第3章铁碳合金 教学提示:钢铁材料是工业中应用范围最广的合金,铁碳合金相图是研究铁碳合金的重 要工具。它是研究铁碳合金的化学成分、组织和性能之间关系的理论基础。了解与掌握铁碳 相图,对于钢铁材料的研究和使用,各种热加工工艺的制定等方面具有很重要的指导意义 铁碳相图是人类经过长期生产实践并进行大量科学实验总结出来的。由于钢中的含碳量 最多不超过2.11%,铸铁中的含碳量不超过5%,所以研究铁碳合金时,仅研究 Fe-Fe3 C(含 碳量为0%~669%)部分,下面所讨论的铁碳合金相图,实际上是FeFe3C相图,是FeC 相图的一部分 铁碳合金中的碳有两种存在形式:渗碳体FeC和石墨。在通常情况下,碳以渗碳体形 式存在,即铁碳合金按Fe-Fe3C系转变。但是Fe3C是一个亚稳相,在一定条件下可以分解 为re(实际上是以铁为基的固溶体)和石墨,所以石墨是碳存在的更稳定状态。因此,铁碳 相图存在Fe-Fe3C和Fe-石墨两种形式,本章仅研究 Fe-Fe. C相图 教学要求:通过本章的学习,使学生在掌握Fe-FeC相图中点、线及各相区的物理意 义的基础上,学会分析不同成分的铁碳合金的平衡结晶过程,能用杠杆定律计算室温下相 组成物和组织组成物的相对量;掌握铁碳合金室温下组织组成物与相组成物的形态和性能 特点 3.1铁碳合金的组元及基本相 3.11纯铁 铁是元素周期表上第26号元素,原子量为5585 属于过渡族元素。在常压下于1538℃熔化,2738℃气 1538 化。铁在20℃时的密度为787g/cm 1.铁的同素异晶转变 铁具有多晶型性,图3.1是铁的冷却曲线。由图可 以看出,纯铁在1538℃结晶为8Fe,X射线分析表明,面心立力 它具有体心立方晶格。当温度继续冷却至1394℃时, 器 6-Fe转变为面心立方晶格的y-Fe,通常把δ-Fe→y-Fe 的转变称为A4转变,转变的平衡临界点称为A4点。当 温度继续冷却至912℃时,面心立方晶格的γ-Fe又转 70-体心立方 1G器 变为体心立方晶格的a-Fe,把γ-Fe→a-Fe的转变称为 有磁性的 A3转变,转变的平衡临界点称为A3点。912℃以下 体心立方 c=38 铁的晶体结构不再发生变化。因此,铁具有三种同素 异晶状态,即δ-Fe、y-Fe和a-Fe 图31纯铁的冷却曲线
第 3 章 铁 碳 合 金 教学提示：钢铁材料是工业中应用范围最广的合金，铁碳合金相图是研究铁碳合金的重 要工具。它是研究铁碳合金的化学成分、组织和性能之间关系的理论基础。了解与掌握铁碳 相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制定等方面具有很重要的指导意义。 铁碳相图是人类经过长期生产实践并进行大量科学实验总结出来的。由于钢中的含碳量 最多不超过 2.11%，铸铁中的含碳量不超过 5%，所以研究铁碳合金时，仅研究 Fe-Fe3C(含 碳量为 0%～6.69%)部分，下面所讨论的铁碳合金相图，实际上是 Fe-Fe3C 相图，是 Fe-C 相图的一部分。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体 Fe3C 和石墨。在通常情况下，碳以渗碳体形 式存在，即铁碳合金按 Fe-Fe3C 系转变。但是 Fe3C 是一个亚稳相，在一定条件下可以分解 为 Fe(实际上是以铁为基的固溶体)和石墨，所以石墨是碳存在的更稳定状态。因此，铁碳 相图存在 Fe-Fe3C 和 Fe-石墨两种形式，本章仅研究 Fe-Fe3C 相图。 教学要求：通过本章的学习，使学生在掌握 Fe-Fe3C 相图中点、线及各相区的物理意 义的基础上，学会分析不同成分的铁碳合金的平衡结晶过程，能用杠杆定律计算室温下相 组成物和组织组成物的相对量；掌握铁碳合金室温下组织组成物与相组成物的形态和性能 特点。 3.1 铁碳合金的组元及基本相 3.1.1 纯铁 铁是元素周期表上第 26 号元素，原子量为 55.85， 属于过渡族元素。在常压下于 1538℃熔化，2738℃气 化。铁在 20℃时的密度为 7.87g/cm3 。 1. 铁的同素异晶转变 铁具有多晶型性，图 3.1 是铁的冷却曲线。由图可 以看出，纯铁在 1538℃结晶为δ -Fe，X 射线分析表明， 它具有体心立方晶格。当温度继续冷却至 1394℃时， δ -Fe 转变为面心立方晶格的 γ -Fe，通常把δ -Fe→ γ -Fe 的转变称为 A4转变，转变的平衡临界点称为 A4 点。当 温度继续冷却至 912℃时，面心立方晶格的 γ -Fe 又转 变为体心立方晶格的α -Fe，把 γ -Fe→α -Fe 的转变称为 A3 转变，转变的平衡临界点称为 A3 点。912℃以下， 铁的晶体结构不再发生变化。因此，铁具有三种同素 异晶状态，即δ -Fe、 γ -Fe 和α -Fe。 图 3.1 纯铁的冷却曲线
