为 A1 温度。

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此外,Fe-Fe3C 相图中还有三条重要的固态转变线:
(1) GS 线:γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线,常称此温度为 A3 温
度。
(2) ES 线:碳在γ中的溶解度线。常称此温度为 Acm 温度。低于此温度时,
γ中将析出 Fe3C,称为二次渗碳体 Fe3CII,以区别于从液体中经