金属学Fe-C 相图
Fe-C相图
Fe-C 相图又称铁碳相图或铁碳状态图。
它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。
简史早在1868 年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。
至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）等利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的温度视加热或冷却(分别以A c和A r表示)过程而异。
奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。
1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即A r1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，A r3下降而与A r2相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与A r1合为一点。
1904年又发现A4至熔点间为δ铁。
以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本(H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。
随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。
目前采用的铁碳平衡图示于图1，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。
当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。
铁素体的强度、硬度不高（σb=180-280MPa,50-80HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=30%-50%,Akv=128-160J)。
所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工奥氏体的强度、硬度为（σb约为400MPa,160-200HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=40%-50%)，无磁性。
材料科学Fe-C合金相图和碳钢
材料科学Fe-C合金相图和碳钢
二、碳素钢的分类 1、按钢的含碳量分类 １）低碳钢 c ＜0.25％； ２）中碳钢 c = 0.25％-0.60％； ３）高碳钢 c ＞ 0.60％。
材料科学Fe-C合金相图和碳钢
2、按钢的冶炼质量分类
碳素钢冶炼质量的高低，主要是根据钢中的有 害元素S、P的含量多少来划分的:
一、Fe-C合金的基本组织
1.铁素体 (F)
2.奥氏体 (A)
3.渗碳体（Fe3C） 4.珠光体（P）
莱氏体 (L ) 5.
d
材料科学Fe-C合金相图和碳钢
1.铁素体 (F) 定义： C在α-Fe中的间隙固溶体。
特点： 晶体结构——bcc
材料科学Fe-C合金相图和碳钢
铁的溶碳能力决定于晶格中原子间的间隙大 小。只有当晶格中间隙半径与碳原子半径相接近 时，碳原子才能溶入到晶格间隙中去。在727℃ 最大溶碳量为0.0218%。
铁-碳合金相图与碳钢
材料科学Fe-C合金相图和碳钢
金属材料
黑色金属
有色金属
黑色金属——以铁及铁碳为主的合金
（钢铁与铸铁）
有色金属——其它金属及其合金
（Cu、Al、Ti 等及其合金）
材料科学Fe-C合金相图和碳钢
§1.铁碳合金的基本组织与性能织、性能 和应用场合也不同。
在铸钢生产中, 碳含量一般规定在0.15-0.6%之间, 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小, 因此铸造性 能较好。
材料科学Fe-C合金相图和碳钢
钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此 锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。
一般始锻、始轧温度控制在固相线以下 100℃～200℃范围内。
!第五章-课件Fe-C相图4
温度下降, Fe3CⅡ量增加。到4点， 成分沿
ES线变化到S点，余下的 转变为P。
室温组织为：P+ Fe3CⅡ
凝固过程：L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ →P + Fe3CⅡ
珠光体金相组织
在同一珠光体中，铁素体和渗碳体具有一定的晶体学位向关系
亚共析钢（Wc=0.0218～0.77% ）的平衡结晶过程及组织
冷却曲线如图：
室温组织为：α+ P 的白色为α。 过程如下：L→L+δ→ L+δ+γ→L+γ→ γ→α+γ → α+P+γ→α+ P （析出Fe3CⅢ）
需注意：①室温组织为α+ P， 由于α发生在共析转变之前， 称为先共析铁素体。 ②共析转变之前α和γ的相对量 (即共析转变后α和P的相对量) 可通过杠杆法则计算。
N
L+ H B
J
+
+
S
铁素体
转变过程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ →α+γ→α→α+ Fe3CⅢ
共析钢（Wc=0.77%）的平衡结晶过程及组织
合金液体在1-2点间转 变为。到S点发生共析 转变：S⇄P+Fe3C, 全 部转变为珠光体。
L→L+γ→γ→P（α+ Fe3C）
共析钢的室温组织
亚共析钢的室温组织
亚共析钢室温下的组织为F+P . 在0.0218~0.77%C 范围内珠光体量随含碳 量增加而增加。
Fe-C相图解析
铁碳合金中的根本组织
含碳量小于2.11％的合金为碳钢，含碳量大于2.11％ 的合金为白口铸铁。全部碳钢和白口铸铁在室温下的 组织均有铁素体〔F〕和渗碳体〔Fe3C〕这两个根本 相所组成。只是因含碳量不同，铁素体和渗碳体的相 对数量及分布形态有所不同，因而呈不同的组织形态。
✓ 在铁碳合金中，当wc=0.77％，温度在727℃时，会 产生共析转变。所共析转变是指在某一恒定温度时，
合金⑤是碳的质量分数为共晶成分〔wc=4.3%〕的共晶铁碳合金。从相图上可 看到当温度在1点〔1148 C〕之上是均匀的液相状态，当温度降到1点之后发 生恒温共晶转变。即 L4.3→(A2.11+Fe3C)≡Ld。液相全部以共晶转变的方式结 晶成高温莱氏体〔Ld〕。组成高温莱氏体的奥氏体和渗碳体分别被称为共晶奥 氏体和共晶渗碳体。共晶奥氏体通常以树枝状分布在共晶渗碳体的基体上。但 当温度降到1点以下，随温度的下降，碳在奥氏体中溶解度的下降，Ld中的共晶 奥氏体也同样会析出Fe3CⅡ，并与Ld中作为基体的共晶渗碳体混成一体。在 1～2点之间合金⑤的显微组织是Ld。当Ld中的共晶奥氏体析出Fe3CⅡ，时其 本身的碳的质量分数也不断下降，当温度降到2点〔727℃〕时共晶奥氏体的wc ＝0.77%，随即发生共析转变，共晶奥氏体转变成珠光体，从2点直到室温，合 金⑤的显微组织是在渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体。这种显微组织称 为低温莱氏体，也称为变态莱氏体，符号是Fe3CⅡ+Ld` 。