金属学与热处理 固态下的同素异晶转变与液态结晶一样,也是形核与长大的过程,为了与液态结晶相 区别,将这种固态下的相变结晶过程称为重结晶。图3,2为纯铁重结晶后所得到的组织示 意图。其中图3.2(a)为结晶后形成的δ-Fe晶粒,图3.2(b)表示通过重结晶后(44转变)由δ-Fe 晶粒转变成的y-Fe晶粒,图32(c)为最后又经过一次重结晶(3转变)后的a-Fe晶粒。a-Fe 的晶核大小显然与yFe晶粒大小有关,当然也与A3转变的条件有关。由此可见,铁的多 晶型转变具有很大的实际意义,它是钢的合金化和热处理的基础 应当指出,α-Fe在770℃还将发生磁性转变,即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁 磁性状态。通常把这种磁性转变称为A2转变,把磁性转变温度称为铁的居里点。在发生磁 性转变时,铁的晶格类型不变,所以磁性转变不属于相变 (a)初生的δ-Fe晶粒(b)重结晶后的y-Fe晶粒c)A3转变后的a-Fe晶粒 图32纯铁结晶后的组织 2.铁素体与奥氏体 铁素体是碳溶于a-Fe中的间隙固溶体,为体心立方晶格,常用符号F或a表示。奥氏 体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体,为面心立方晶格,常用符号A或γ表示。铁素体和奥 氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多。根据测定,奥氏体的最大溶碳量为2.11%(在温度 为1148℃时),而铁素体的最大溶碳量仅为00218%(在温度为727℃时),在室温下的溶碳 能力更低,一般在0.008%以下。 面心立方晶格比体心立方晶格具有较大的致密度,而奥氏体比铁素体具有较大的溶碳 能力的原因是与晶体结构中的间隙尺寸有关。根据测量和计算,y-Fe的晶格常数(950℃时) 为0.36563nm,其八面体间隙半径为0.535nm,和碳原子半径0.77nm比较接近,所以碳在 奥氏体中的溶解度较大。α-Fe在20℃时的晶格常数为0.28663nm,碳原子通常溶于八面体 间隙中,而八面体的间隙半径只有001862nm,远小于碳的原子半径,所以碳在铁素体中 的溶解度很小。 碳溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体称为δ铁素体,以δ表示,于1495℃时的最 大溶碳量为0.09% 铁素体的性能与纯铁基本相同,居里点也是770℃。奥氏体的塑性很好,且具有顺磁性。 3.纯铁的性能与应用 一般所谓的纯铁,总含有微量的碳,而微量的碳对铁的力学性能影响却相当大。因此, 纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不同而差别很大,其大致范围如下: 屈服强度a2:98MPa~166MPa 抗拉强度σ:176MPa~274MPa
·54· 金属学与热处理 ·54· 固态下的同素异晶转变与液态结晶一样，也是形核与长大的过程，为了与液态结晶相 区别，将这种固态下的相变结晶过程称为重结晶。图 3.2 为纯铁重结晶后所得到的组织示 意图。其中图 3.2(a)为结晶后形成的δ -Fe 晶粒，图 3.2(b)表示通过重结晶后(A4 转变)由δ -Fe 晶粒转变成的 γ -Fe 晶粒，图 3.2(c)为最后又经过一次重结晶(A3 转变)后的α -Fe 晶粒。α -Fe 的晶核大小显然与 γ -Fe 晶粒大小有关，当然也与 A3 转变的条件有关。由此可见，铁的多 晶型转变具有很大的实际意义，它是钢的合金化和热处理的基础。 应当指出，α -Fe 在 770℃还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁 磁性状态。通常把这种磁性转变称为 A2 转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。