材料科学基础 第四章 材料的相结构和相图 3 材料科学基础 1. FeC合金的组织和性能 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 ，故统称为铁碳合金（alloys of the ironcarbon system）。 铁碳相图是一个较复杂的二元合金 相图，它概括了钢铁材料的成分、 温度与组织之间的关系。 材料科学基础 在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、 Fe2C、FeC。通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。 材料科学基础 5个单相区， 7个两相区 三条水平线 ， 三条特征 线 材料科学基础 1.FeC合金中的组元 铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C） 材料科学基础 A. 纯铁 纯铁（pure iron） 熔点1538，汽化点2738，密度 7.87g/。 纯铁固态下具有同素异构转变：912C以下为体心立方 (bcc)晶体结构，912C到1394C之间为面心立方(fcc)结 构, 1394C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。 纯铁具有磁性转变（768磁性转变、magnetic transformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少 用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。 材料科学基础 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 材料科学基础 纯铁的显微组织 材料科学基础 B. 渗碳体(Fe3C) 渗碳体（cementite）是FeC合金中碳以化合物 (Fe3C)形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)。 Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格， 原子周围有六 个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个 八面体共有，Fe:C=3:1。 材料科学基础 Fe3C的晶体结构 可以看作由6个 铁原子构成的三 角棱柱和在柱内 的一个碳原子连 接而成，角上的 铁原子为2个三 角棱柱共享。 Fe3C的晶体结构 的结构单元是4 个取向不同的这 样的三角棱柱构 成。三角棱柱在 c轴方向分两层 ，每层三角棱柱 体都有2种取向 材料科学基础 。 Fe3C中各铁原子之间是纯金属键，铁原子和碳 原子之间可能同时存在金属键和离子键 左图为在（001） 面上的投影，一个 晶胞内有12个铁原 子4个C原子 右图为4个相邻的 晶胞在（001）面 上的投影及其组成 的三棱柱（实三棱 柱在上层，虚三棱 柱在下层） 材料科学基础 B. 渗碳体(Fe3C) Fe3C熔点为1227，Fe3C是一种亚稳化 合物，在一定条件下，渗碳体可以分解 而形成石墨状的自由碳：Fe3C3Fe + C( 石墨)。所以FeFe3C相图为介稳定系相 图，FeC相图为稳定系相图，若把Fe Fe3C相图与FeC相图画在同一图上， 称为FeC合金双重相图。 材料科学基础 材料科学基础 B. 渗碳体(Fe3C) Fe3C在230以下具有铁磁性，常用A0表示这 个临界点。 Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板 条状。渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延 伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相 。 Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C 为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换 ，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体 。 材料科学基础 2. FeC合金中的基本相 在FeFe3C相图中，FeC合金在不同条件(成 分，温度)下，可有六个基本相： L相、相、 相（A）、相(F)、Fe3C相、石墨（C） （1）液相(L) Fe与C在高温下形成的液体溶 液。(ABCD线以上) （2）相高温铁素体（high temperature ferrite） C在Fe的间隙固溶体。在 1459时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构， （3）渗碳体（cementite） Fe-C相图 材料科学基础 （4） 奥氏体（austenite） 奥氏体(或A)是C溶解于Fe形成的间隙固溶 体称为奥氏体（austenite）。具有面心立方晶 体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148C时 最多可以溶解2.11%的碳，到727C时含碳量降 到0.8%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面 体的中心，单相区存在于NJESG区域内（727- -1459）。 奥氏体的硬度(HB170220)较低，塑性(延伸率 为40%50%)高。奥氏体的显微组织见下图。 是顺磁性（paramagnetism）晶粒呈平直多边 形。 Fe-C相图 材料科学基础 碳在Fe晶格中的位置 奥氏体的显微组织 材料科学基础 （5）铁素体（ferrite） 铁素体（或F）是C溶于Fe形成的间隙固 溶体称为铁素体（ferrite）。C原子溶于八面 体间隙。单相相在CPQ以左部分。铁素体的 含碳量非常低，在727时C在Fe中最大溶 解量为0.0218%，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(延伸率为30%50%)高。铁素体的显微 组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁 磁性，具有bcc结构。 （6） 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以 游离态石墨（graphite） (hcp)稳定相存在。 