室温组织 过共析钢其组织由珠光体和先共析渗碳体〔即二次渗碳体〕组 成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。图为含碳量1.2 ％的过共析钢的显微组织。组织中存在片状珠光体和网络状二 次渗碳体，经浸蚀后珠光体成暗黑色，而二次渗碳体则呈白色 网络状。
Fe-C相图
Fe-Fe3C相图
1.Fe—C合金中的组元 铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C）
(1)
纯铁（Fe）
纯铁（pure iron） 纯 铁 固 态 下 具 有同 素 异 构 转 变 （allotropic transformation） 纯铁具有磁性转变（770℃磁性转变、 magnetic transformation）。
钢锭及其冶炼
冶炼工艺的主要任务 冶炼工艺的主要方法
钢锭的结构
钢锭是由冒口、锭 身、 底部组成
钢锭的内部缺陷
激冷结晶区（细小等轴结晶区） 没问题 柱状结晶区 没多大问题 树枝状结晶区 多产生负V型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、气泡等缺陷 自由结晶区（粗大等轴结晶区） 多产生V型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,呈 所谓疏松组织 淀淀结晶区 常产生夹渣类缺陷
疏松
它主要集中在钢锭中心部位，产生的原因与 缩孔相同。
影响钢锭冶金缺陷的条件
综上所述，钢锭的冶金缺陷与冶炼、浇注过 程、冷凝结晶条件、钢锭模具设计、耐火材 料质量等有关。
实例（接管段锻件用钢生产方案 ）
采用双真空处理的工艺进行生产。 .1、冶炼浇注方案 采用电炉（3#、4#、5#）冶炼温度较高、成份合 适的粗炼钢水，分别热兑到130t和90t精炼炉内进行 精炼及一次真空处理。依据炉前快速分析的结果， 适时调整钢水成份，直至达到目标值。 当精炼炉钢水成份、温度合适时，分别采用200t 及250t天车吊包出钢，在250t真空室（1#真空室）、 利用真空浇注及中间包芯杆吹氩（LB3），在浇注 过程中对钢水进行二次真空处理。 钢锭在浇注完并冷凝一定时间后，脱模，用300t送 锭车热送至水锻
第4章第二讲 Fe-C合金相图
4.4 铁碳合金相图
包晶点
B J
共晶点
F C
共析点
S
K
4.4 铁碳合金相图
2. 相图中的线 液相线(ＡＢＣＤ): 结晶时液相的成分变化线 固相线(ＡＨＪＥＣＦ): 结晶时固相的成分变化线
4.4 铁碳合金相图
A H B J E C
液相线(ＡＢＣＤ):
D F
固相线(ＡＨＪＥＣＦ):
4.4 铁碳合金相图
4.4 铁碳合金相图
(1) 铁素体 ( F ) 碳溶于α–Fe中形 成的间隙固溶体。 C 原子溶于八面体间隙。 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%，所以 其性能与纯铁相似。
4.4 铁碳合金相图
(2) 奥氏体 ( A ) Austenite 碳溶于γ-Fe 中形成的间隙 固溶体。 γ具有 fcc结构。具有 面心立方晶体 结构的奥氏体 可以溶解较多 的碳，1148°C 时最多可以溶 解2.11%的碳。
4.4 铁碳合金相图
4.4 铁碳合金相图
一、 Fe – C 二元相图基本知识
温 度
Fe
Fe3C Fe2C (6.69%C)
FeC
C
4.4 铁碳合金相图
4.4 铁碳合金相图
二、 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构 一、组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite ) 二、基本相 * 液相L、 δ相、 γ相、α相、 Fe3C相 二、基本组织 * 铁素体 ( F )、奥氏体(A)、渗碳体 ( Fe3C ) * 珠光体(P)、莱氏体(Ld)、
4.4 铁碳合金相图
ES：碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线。
Fe-C相图知识
铁碳相图和铁碳合金(一)钢(Steels)和铸铁(Cast irons)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铁(Fe)和碳(C)两种元素。
因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。
所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC 和FeC-C四个部分。
由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图1 铁碳双重相图【说明】图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
铁碳相图
二、典型合金的平衡凝固过程
（一）工业纯铁
1
．当T在
L→δ
T1
～T2时
，由
2．分在不T2变～T3时，δ的成
3.在T3～T4时，由δ→A 4. T4～T5,A成分不变
5. T5～T6, 由A→F 室温组织为：F+Fe3CⅢ
5.2 铁碳合金相图分析
典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置
F:白色等轴晶粒；Fe3C：呈小白片状分布于F晶界
工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
5.2 铁碳合金相图分析
过共析钢 共析钢 亚共析钢
亚共晶白口铁 过共晶白口铁 共晶白口铁
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
a＋Fe3C
0
C％(重量)
Fe
C
D L＋Fe3C F
4.3
K
6.69 Fe3C
8
一、相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
符号 温度（℃） 含碳量（%）说明
A
1538
0
纯铁的熔点
B
1495
0.53
包晶转变时液相合金的成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点(计算值)
E
1148
2.11
C在奥氏体中的最大溶解度
相：L、d、A、F、Fe3C 五个相。
相区：五个单相区：L、 d、 A、F、Fe3C 。 七个双相区：L＋A、 L＋ d、 L+ Fe3C、 d ＋A、 A