工程材料与热加工技术第3章

与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相，从而对 铁碳合金的组织和性能产生影响。
(1) 液相。用符号L表示，是铁碳合金在熔化温度以上形成
的均匀的液体。
(2) 铁素体。用符号F表示，是碳溶解于α-Fe中形成的间隙 固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时 约为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时溶碳量最大， 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度、硬度低，塑性和韧性 良好。其力学性能与工业纯铁大致相同，即σb≈250 MPa、
时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。例如，γ-Fe转
变为α-Fe时，它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件 变形和开裂。
纯铁的磁性转变温度为770℃。磁性转变不是相变，晶格
不发生转变。
3.1.2 铁碳合金的基本相和基本组织 在铁碳合金中，铁和碳是它的两个基本组元。在固态下，
铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁
第3章 铁碳合金相图
3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相
3.2 铁碳合金相图分析
3.3 铁碳合金相图的应用
知识窗——金相观察
学习指导
自测习题
3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相
3.1.1 纯铁的同素异构转变
许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金 属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等 金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下存在两种或两种 以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过
程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，
由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
图3-1所示为纯铁的冷却曲线。液态纯铁在1538℃进行结 晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe。继续冷却到1394℃时发生 同素异构转变，成为面心立方晶格的γ-Fe。再冷却到912℃时 又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的α-Fe。正因为 纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组
表3-1 铁碳合金相图各特性点的说明
符 号 A C D E F G P S 温 度 /℃ 1538 1148 1227 1148 1148 912 727 727 含 碳 量 /% 0 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.0218 0.77 含 义 纯 铁 的 熔 点 共 晶 点LC? ? (AE+Fe3C) Fe3C 的 熔 点 碳 在γ-Fe 中 的 最 大 溶 解 度 共 晶 生 成Fe3C 的 成 分 α-Fe? ? γ-Fe 同 素 异 构 转 变 点 碳 在α-Fe 中 的 最 大 溶 解 度 共 析 点AS? ? (FP+Fe3C)
大，没有使用价值，因而有实用意义并被深入研究的只是FeFe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和
Fe3C。
图3-3 Fe-Fe3C相图
3.2.1 图形分析 铁碳合金相图中有四个基本相，即液相(L)、奥氏体(A)、
铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)。它们各有其相应的单项区。
(1) 相图中的特性点。在铁碳合金相图中，用字母标出的 点都有其特定的意义，称作特性点。主要特性点的温度、含碳 量及含义见表3-1。
80HBS、δ= 45%～50%，工业纯铁(wC≤0.02%)的室温组织是
由铁素体晶粒组成的。
(3) 奥氏体。用符号A表示，是碳溶入γ-Fe中形成的间隙固 溶体，呈面心立溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于
塑性变形(δ= 40%～50%)。故在轧钢或锻造时，为使钢易于进 行变形，常把钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。
织和性能成为可能。
图3-1 纯铁的冷却曲线
纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结 晶的一般规律：有一定的平衡转变温度 (相变点) ；转变时需要 过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。 但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比在液态下困难得 多，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变
(4) 渗碳体相。渗碳体是Fe与C形成的一种具有复杂结构的 间隙化合物，含碳量为6.69%，通常称为渗碳体，用Fe3C(或Cm)
表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。它的硬度极高，可以
刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。 渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件呈条状、网状、片 状、粒状等不同形态，其数量、形态和分布对铁碳合金的力学 性能有很大影响。
(5) 珠光体(合金的一种基本组织)。它是铁素体和渗碳体 组成的机械混合物，用符号P表示。珠光体的含碳量为0.77%。 由于渗碳体在混合物中起强化作用，因此，珠光体有着良好 的力学性能，如其抗拉强度高，硬度较高且仍有一定的塑性 和韧性。珠光体在显微镜下呈片层状，如图3-2所示。图中黑 色层片为渗碳体，白色基体为铁素体。
故其力学性能与渗碳体相近。
图3-2 珠光体的显微组织
3.2 铁碳合金相图分析
铁碳合金相图是以温度为纵坐标、含碳量为横坐标绘制的 图形，如图3-3所示(这里将左上角进行了简化)。它是研究钢和 铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工工艺的制定也具
有重要的指导意义。由于含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极
(2) 相图中的特性线。相图中各条线都表示铁碳合金发生组 织转变的界限，这些线就是组织转变线，又称作特性线。下面 简单介绍一下主要特性线的含义。 ACD 线为液相线。此线以上的区域是液相区，液态合金冷 却到此线温度时，便开始结晶。
AECF线为固相线。表示合金冷却到此线温度时将全部结晶
成固态。 液相线和固相线之间所构成的两个区域，是由液态合金和 结晶体组成的两相区。不过，这两个区所包含的结晶体不同， 液态合金沿AC线结晶出来的是奥氏体，而沿CD线结晶出来的是
(6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。它是奥氏体和渗碳体的 机械混合物，由于其中的奥氏体属高温组织，这时称高温莱氏
体，用符号 Ld 表示。高温莱氏体冷却到 727℃以下时，将转变
为珠光体和渗碳体的机械混合物 (P+Fe3C)，称低温莱氏体，用 符号Ld′表示。
莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有的渗碳体较多，