在发生磁 性转变时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。 (a)初生的 δ -Fe 晶粒 (b)重结晶后的 γ -Fe 晶粒 (c)A3转变后的 α -Fe 晶粒 图 3.2 纯铁结晶后的组织 2. 铁素体与奥氏体 铁素体是碳溶于α -Fe 中的间隙固溶体，为体心立方晶格，常用符号 F 或α 表示。奥氏 体是碳溶于 γ -Fe 中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号 A 或 γ 表示。铁素体和奥 氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多。根据测定，奥氏体的最大溶碳量为 2.11%(在温度 为 1148℃时)，而铁素体的最大溶碳量仅为 0.0218%(在温度为 727℃时)，在室温下的溶碳 能力更低，一般在 0.008%以下。 面心立方晶格比体心立方晶格具有较大的致密度，而奥氏体比铁素体具有较大的溶碳 能力的原因是与晶体结构中的间隙尺寸有关。根据测量和计算，γ -Fe 的晶格常数(950℃时) 为 0.36563nm，其八面体间隙半径为 0.535nm，和碳原子半径 0.77nm 比较接近，所以碳在 奥氏体中的溶解度较大。α -Fe 在 20℃时的晶格常数为 0.28663nm，碳原子通常溶于八面体 间隙中，而八面体的间隙半径只有 0.01862nm，远小于碳的原子半径，所以碳在铁素体中 的溶解度很小。 碳溶于体心立方晶格δ -Fe 中的间隙固溶体称为δ 铁素体，以δ 表示，于 1495℃时的最 大溶碳量为 0.09%。 铁素体的性能与纯铁基本相同，居里点也是 770℃。奥氏体的塑性很好，且具有顺磁性。 3. 纯铁的性能与应用 一般所谓的纯铁，总含有微量的碳，而微量的碳对铁的力学性能影响却相当大。因此， 纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不同而差别很大，其大致范围如下： 屈服强度σ 0.2 ：98MPa～166MPa 抗拉强度σ b ：176MPa～274MPa
第3章铁碳合金 延伸率δ:30%~50% 断面收缩率v:70%~80% 冲击韧性a4:160J/cm2~200Jm2 硬度(HB):50HB~80HB 铁有很好塑性和韧性,但其强度和硬度很低,很少用作结构材料。纯铁的主要用途 是利用它所具有的铁磁性。工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率,可用于要 求软磁性的场合,如各种仪器仪表的铁芯等。 312碳与渗碳体 碳的原子序数为6,原子量为1201,原子半径07m,20℃时的密度为225gym3 自然界中,碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合金中碳不会以金刚石形态存在。石墨 空间点阵属于六方晶系,具有简单六方晶体结构,六方层中邻近原子间距为0.142nm, 层间距为0.340nm,碳原子在六方层中具有很强的共价键,层与层之间则结合较弱,因此 石墨很容易沿着这些层滑动。其硬度很低,只有3HB~5HB,而塑性几乎接近于零。铁碳 合金中的石墨常用符号G或C表示。 2.渗碳体 在铁碳合金中,铁与碳可以形成间隙化合物 Fe3C,其含碳量为669%,称为渗碳体,可用符 号Cm表示,是铁碳合金中重要的基本相。 渗碳体属于正交晶系,晶体结构十分复杂, 三个晶格常数分别为a=04524nm,b= 0.5089nm,c=06743nm。图3.3是滲碳体晶胞的 立体图,其中含有12个铁原子和4个碳原子,符 合Fe:C=3:1的关系。为了进一步分析渗碳体的 结构特征,图34(a)画出了4个渗碳体晶胞沿[001 方向的俯视图。图中较大的圆圈表示铁原子,较 ●C原子 小的圆圈表示碳原子。用双圈画的是(XY)坐标完 ○Fe原子 全相同,但Z坐标不同的两个铁原子。用打剖面 线和不打剖面线的办法表示Z坐标不同的铁、碳 图33渗碳体晶胞中的原子位置 原子。由图中可以看出,每个碳原子周围有6个 铁原子,这6个铁原子组成一个三角棱柱,碳原子就位于这个三角棱柱的中心。这样的一 个单独三角棱柱如图34(b)所示,位于三角棱柱顶角的铁原子均为相邻两个三角棱柱所共 有。因此,每个三角棱柱有3个铁原子和1个碳原子,构成FeC分子。这样的三角棱柱共 有两层(见图34(a),用虚线连接的是下面的一层,用点画线连接的则是上面的一层。 渗碳体具有很高的硬度,约为800HB,但塑性很差,伸长率接近于零。渗碳体于低温 下具有一定的铁磁性,但是在230℃以上,铁磁性就消失了,所以230℃是渗碳体的磁性转 变温度,称为A转变。根据理论计算,渗碳体的熔点为1227℃
