北京科技大学铸造合金及制备工艺2.1-铸铁相图及组织

铁碳二元合金 双重平衡相图
随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从 液相中析出γ 初， 液相L的成分沿 BC线变化； 当温度下降至共晶温度TE (1147 ℃)时， 液相L 的成分达到C点的共晶成分，发生共晶反应， 即LC = γE + Cm共；再降温时，从γ E中不断析 出CmⅡ， γ E的成分沿 ES线变化；当温度下降 至共析温度TS(727 ℃)时， γ E的成分达到S点 奥氏体的成分，此时发生共析反应，即γS = αP + Cm析；再降温时，从αP中不断析出 CmⅢ ， αP的成分沿PQ变化，直至温度下降到 Q， α的成分不再发生变化 。
渗碳体Fe3C的空间晶体结构示意图
石墨G 石墨是碳的一种同素异构体，属于六方晶系；石 墨晶体中的碳原子呈层状排列，在同层原子中以 共价键结合，其结合力很强，而层与层原子之间 则是以极性键结合，其结合力较弱，因此石墨极 易分层剥离，强度、硬度极低；石墨晶体结构如 下图所示。
石墨的晶体结构示意图
莱氏体(Ledeburite) 莱氏体是铁碳二元合金按介稳系转变时的共晶反 应产物，由共晶奥氏体和共晶渗碳体混合组成 (Fe3C占52.5wt%)，符号为Ld ；莱氏体的强度 低、硬度高；莱氏体的结构如下图所示。
亚共晶铁碳二元合金的平衡转变组织为： G共 + GII + G析 + GIII + α 简写为：G + α
共晶铁碳系的转变(C=4.26wt%) 随着温度的下降，到达共晶温度TE’ (1153 ℃) 时， 发生共晶反应，即LC’ = γE’ + G共；再降 温时，从γ E’中不断析出GⅡ， γ E’的成分沿 E’S’ 线变化；当温度下降至共析温度TS’ (736 ℃) 时， γ E’的成分达到S’点奥氏体的成分，此时 发生共析反应，即γS’ = αP’ + G析；再降温 时，从αP’中不断析出GⅢ ， αP’的成分沿P’Q’变 化，直至温度下降到Q’， α的成分不再发生变 化。
过共晶铁碳合金介稳系的平衡转变组织 为： CmI + Cm共 + CmⅡ + Cm析 + CmⅢ + α 简写为 Cm + P(Cm析 + α) ∴综上所述，铁碳二元合金介稳系的平衡 转变组织均可表示为 Cm + P(Cm析 + α)
2.1.1.3 铁碳二元合金相图中的基本组成
分析铁碳二元合金相图时，使用了一些基本组 成物的名称，下面简要介绍这些基本组成物的 含义。 纯铁 理想纯铁的熔点为1536℃，密度为 7.68g/cm3；纯铁在1392和911 ℃时发生同素 异构变化，即911 ℃以下，纯铁称为α铁，体 心立方结构，在911 ℃以上和1392 ℃以下， 纯铁称为γ铁，面心立方结构，在1392 ℃以 上，纯铁称为δ铁，体心立方结构；纯铁的居 里点为770 ℃；纯铁的同素异构现象如下图所 示。
共析反应
γS = αP + Cm析 γS’ = αP’ + G析 (727 ℃) (736 ℃)
2.1.1.2 铁碳二元合金的平衡转变
铁碳二元相图是分析铸铁组织的有力工具，该 相图分为稳定系和介稳系，稳定系用虚线表 示，即Fe-C系，介稳系用实线表示，即FeFe3C系。 下面按稳定系和介稳系分别描述铁碳合金的平 衡转变过程。
δ铁素体 δ铁素体是碳溶解在δ铁中形成的间隙固溶 体，在1493℃时的最大溶解碳量为 0.086wt%。 γ奥氏体 γ奥氏体是碳溶解在γ铁中形成的间隙固溶体， 在1147℃时的最大溶解碳量为2.14wt%。 P珠光体 介稳系共析转变产物被成为珠光体，用P表 示；珠光体一般为片状结构，即铁素体和渗碳 体按片状交替排列组成；珠光体强度和硬度 高、韧性较低；珠光体结构如下图所示。
铸造合金及制备工艺
北京科技大学 材料成形与控制工程系 毛卫民
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铸铁及其制备工艺
2.1铸铁相图和组织的形成
2.1.1 铁碳二元合金相图
铁碳二元相图(双重)是描述铁碳二元合 金的相组成（在平衡条件下，各组成相 的种类和数量）随铁碳二元合金成分和 温度变化而变化的规律，是指导铸铁生 产和研制新型铸铁的重要工具和参考。
铁碳二元合金 双重平衡相图
铁碳二元合金 双重平衡相图
2.1.1.1铁碳二元合金相图分析
相图中各个点所对应的温度(℃)和含碳量 (wt%)： A 1153,0.00; B 1493,0.53; C1147,4.30; D 1252,6.689; E 1147,2.14; F 1147,6.689; G 911, 0.00；H 1493,0.086; J 1493,0.16; K 727,6.689; N 1392,0.00; P 727,0.034; Q 0,0.00; S727,0.76。 C′ 1153,4.26；D′ 4000,100.00；E′ 1153,2.10；F′ 1153,6.689；K′ 736,6.689；P′ 736,0.032；S′ 736,0.69
2.1.1.2.1 稳定系平衡转变
