铁碳平衡|铁碳平衡的C点

碳钢和铸铁是使用最广泛的金属材料，它们是铁和碳的合金。不同成分的碳钢和铸铁具有不同的结构和性能。钢铁材料的研究和使用，其热加工和热处理工艺的制定，工艺废品原因的分析，都需要铁碳相图。在铁碳合金中，根据不同的结晶条件，组成碳可以有两种形式:碳化物铁3C(渗碳体)和石墨。渗碳体在热力学上是亚稳相，而石墨是稳定相。一般情况下，铁碳合金是按照Fe-Fe 3C系转变的，我们本章讨论的铁碳相图实际上就是Fe-Fe 3C相图。

4-1铁碳合金的成分

第一，纯铁

纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图7.1所示。

温度(℃)

时间

图7.1纯铁的冷却曲线和晶体结构变化

纯铁从液态结晶成固态后，冷却到1394℃和912℃时，晶格类型发生了两次转变。金属在固态时的晶格型转变称为同素异形转变。异构转变伴随着热效应，所以纯铁的冷却曲线在1394℃和912℃出现平台。铁的同素异形转化如下:

(体心立方)δ？Fe？γ?Fe？α?面心立方(体心立方)1394O C 912O C

温度低于912℃的铁是体心立方晶格，称为α-Fe；温度为912~1394℃的铁是面心立方晶格，称为γ-Fe；温度为1394~1538℃的铁是体心立方晶格，称为δ-Fe。

工业纯铁的机械性能特点是强度和硬度低，塑性好，其机械性能大致如下:

抗拉强度σb 18×107 ~ 28×107n/m2

屈服强度σ0.2 10×107 ~ 17×107n/m2

伸长率δ 30~50%

面积收缩率ψ 70~80%

冲击值160~200J/cm2

布氏硬度HB 50~80

第二，碳在铁中的固溶体

碳的原子半径较小，α-Fe和γ-Fe都能进入Fe原子间的间隙形成间隙固溶体。

碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，通常用符号F或α表示。其最大溶解度为0.0218wt%C，发生在727℃，大部分碳存在于体心立方α结构的八面体空位中。铁氧体和α-Fe在居里点770℃以下是铁磁性的。

γ-Fe中碳形成的间隙固溶体称为奥氏体，通常用符号A或γ表示。其最大溶解度为2.11wt%C，出现在1148℃。大多数碳存在于面心立方γ结构的八面体间隙中。奥氏体和γ-Fe是顺磁性的。

三。铁碳化合物

当铁碳合金中的碳含量超过其在铁中的溶解度极限时，多余的碳主要以碳化物3C的形式存在。

铁3C，又叫渗碳体，是一种结构复杂的间隙化合物，含碳量为6.69wt%，硬度很高，塑性几乎为零。

4-2 Fe-Fe3C相图分析

铁-铁3C相图如图7.2所示。

图7.2 Fe-Fe3C相图

ABCD是液相线，AHJECF是固相线。整个相图主要由包晶、* * *晶体和* * *分析三个等温转变组成:

包晶转变发生在HJB水平线(1495℃)；

L B +δH →γJ

转化产物是γ。这种转变只发生在含碳量为0.09~0.53%的铁碳合金中。

(2) * *晶体转变发生在ECF水平线(1148℃):

L C →γE +Fe 3C

转变产物是γ和Fe 3C的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld或Le表示。含碳量为2.11~6.69%的铁碳合金都经历这种转变。

(3)解析转变发生在PSK水平线(727℃):

γ→αP +Fe 3C

相变产物是α和Fe 3C的机械混合物，称为珠光体，用符号p表示，这种相变发生在所有碳含量超过0.0218%的铁碳合金中。* * *沉淀转变温度通常称为1温度。

此外，在铁-铁3C相图中有三条重要的固态转变线:

(1) GS线:α或α溶于γ的转变线在γ中开始析出，通常称为A 3温度。

(2) ES线:碳在γ中的溶解度线。这个温度通常被称为Acm温度。低于此温度，Fe 3C会在γ中析出，称为二次渗碳体Fe 3C II，不同于一次渗碳体Fe 3C I通过CD丝从液体中结晶出来。

(3) PQ线:碳在α中的溶解度线。当α从727℃冷却下来时，Fe 3C也会析出，称为第三次渗碳体Fe 3Cⅲ。

表7.1还列出了相图中各特征点的温度和碳含量及其含义。

表7.1 Fe-Fe3C相图温度、碳含量及其含义符号温度(℃)碳含量(wt%)

纯铁的熔点为0意味着Q 600

室温下0.53包晶转变时液态合金的成分是什么？→γE +Fe 3C 4.30 ***晶点L C？6.69 Fe3C的熔点2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度6.69 Fe3C的组成0？Fe-Fe同素异形转变点(a3)0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度？→γJ包晶点L B +δH？铁3C 0 γ的成分？Fe？δ?Fe同素异形转变点(A 4)碳在α-Fe中的最大溶解度是多少？→αP +Fe 3C ***解析点(A 1)γ？0.0057±0.0008 600℃(或室温)时碳在α-Fe中的溶解度