第 3 章 铁碳合金 ·55· ·55· 延伸率δ ：30%～50% 断面收缩率ψ ：70%～80% 冲击韧性αk ：160J/cm2 ～200J/cm2 硬度(HB)：50HB～80HB 纯铁有很好塑性和韧性，但其强度和硬度很低，很少用作结构材料。纯铁的主要用途 是利用它所具有的铁磁性。工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率，可用于要 求软磁性的场合，如各种仪器仪表的铁芯等。 3.1.2 碳与渗碳体 1. 碳 碳的原子序数为 6，原子量为 12.01，原子半径 0.77nm，20℃时的密度为 2.25g/cm3 。 自然界中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合金中碳不会以金刚石形态存在。石墨 的空间点阵属于六方晶系，具有简单六方晶体结构，六方层中邻近原子间距为 0.142nm， 层间距为 0.340nm，碳原子在六方层中具有很强的共价键，层与层之间则结合较弱，因此 石墨很容易沿着这些层滑动。其硬度很低，只有 3HB～5HB，而塑性几乎接近于零。铁碳 合金中的石墨常用符号 G 或 C 表示。 2. 渗碳体 在铁碳合金中，铁与碳可以形成间隙化合物 Fe3C，其含碳量为 6.69%，称为渗碳体，可用符 号 Cm表示，是铁碳合金中重要的基本相。 渗碳体属于正交晶系，晶体结构十分复杂， 三个晶格常数分别为 a ＝ 0.4524nm ， b ＝ 0.5089nm，c＝0.6743nm。图 3.3 是渗碳体晶胞的 立体图，其中含有 12 个铁原子和 4 个碳原子，符 合 Fe:C＝3: 1 的关系。为了进一步分析渗碳体的 结构特征，图 3.4(a)画出了 4 个渗碳体晶胞沿[001] 方向的俯视图。图中较大的圆圈表示铁原子，较 小的圆圈表示碳原子。用双圈画的是(X,Y)坐标完 全相同，但 Z 坐标不同的两个铁原子。用打剖面 线和不打剖面线的办法表示 Z 坐标不同的铁、碳 原子。由图中可以看出，每个碳原子周围有 6 个 铁原子，这 6 个铁原子组成一个三角棱柱，碳原子就位于这个三角棱柱的中心。这样的一 个单独三角棱柱如图 3.4(b)所示，位于三角棱柱顶角的铁原子均为相邻两个三角棱柱所共 有。因此，每个三角棱柱有 3 个铁原子和 1 个碳原子，构成 Fe3C 分子。这样的三角棱柱共 有两层(见图 3.4(a))，用虚线连接的是下面的一层，用点画线连接的则是上面的一层。 渗碳体具有很高的硬度，约为 800HB，但塑性很差，伸长率接近于零。渗碳体于低温 下具有一定的铁磁性，但是在 230℃以上，铁磁性就消失了，所以 230℃是渗碳体的磁性转 变温度，称为 A0 转变。根据理论计算，渗碳体的熔点为 l227℃。 图 3.3 渗碳体晶胞中的原子位置
金属学与热处理 图34渗碳体晶胞中的原子数 32Fe-Fe3C相图分析 321相图中的点、线、区及其意义 图3.5是Fe-re3C相图,图中各特征点的温度、碳的浓度及意义见表3-1。各特征点的 符号是国际通用的,不能随意更换。 1200 1000Gy+0 Y+Fe C 600 % 图3.5FeFe3C相图 相图上的液相线是ABCD,固相线是 AHJECF,相图中有五个单相区,分别是 ABCD以上—一液相区(L)
·56· 金属学与热处理 ·56· 图 3.4 渗碳体晶胞中的原子数 3.2 Fe-Fe3C 相图分析 3.2.1 相图中的点、线、区及其意义 图 3.5 是 Fe-Fe3C 相图，图中各特征点的温度、碳的浓度及意义见表 3-1。各特征点的 符号是国际通用的，不能随意更换。 图 3.5 Fe-Fe3C 相图 相图上的液相线是 ABCD，固相线是 AHJECF，相图中有五个单相区，分别是： ABCD 以上——液相区(L)
