2.3_二元相图的典型应用铁碳合金相图2.14216000.09TypicalApplicationsoftheBinary Phase Diagram (TheIron-carbonEguilibriumDiagrann20FTteCa0256703.0PecC%aR
2.3 二元相图的典型应用 ——铁碳合金相图 Typical Applications of the Binary Phase Diagram (The Iron-carbon Equilibrium Diagram)
2. 3二元相图的典型应用铁碳合金相图2.3.1铁碳相图中的组元与基本相(Componentsandfundamentalphasesoftheiron-carbonphasediagram)2.3.2铁碳合金相图分析(Interpretationoftheiron-carbonphasediagram)2.3.3铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织(lnterpretationofequilibriumcrystallizationoftheiron-carbonalloysanditsmicrostructures)2.3.4.不碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响(Influenceofcarboncontentsonequilibriummicrostructuresandpropertiesofiron-carbonalloys)2.3.5铁碳合金相图的局限性（Thelimitationoftheiron-carbonalloydiagram)
2.3 二元相图的典型应用 ——铁碳合金相图 2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相 （ Components and fundamental phases of the iron-carbon phase diagram ） 2.3.2 铁碳合金相图分析 ( Interpretation of the iron-carbon phase diagram ) 2.3.3 铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织 (Interpretation of equilibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures) 2.3.4. 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响 ( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys ) 2.3.5 铁碳合金相图的局限性 (The limitation of the ironcarbon alloy diagram)
2.3.1铁碳相图中的组元与基本相(Components andfundamental phases of theiron-carbonphasediagram)·1.纯铁：（1）纯铁铁的原子序数为26，原子半径1.27nm，熔点1538℃，密度7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变，如图1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为a-Fe，具有BCC结构，一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为0b=180230MPa,0o.2=100~170MPa,6=30%~50%；=70%~80%，ak=1.6~2.0MJ/m2，硬度值为50~8OHBW。可见钝铁的塑、韧性虽然很好，但强度、硬度很低，所以很少用它制造机械零件。·（2）铁素体(F或a)与奥氏体(A或y）不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体，铁素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相，这两个相都是碳在铁中的间隙固溶体。但它们也有一系列不同之处。·①晶体结构碳原子溶入y-Fe中所形成间隙固溶体称为A。而碳原子溶入a-Fe中所形成间隙固溶体，则称为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。?②溶碳能力从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要小得多。A最大溶碳量为2.11%于1148℃时)，而F的最大溶碳量仅为0.0218%（于727℃时)。室温下F的溶碳量就更低了，一般在0.0008%以下。·③组织形态单相F与A都呈多边形的等轴晶粒。·④力学性能F、A力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下：ob=176～274MPa,Os=98~166MPa,8=30%~50%,=70%~80%, ak=1.5~2.0MJ/m2，布氏硬度值为50~80HBW
2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相 （Components and fundamental phases of the ironcarbon phase diagram） •1. 纯铁 •（1）纯铁 铁的原子序数为26，原子半径1.27nm，熔点1538℃，密度 7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变，如图 1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为α-Fe，具有BCC结构， 一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为σb=180～230MPa,σ0.2=100～ 170MPa,δ=30％～50%；ψ=70％～80%，aK=1.6～2.0ＭJ/m2，硬度值为50～ 80HBW。可见钝铁的塑、韧性虽然很好，但强度、硬度很低，所以很少用它制造 机械零件。 •（2）铁素体(F或α)与奥氏体(A或γ) 不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体，铁 素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相，这两个相都是碳在铁中的间隙固溶 体。但它们也有一系列不同之处。 •①晶体结构 碳原子溶入γ-Fe中所形成间隙固溶体称为A。而碳原子溶入α-Fe中所 形成间隙固溶体，则称为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。 •②溶碳能力 从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要小得多。A最大溶碳量为 2.11%(于1148℃时)，而F的最大溶碳量仅为0.0218%(于727℃时)。室温下F的溶 碳量就更低了，一般在0.0008% 以下。 •③组织形态 单相F与A都呈多边形的等轴晶粒。 •④力学性能 F、A力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下:σb=176～ 274 MPa，σS=98～166MPa，δ=30%～50%，ψ=70%～80%，aK=1.5～ 2.0MJ/m2，布氏硬度值为50～80HBW