4-3种典型铁碳合金的平衡凝固

通常，碳钢和铸铁是根据是否有* * *晶型转变来区分的，即碳含量小于2.11%的碳钢大于。

2.11%为铸铁，按Fe-Fe 3C系结晶，称为白口铸铁。

根据微观结构特征，参照铁-铁3C相图(图7.3)，铁-碳合金按碳含量可分为七种类型:

图7.3典型铁碳合金在铁铁3C相图中的位置

(1)工业纯铁

(2) ***共析钢0.77% c

(3)亚共析钢0.0218 ~ 0.77% C

④过共析钢0.77 ~ 2.11% C

(5) ***共晶白口铸铁4.30% C。

(6)亚球墨铸铁2.11 ~ 4.30% C。

(7) 4.30 ~ 6.69% C的过共晶白口铸铁。

下面分析每种合金在平衡凝固期间的转变过程和室温结构。

一、工业纯铁

图7.4显示了工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程。

图7.4

工业纯铁平衡凝固过程的冷却曲线和示意图

合金溶液在1～2的温度范围内结晶出δ固溶体。当冷却到3点时，固溶体的类质同象转变δ→γ开始发生。这种转变在4点结束，合金为单相γ。冷却到5~6点后，又发生同晶转变γ→ α，6点以下都是α。当冷却到7点时，碳在α中的溶解度达到饱和，低于7点时，第三种渗碳体Fe _ 3C _ III将从α中析出。所以工业纯铁的室温结构是α+Fe3Cⅲ，如图7.5所示。

图7.5工业纯铁250×的室温平衡结构

第二，* * *钢分析

图7.6为* * *钢析出的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

合金溶液在1~2的温度范围内结晶出γ固溶体，在2凝固，合金为单相γ。冷却到3点(727℃)时，恒温进行* * *析出转变；

γ→αP +Fe 3C

转变产物是珠光体，即P，是α和Fe 3C的片状细小混合物，如图7.7所示。磷中的铁3C称为* * *渗碳体。因此* * *钢的室温组织为P，如图7.7所示。P中α和Fe 3C的相对量可由杠杆定律得到:

α(%)=6.69?0.77×100%≈88%

6.69

菲3C (%)=1？88%=12%

图7.6

* * *钢析出的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

三、分* *钢分析

图7.8是亚* *钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

图7.8亚* *钢平衡凝固过程的冷却曲线和示意图。

合金溶液在1～2的温度范围内结晶出δ固溶体。冷却到2点时(1495℃)，δ固溶体含碳量为0.09%，液相含碳量为0.53%。此时，液相和δ相之间发生包晶转变:

L B +δH →γJ

因为图7.8中合金的碳含量大于0.17%，包晶转变后仍有多余的液相。在2′和3′之间，γ继续在液相中结晶，所有γ固溶体的成分都沿JE线变化。当冷却到3点时，合金全部由γ组成。冷却到4点时，α开始从γ中析出，α的碳含量沿GP线变化，而剩余γ的碳含量沿GS线变化。冷却到5点(727℃)时，剩余γ的含碳量达到0.77%，恒温* * *析出转变形成珠光体。在5英尺处

但由于数量少，一般可以忽略。

在该点以下，第三种渗碳体Fe _ 3C _ III将在铁素体中析出。

因此，亚* *钢的室温组织为P+α，如图7.9所示。从图(a)、(b)、(c)可以看出，亚* *钢的碳含量越高，室温组织中的P含量越多。

(a)0.20% C 410 ×( b)0.45% C 400 ×( C)0.60% C 300×

图7.9亚* *钢的室温平衡组织。

第四，通过* * *对钢材进行分析

图7.10是过* *钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

图7.10冷却曲线及* * *后钢的平衡凝固过程示意图

合金溶液在1~2的温度范围内结晶出γ固溶体，在2凝固，合金为单相γ。冷却至3点后，二次渗碳体Fe _ 3C _ II将从γ析出，直至4点。这种事先分析

量大的时候在晶体里还是针状的。温度降至4: 00 (727Fe 3C大多沿γ晶界呈网状分布，

c)，剩余γ的含碳量达到0.77%，恒温* * *析出转变形成珠光体。

所以* * *析出后的钢的室温组织为P+Fe3C II，如图7.11。

图7.11 * * *钢的室温平衡组织为500×。

* * *析出后钢的碳含量越高，室温组织中的Fe _ 3C _ II含量越多。

五、* * *水晶白口铸铁

图7.12显示了* *晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程。

图7.12

* * *结晶白口铸铁冷却曲线和平衡凝固过程示意图

图7.13 * *结晶白口铸铁100×室温平衡组织

当合金溶液冷却到1 (1148℃)时，恒温发生* *晶转变；

L C →γ

E +Fe 3C

相变产物是γ和Fe 3C的机械混合物，即莱氏体Ld，γ以短棒形式分布在Fe 3C基体上。当温度低于1时，二次渗碳体Fe _ 3cii在* * *晶γ中不断析出，通常附着在* * *晶Fe _ 3c上，无法区分。当温度降至2: 00 (727℃)时，* * *晶γ的含碳量达到0.77%，恒温进行* * *转变，形成珠光体。最终的显微组织由分布在* * *晶Fe 3C上的P组成，如图7.13所示。这种室温下的结构保留了高温下晶体转变的产物Ld的形态特征，但成分相γ发生了变化，故称为变质莱氏体，用符号Ld '表示。

