材料科学基础I 5-7 Fe-Fe3C相图.ppt

* §5-7 Fe-Fe3C相图 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律，解决实际问题是非常重要的。 Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。 一、概述 化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。 铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下： 图中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。 由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。 纯铁的熔点1538?C，固态下具有同素异晶转变。含C量0.0218%的铁称为工业纯铁，其显微组织如图所示。 碳溶解于α-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用F表示。由于δ-Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50~80)低，塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同 Fe-Fe3C中的相 碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳： 1148°C时最多可以溶解2.11%的碳，到727°C时含碳量降到0.77%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心（见左图）。奥氏体的硬度(HB170~220)较低，塑性(延伸率δ为40% ~ 50%) 高。奥氏体的显微组织见右图。 渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构，熔点为1227oC。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳： Fe3C→3Fe + C(石墨) 这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。 二、相图分析 单相区——5个： 相图中有5个基本的相，相应的有5个相区： 1、相区 液相区(L) ——ABCD以上区域 高温铁素体区(δ)——AHNA 奥氏体区(γ、A) ——NJESGN 铁素体区(α、F) ——GPQ以左 渗碳体区(Fe3C) ——DFK直线 两相区——7个 7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间： L+δ ——AHJBA L+γ ——BJECB L+Fe3C——DCFD δ+γ ——HNJH γ+α ——GPSG γ+Fe3C ——ESKFCE α+Fe3C ——PQLKSP 三相区——3个: 包晶线(L+δ+γ) ——水平线HJB 共晶线(L+γ+Fe3C) ——水平线ECF 共析线(γ+α+ Fe3C) ——水平线PSK 600?C碳在α-Fe中的溶解度 0.0057 600 Q 纯铁α?γ转变温度 0 912 G 共析点 0.77 727 S 渗碳体的成分 6.67 1148 ? F 碳在α-Fe中的最大溶解度 0.0218 727 P 碳在γ-Fe中的最大溶解度 2.11 1148 E 纯铁γ?δ转变温度 0 1394 N 渗碳体的熔点 6.69 1227 ? D 渗碳体的成分 6.67 727 K 共晶点 4.30 1148 C 包晶点 0.17 1495 J 包晶转变时液相成分 0.53 1495 ? B 碳在δ-Fe中的最大溶解度 0.09 1495 H 纯铁的熔点 0 1538 A 说 明 C % T/℃ 符号 说 明 C % T/℃ 符号 2、Fe-Fe3C相图中各点的特性 3、Fe-Fe3C相图中的特性线 Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下： ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%