第3章铁碳合金 AHN—8固溶体区(6) NJESGN-奥氏体区(Y) GPQG——铁素体区(a) DFKL—滲碳体区(Fe3C或Cm) 相图上有七个两相区,它们分别存在于相邻两个单相区之间,这些两相区分别是 ABHA——液相+δ固溶体区(L+δ) 液相+奥氏体区(L+y) DCFD—液相十渗碳体区(L+Fe3C) HNH—8固溶体十奥氏体区(6+y) GSPG—铁素体+奥氏体区(a+y) ECFKSE—奥氏体+渗碳体(γ+FeC) 相图上有两条磁性转变线 MO—铁素体的磁性转变线 过230℃的虚线——滲渗碳体的磁性转变线 相图上有三条水平线,分别是 HB—包晶转变线 ECF——共晶转变线 PSK——共析转变线 下面围绕三条水平线分三个部分进行分析。 表3-1铁碳合金相图中的特征点 符号温度/℃|wo 说明 符号温度r℃|w/% A1538 纯铁的熔点 1495 0.17 B|14950.53包晶转变时液相成分|K727 669渗碳体的成分 C|1148430共晶点 M|770 纯铁的磁性转变温度 D1227|6.69渗碳体的熔点 N|1394 A转变温度 E|1481211碳在y中最大溶解度|o70|≈05mc≈0.5%时磁性转变温度 69渗碳体的成分 P|72700218碳在a中最大溶解度 G|91 A3转变温度 077共析点(41) 碳在δ中最大溶解度|o 00057600℃时碳在a中的溶解度 322包晶转变(水平线HB 在1495℃的恒温下,含碳量为0.53%的液相与含碳量为0.09%的δ铁素体发生包晶反 应,形成含碳量为0.17%的奥氏体,其反应式为 LB+δH←1y 进行包晶反应时,奥氏体沿δ相与液相的界面形核,并向δ相和液相两个方向长大 包晶反应终了时,δ相与液相同时耗尽,变为单相奥氏体。含碳量在009%~0.17%之间的合 金,由于δ铁素体的量较多,当包晶反应结束后,液相耗尽,仍残留一部分δ铁素体。这部 分δ相在随后的冷却过程中,通过同素异晶转变而变成奥氏体。含碳量在0.17%~0.53%之间
第 3 章 铁碳合金 ·57· ·57· AHNA——δ 固溶体区( δ ) NJESGN——奥氏体区( γ ) GPQG——铁素体区( α ) DFKL——渗碳体区(Fe3C 或 Cm) 相图上有七个两相区，它们分别存在于相邻两个单相区之间，这些两相区分别是： ABJHA——液相＋δ 固溶体区(L＋δ ) JBCEJ——液相＋奥氏体区(L＋ γ ) DCFD——液相＋渗碳体区(L＋Fe3C) HJNH——δ 固溶体＋奥氏体区( δ ＋ γ ) GSPG——铁素体＋奥氏体区( α ＋ γ ) ECFKSE——奥氏体＋渗碳体( γ ＋Fe3C) 相图上有两条磁性转变线： MO——铁素体的磁性转变线 过 230℃的虚线——渗碳体的磁性转变线 相图上有三条水平线，分别是： HJB——包晶转变线 ECF——共晶转变线 PSK——共析转变线 下面围绕三条水平线分三个部分进行分析。 表 3-1 铁碳合金相图中的特征点 符号 温度/℃ wC/% 说 明 符号 温度/℃ wC/% 说 明 A B C D E F G H 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.09 纯铁的熔点 包晶转变时液相成分 共晶点 渗碳体的熔点 碳在 γ 中最大溶解度 渗碳体的成分 A3转变温度 碳在 δ 中最大溶解度 J K M N O P S Q 1495 727 770 1394 770 727 727 600 0.17 6.69 0 0 ≈0.5 0.0218 0.77 0.0057 包晶点 渗碳体的成分 纯铁的磁性转变温度 A4 转变温度 wC≈0.5%时磁性转变温度 碳在 α 中最大溶解度 共析点(A1) 600℃时碳在 α 中的溶解度 3.2.2 包晶转变(水平线 HJB) 在 1495℃的恒温下，含碳量为 0.53%的液相与含碳量为 0.09%的δ 铁素体发生包晶反 应，形成含碳量为 0.17%的奥氏体，其反应式为 LB＋δ H ←⎯⎯1495℃→ γ J 进行包晶反应时，奥氏体沿 δ 相与液相的界面形核，并向 δ 相和液相两个方向长大。 包晶反应终了时，δ 相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量在 0.09%～0.17%之间的合 金，由于δ 铁素体的量较多，当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分δ 铁素体。这部 分δ 相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而变成奥氏体。含碳量在 0.17%～0.53%之间