所以石墨对于FeC合金中铸铁也是一个基本 相。 Fe-C相图 材料科学基础 3. FeFe3C相图分析 根据分析围绕三条水平线可把Fe Fe3C相图分解为三个部分考虑 ：左上角的包晶部分，右边的共 晶部分，左下角的共析部分。 分析点、线、区特别是重要的点 、三条水平恒温转变线 、重要的 相界线 Fe-C相图 材料科学基础 （1）FeFe3C相图的点 FeFe3C 相图相图中 的各特性点 所对应的温 度、成分和 意义如下表 ：A、B、 C、D、E 、F、G、 H、J、K、 N、P、S、 Q各点 Fe-C相图 材料科学基础 （2）FeFe3C相图的线 FeFe3C相图有一些特性线，它 们是由不同成分合金具有相同意 义的点连接起来的。 有三条水平恒温转变线，二条磁 性转变线(水平)和三条重要的相 界线。 Fe-C相图 材料科学基础 A.三条水平恒温转变线 包晶线：HJB线（1459），J为包晶点， wc=0.090.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均 发生包晶反应，即： L0.53+0.090.17 （LB+HJ） 材料科学基础 共晶线： ECF水平线（1148），C点为共晶点，wc=2.11 6.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即 ： L4.302.11+ Fe3C （LCE+ Fe3C） 转变产物为和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（ ledeburite），用Ld表示。 材料科学基础 共析线：PSK水平线（727），S点为共析 点。凡wc0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线 均发生共析反应，即： 0.770.0218 + Fe3C （SP+ Fe3C） 转变产物为和Fe3C组成的机械混合物称为珠 光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常 用A1表示。 材料科学基础 B. 两条磁性转变线 230为水平线为Fe3C的磁性转变线， 230以上Fe3C无磁性，230以下为铁磁性。 常用A0表示 770为的铁磁性转变线。770以上无 铁磁性，770以下为铁磁体。常用A2表示， 又称居里点。 材料科学基础 C. 几条重要的相界线(固态转变线) GS线：A 中开始析出 或全部溶入( 升温时) 的转 变线。常用A3 表示。因这条 线在共析转变 线以上，故又 称为先共析 相开始析出线 。常称为A3线 或A3温度。 材料科学基础 ES线：C在 中溶解度曲线 。常用Acm表示 ，称为Acm温度 。低于此温度 ，溶解度降低 ，将析出Fe3C 。为了区别自 液(CD线)态合 金中直接析出 的一次Fe3C， 将中析出的 Fe3C称为二次 Fe3C。 材料科学基础 PQ线：C在中 溶解度曲线。在 727时，C在中 的最大溶解度 0.0218%，但温度 下降，C在中溶解 度下降，会析出少 量的渗碳体，称 为三次Fe3C。以区 别于沿CD线和ES 线析出的Fe3C。 材料科学基础 （3）FeFe3C相图中的区 5个单相区：L、, Fe3C 7个两相区：L+、L+、L+ Fe3C、 +、+ Fe3C、+、+ Fe3C 3个三相共存区： L+ Fe3C（ECF线）、 L+（HJB线）、 + Fe3C（PSK线） Fe-C相图 材料科学基础 4. FeC合金分类 Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及 其室温平衡组织分为三大类： 工业纯铁（pure iron）、 碳钢（carbon steel）、 铸铁（cast iron）。 根据碳钢和铸铁的相变、组织特征 可把二者细分。 （1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显 微组织为固溶体。 材料科学基础 （2）钢 钢（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之 间的Fe、C合金。其特点是： 高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可 以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组 织的不同，碳钢（carbon steel）又可分为： 共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77% 亚共析钢（hypoeutectoid steel）：Wc=0.0218 0.77% 过共析钢（hypereutectoid steel）：Wc=0.77 2.11% Fe-C相图 材料科学基础 （3）白口铸铁 白口铸铁（white cast iron）是含碳量在Wc=2.11 6.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发 生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具 有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱 氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈 银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织不 同，可分为三种： 共晶白口铸铁（eutectoid cast iron）：Wc=4.30% 亚共晶白口铸铁（hypoeutectoid cast iron）：Wc=2.11 4.30% 过共晶白口铸铁（hypereutectoid cast iron）： Wc=4.306.69% 上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的 理论分界线。 Fe-C相图 材料科学基础 6. FeC合金的平衡结晶过程及组织 （1）工业纯铁 以 Wc=0.01%的合金为例 材料科学基础 室温组织为：+ Fe3C Fe3C最多为0.33% 转变过程： LL+ Fe3C 匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀 材料科学基础 工业纯铁室温组织图（200） 材料科学基础 （2）共析钢（Wc=0.77%） 冷却曲线如图： 材料科学基础 过程如下： LL+P+P（+ Fe3C） 匀晶