因此* * *晶白口铸铁的室温组织为Ld’，如图7.13所示。

六、亚* *晶白口铸铁

图7.14为亚* *晶白口铸铁冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

图7.14亚* *晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程。

在1～2的温度范围内，γ固溶体从合金溶液中结晶出来。此时液相成分沿BC线变化，而γ固溶体成分沿JE线变化。当冷却到2: 00 (1148℃)时，剩余液相的组成达到* * *晶型组成，恒温下发生* * *晶型转变，形成Ld。2点以下，初晶γ和* * *晶γ

随着Fe _ 3C _ II的析出，γ固溶体的成分沿es线逐渐减少。它们都析出了二次渗碳体Fe _ 3C _ II。

当温度下降到3: 00 (727℃)时，γ全部通过* * *析出转变为珠光体。

因此，亚* *晶白口铸铁的室温组织为Ld’+P+Fe3C II，如图7.15所示。

图7.15亚* *晶白口铸铁100的室温平衡组织

×

七、* * *水晶白口铸铁

图7.16为* * *晶白口铸铁冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

图7.16 * * *晶白口铸铁平衡凝固过程冷却曲线及示意图。

含* *晶的白口铸铁在平衡凝固时，初晶相为Fe 3C，其他转变与* * *晶合金相同。及格

* * *结晶白口铸铁的室温组织为Ld’+Fe3C I，如图7.15所示，初晶Fe3C I呈板状。

图7.17具有* * *晶体100×的白口铸铁的室温平衡组织

4-4碳含量对Fe-C合金组织和性能的影响

一般来说，铁碳合金的成分决定其结构，结构(包括数量、形状和分布)决定铁碳合金的性能。

1.碳含量对Fe-C合金室温平衡结构的影响

根据上一节对晶化过程的分析和利用杠杆定律计算的结果，可以总结出铁碳合金的成分与显微组织的关系如图7.18所示。

图7.18铁-碳合金的成分、相成分与显微组织成分的关系

从图7.18可以看出，随着碳含量的增加，合金的室温组织变化如下:

当碳含量增加时，不仅显微组织中的Fe 3C量增加，而且Fe 3C的存在形式也发生变化，由分布在α基体(如P)变为分布在γ晶界(Fe 3C II)。最后，当Ld形成时，Fe 3C已作为基体出现。可以看出，不同碳含量的铁碳合金，其结构是不同的，这就是它们具有不同性能的原因。

二、碳含量对铁碳合金力学性能的影响

从前面的分析可以看出，Fe-C合金的室温平衡组织由α和Fe 3C相组成，其中α为软而韧的相，Fe 3C为硬而脆的相。它们的机械性能大致如下:

α:

抗拉强度σb 100~240MN/m2屈服强度σ0.2 100~180MN/m2伸长率δ 30~50%面积收缩率ψ 70~80%布氏硬度HB 50~80。

菲3C:

布氏硬度HB 800伸长率δ 0

因此，铁3C是一个强化阶段。如果合金的基体是α，如果3C的数量较多且分布较均匀，材料的强度会较高。但是，当硬而脆的Fe 3C相分布在晶界，特别是作为基体时，材料的塑性和韧性会大大降低。这就是高碳钢和白口铁脆性高的原因。

图7.19显示了碳含量对碳钢机械性能的影响。

图7.19碳钢力学性能与碳含量的关系

从图7.19可以看出，含碳量低的纯铁是由单相α组成的，所以它的性质是α的性质，即塑性好，硬度和强度低。

亚* *钢的显微组织由不同量的α和P组成，随着碳含量的增加，显微组织中P的量相应增加，钢的硬度和强度线性增加，而塑性指标(δ、ψ、冲击值)相应降低。

* * *钢的缓冷组织由片状P..由于Fe 3C是一种强化相，它以细小薄片的形式弥散在软而韧的α基体中，起强化作用，使P具有较高的强度和硬度，但塑性较差。

* * *沉淀缓冷后的显微组织由P和Fe _ 3C _ II组成。随着碳含量的增加，铁3C II

人数在逐渐增加。当碳含量不超过1.0%时，晶界上析出的Fe _ 3C _ II一般不连成网络，所以对性能影响不大。当碳含量大于1.0%时，由于fe3c I量的增加及其连续网状分布，钢的脆性大，塑性低，强度降低。

冲击值