2.渗碳体（常用符号Fe3C或Cm表示）在铁碳相图中，碳一般以C形式存在，Cm是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。·(1)晶体结构Cm是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子，即Fe/C=3/1，所以Cm的碳含量为6.69%，其熔点1227℃。·(2)组织形态C在钢中具有多种多样的组织形态，这些形态主要与形成条件有关。凡是从液相中结晶出来的一次渗碳体（图2.19中VI），一般呈粗大片状；凡是从A或F中析出的二次渗碳体（图2-19中Ⅲ）或三次渗碳体（图2.19中区），一般呈网状分布；共析体（珠光体）中的Cm（图2.19中I）一般呈薄片状，而共晶体（莱氏体）中的Cm作基体（图2.19中IV）等。这五种渗碳体的特征如表2.1所示。·（3)力学性能Cm具有硬而脆的特性，其硬度值很高(约800HBW)，而塑性很差(6~0)。Cm的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下，Cm将发生分解，形成石墨：Fe3C→3Fe+C（石墨）)。可见，Cm是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。符名称号母相形成盗度/℃组织形态分布情况对性能的影响一次渗碳体FeyC,L>1148粗大板条状在莱氏体上增加硬胞性表2.1铁二次渗碳体FegCeA网状1 148 ~ 727在A或P晶界上严重降低强度和韧性碳合金中降低塑、韧性F三次渗碳体Fe,Cm<727短条状的物种渗数量极少（沿晶界）（常忽略不计）碳体特征共品渗碳体FeCAnLt1148块、片状是莱氏体的基体相产生硬胞性共析港碳体FegC共树727细片状As与片状F构成层片状P提高综合力学性能
2. 渗碳体(常用符号Fe3C或Cm表示) •在铁碳相图中，碳一般以Cm形式存在，Cm是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、 数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。 •(1)晶体结构 Cm是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子， 即Fe/C=3/1，所以Cm的碳含量为6.69%，其熔点1227℃。 •(2)组织形态 Cm在钢中具有多种多样的组织形态，这些形态主要与形成条件有关。凡是 从液相中结晶出来的一次渗碳体（图2.19中Ⅵ），一般呈粗大片状;凡是从A或F中析出的二次 渗碳体（图2-19中Ⅲ）或三次渗碳体（图2.19中Ⅸ），一般呈网状分布;共析体(珠光体)中的 Cm（图2.19中Ⅰ）一般呈薄片状，而共晶体(莱氏体)中的Cm作基体（图2.19中Ⅳ）等。这五 种渗碳体的特征如表2.1所示。 •(3)力学性能 Cm具有硬而脆的特性，其硬度值很高(约800HBW)，而塑性很差(δ≈0)。Cm 的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下，Cm将发生分解，形成石墨:Fe3C→３Fe + C(石墨)。可见，Cm是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。 表2.1 铁 碳合金中 的物种渗 碳体特征
2.3.2铁碳合金相图分析(Interpretationof the iron-carbon phase diagram·1.三相平衡转变（三个基本反应）其反应式为：Lg+8—149°包晶反应的产物为奥氏体（图2.19中V）。凡?①包晶反应W(C)=0.09%～0.53%范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。由于工业生产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。②共析反应其反应式为：As-727C→>Fp+典析反应产物为珠光体(P)，其组织形态如图2-22及图2-19中I所示，P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度，一定塑韧性和硬度（b=770MPa，硬度180HBW，6=20%~35%，Ak=30~40J）。共析反应温度是水平线PSK（727℃)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A，表示。因此：凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。1148C>Ag+Fe;C，共晶反应产物莱氏体(Ld)。共晶转变温③共晶反应其反应式为：Lc度即相图上水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在2.11～6.69%范围内的铁碳合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至727℃C时，Ld中的A也要进行共析反应形成P。因此，把共析线以上温度存在的(A+Fe3C)的机械混合物，称为高温莱氏体(Ld)，而把共析线以下温度存在的(P+Fe3CⅡ+Fe3C)的机械混合物，称为低温莱氏体（用符号Ld表示），其组织形态如图2-21以及图2-19中IV所示。L'd的组织特征为皇点状或短条状P分布在白色Fe3C基体上，因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）
2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation of the iron-carbon phase diagram ) •1. 三相平衡转变（三个基本反应） •①包晶反应 其反应式为: ，包晶反应的产物为奥氏体（图2.19中Ⅷ）。凡 W(C)=0.09％～0.53％范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。由于工业生 产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。 •②共析反应 其反应式为: ，共析反应产物为珠光体(P)，其组织形态如图2-22及 图2-19中Ⅰ所示，P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度，一定塑韧性和 硬度（σb=770MPa，硬度180HBW，δ=20%～35%，AK=30～40J）。 •共析反应温度是水平线PSK(727℃)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A1表示。因此， 凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。 •③共晶反应 其反应式为: ，共晶反应产物莱氏体(Ld)。共晶转变温 度即相图上水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在2.11～6.69%范围内的铁碳 合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至727℃时，Ld中的A也要进行共析 反应形成P。因此，把共析线以上温度存在的(A+Fe3C)的机械混合物，称为高温莱氏体(Ld)， 而把共析线以下温度存在的(P+Fe3CⅡ＋Fe3Ｃ)的机械混合物，称为低温莱氏体(用符号L’d表 示)，其组织形态如图2-21以及图2-19中Ⅳ所示。L’d的组织特征为呈点状或短条状P分布在白 色Fe3C基体上，因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）。 LB H J + ⎯⎯⎯→ 1495℃ AS FP F 3C 727 ⎯ ⎯→ + e ℃ LC AE F 3C 1148 ⎯⎯⎯→ + e ℃