亚共晶铁碳系的转变(C<4.26wt%) 随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从 液相中析出γ 初， γ 初的成分沿 JE′线变化；当 温度下降至共晶温度TE ’时， γ 初的成分达到E′ 点奥氏体的成分；再继续降温时，将从γ 初中 不断析出GⅡ， γ 初的成分沿 E′S′线变化；当温 度下降至共析温度TS’ (736 ℃)时， γ 初的成分 达到S′点奥氏体的成分，此时发生共析反应， 即γS’ = αP’ + G析；再降温时，从αP’中不断析 出GⅢ ， αP’的成分沿P′Q′变化，直至温度下降 到Q′ ， α的成分不再发生变化 。
共晶铁碳合金的平衡转变组织为： G共 + GII + G析 + GIII + α 简写为：G + α
过共晶铁碳系的转变(C>4.26wt%) 随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从 液相中析出GI， 液相L的成分沿 D’C’线变化； 当温度下降至共晶温度TE’ (1153 ℃)时， 液相 L的成分达到C’点共晶液相的成分，发生共晶 反应，即LC’ = γE’ + G共；再降温时，从γ E’中 不断析出GⅡ， γ E’的成分沿 E’S’线变化；当温 度下降至共析温度TS’ (736 ℃)时， γ E’的成分 达到S’点奥氏体的成分，此时发生共析反应， 即γS’ = αP’ + G析；再降温时，从αP’中不断析 出GⅢ ， αP’的成分沿P’Q’变化，直至温度下降 到Q’， α的成分不再发生变化 。
铁碳二元合金 双重平衡相图
随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从 液相中析出γ 初， 液相L的成分沿 BC’线变化； 当温度下降至共晶温度TE’ (1153 ℃)时，液相 L的成分达到C’点的共晶成分，发生共晶反 应，即LC’ = γE’ + G共；再降温时，从γ E’中 不断析出GⅡ， γ E’的成分沿 E’S’线变化；当温 度下降至共析温度TS’ (736 ℃)时， γ E’的成分 达到S’点奥氏体的成分，此时发生共析反应， 即γS’ = αP’ + G析；再降温时，从αP’中不断析 出GⅢ ， αP’的成分沿P’Q’变化，直至温度下降 到Q’， α的成分不再发生变化 。
过共晶铁碳合金的平衡转变组织为： GI + G共 + GII + G析 + GIII + α 简写为：G + α ∴综上所述，铁碳二元合金稳定系的平衡 转变组织均可表示为 G+α
2.1.1.2.2 介稳系平衡转变
亚共晶铁碳系的转变(C<4.3wt%) 随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从 液相中析出γ 初， γ 初的成分沿 JE线变化；当 温度下降至共晶温度TE（1147 ℃ ）时， γ 初 的成分达到E点奥氏体的成分；再降温时，从γ 初中不断析出CmⅡ， γ 初的成分沿 ES线变化； 当温度下降至共析温度TS(727 ℃)时， γ S = αP + Cm析；再降温时，从αP中不 断析出CmⅢ ， αP的成分沿PQ变化，直至温度 下降到Q， α的成分不再发生变化 。
相图中最重要的点 对铸铁来说，C、C′、E、E′ 、S、S′ 点最重 要。 相图中最重要的线 ECD ⎯ 1147℃、PSK ⎯ 727 ℃ ； E′C′D′ ⎯ 1153℃ 、P′S′K′ ⎯ 736 ℃ ； 相图中最重要的相变反应 共晶反应 LC = γE + Cm共 (1147 ℃) LC’ = γE’ + G共 (1153 ℃)
亚共晶铁碳合金介稳系的平衡转变组织 为： Cm共 + CmⅡ + Cm析 + CmⅢ + α 简写为 Cm + P(Cm析 + α)
共晶铁碳系的转变(C=4.3wt%) 随着温度的下降，到达共晶温度TE （1147 ℃ ）时，发生共晶反应，即 LC = γE + Cm共；再降温时，从γ E中不断析 出CmⅡ， γ E的成分沿 ES线变化；当温 度下降至共析温度TS(727 ℃)时， γ E的 成分达到S点奥氏体的成分，此时发生共 析反应，即γS = αP + Cm析；再降温 时，从αP中不断析出CmⅢ ， αP的成分沿 PQ变化，直至温度下降到Q， α的成分 不再发生变化 。
共晶铁碳合金介稳系的平衡转变组织为： Cm共 + CmⅡ + Cm析 + CmⅢ + α 简写为 Cm + P(Cm析 + α)
共晶铁碳系的转变(C>4.3wt%) 随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从 液相L中析出CmI ，液相L沿DC线变化；当到达 共晶温度TE（1147 ℃ ）时，液相L的成分达 到C点的共晶成分，发生共晶反应，即 LC = γE + Cm共；再降温时，从γ E中不断析出CmⅡ， γ E 的成分沿 ES线变化；当温度下降至共析温度 TS(727 ℃)时， γ E的成分达到S点奥氏体的成 分，此时发生共析反应，即γS = αP + Cm析； 再降温时，从αP中不断析出CmⅢ ， αP的成分 沿PQ变化，直至温度下降到Q， α的成分不再 发生变化 。