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03
铁碳合金及其相图
在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。在铁碳合金中有以下几种基本组织：
任务三　铁碳合金及其相图
一、铁碳合金的基本组织与性能
1．铁素体
碳溶解在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F 表示，如图2-20 所示。由于α-Fe 是体心立方晶格，晶格间隙较小，因此碳在α-Fe 中的溶解度很小。在727 ℃时，α-Fe 中的最大溶碳量仅为0.021 8%。随着温度的降低，α-Fe 中的溶碳量逐渐减小，在室温时碳的溶解度几乎为零。
由于铁素体的含碳量低，其性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。铁素体的显微组织如图2-21 所示。
任务三　铁碳合金及其相图
2．奥氏体
碳溶解在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A 表示，如图2-22 所示。由于γ-Fe 是面心立方晶格，晶格间隙较大，因此奥氏体的溶碳能力较强。在1 148 ℃时，其溶碳量可达2.11%。随着温度下降，溶碳量逐渐减小，在727 ℃时溶碳量为0.77%。
奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体的显微组织如图2-23 所示。
任务三　铁碳合金及其相图
3．渗碳体
渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，含碳量为6.69%，其化学式为Fe3C。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构（参见图2-19），与铁和碳的晶体结构完全不同。
渗碳体的熔点为1 227 ℃，硬度高，脆性大，断后伸长率和冲击韧性值几乎为零，是一个硬而脆的组织。渗碳体是铁碳合金中主要的强化相，它的形状、大小与分布状况对钢的力学性能影响很大。
渗碳体在适当条件下（如高温长期停留或缓慢冷却）能分解为铁和石墨，这对铸铁的性能具有重要意义。
任务三　铁碳合金及其相图
4．珠光体
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P 表示。它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物，如图2-24 所示。
在缓慢冷却条件下，珠光体的含碳量为0.77%。由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，其性能取决于铁素体和渗碳体的含量，大致是两者性能的平均值。故珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。
任务三　铁碳合金及其相图
5．莱氏体
莱氏体是含碳量为4.3% 的铁碳合金，在1 148 ℃时从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld 表示。由于奥氏体在727 ℃时还将转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物称为低温莱氏体，用符号L'd 表示。
莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。
任务三　铁碳合金及其相图
上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本相；珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。铁碳合金基本组织及力学性能见表2-4。
任务三　铁碳合金及其相图
1．铁碳合金相图的概念
铁碳合金相图是在极其缓慢冷却（或极其缓慢加热）的条件下，不同成分铁碳合金的组织状态随温度变化的图解。
工业用铁碳合金的含碳量一般不大于5%，含碳量大于6.69% 的铁碳合金脆性很大，没有实用价值。因此，一般所说的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C 相图，图2-25 所示是简化后的Fe-Fe3C 相图。
任务三　铁碳合金及其相图
二、铁碳合金相图
2．铁碳合金相图的含义与分析
（1）Fe-Fe3C 相图中的特性点及其含义
Fe-Fe3C 相图中的特性点及其含义见表2-5。
任务三　铁碳合金及其相图
（2）Fe-Fe3C 相图中的特性线及其含义
在Fe-Fe3C 相图上，有若干合金状态的分界线，它们是不同成分的合金具有相同含义的临界点的连线。几条主要特性线的含义如下。
1）ACD 线（液相线）。此线以上区域全部为液相，用L 表示。液态合金冷却到此线开始结晶，在AC 线以下从液相中结晶出奥氏体，在CD 线以下结晶出渗碳体。
2）AECF 线（固相线）。液态合金冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固相区。
液相线与固相线之间为液态合金的结晶区域。这个区域内液相与固相共存，AEC 区域内为液相与奥氏体，CDF 区域内为液相与渗碳体。
3）GS 线。冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始线（或加热时铁素体转变成奥氏体的终止线），用符号A3 表示。奥氏体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果。
任务三　铁碳合金及其相图
4）ES 线。碳在奥氏体中的饱和溶解度曲线（固溶线），用符号Acm 表示。
在1 148 ℃时，碳在奥氏体中的溶解度为最大溶解度2.11%（即E 点含碳量），在727 ℃时降到0.77%（即S 点含碳量）。从1 148℃缓慢冷却到727℃的过程中，由于碳在奥氏体中的溶解度减小，多余的碳将以渗碳体的形式从奥氏体中析出。为了区别自液态合金中直接结晶出的渗碳体（称为一次渗碳体Fe3C Ⅰ），将奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3C Ⅱ）。
任务三　铁碳合金及其相图
任务三　铁碳合金及其相图
5）ECF 线（共晶转变线）。当液态合金冷却到此线时（1 148 ℃），将发生共晶转变，从液态合金中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，即莱氏体。
一定成分的液态合金，在某一恒温下同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。铁碳合金共晶转变的表达式为：
任务三　铁碳合金及其相图
6）PSK 线（共析转变线）。常用符号Al 表示。当合金冷却到此线时（727 ℃），将发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。
一定成分的固溶体，在某一恒温下同时析出两种固相的转变称为共析转变。铁碳合金共析转变的表达式为：
Fe-Fe3C 相图中的特性线及其含义见表2-6。
任务三　铁碳合金及其相图
3．铁碳合金的分类及其室温组织
根据铁碳合金的含碳量及室温组织，铁碳合金分为以下几类。
（1） 工业纯铁
含碳量wC ≤ 0.021 8% 的铁碳合金称为工业纯铁，其室温组织为铁素体。
（2） 钢
含碳量wC 为0.021 8% ～ 2.11% 的铁碳合金称为钢。根据其含碳量及室温组织的不同，又可分为以下几种。
亚共析钢（0.021 8% < wC < 0.77%），室温组织是铁素体和珠光体。
共析钢（wC = 0.77%），室温组织是珠光体。
过共析钢（0.77% < wC < 2.11%），室温组织是珠光体和二次渗碳体。
任务三　铁碳合金及其相图
（3） 白口铸铁
含碳量wC 为2.11% ～ 6.69% 的铁碳合金称为白口铸铁。根据其含碳量及室温组织的不同，又可分为以下几种。
亚共晶白口铸铁（2.11% < wC < 4.3%），室温组织是珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。
共晶白口铸铁（wC = 4.3%），室温组织是低温莱氏体。
过共晶白口铸铁（4.3% < wC < 6.69%），室温组织是一次渗碳体和低温莱氏体。
任务三　铁碳合金及其相图
根据对铁碳合金相图的分析，铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，铁素体的量逐渐减少，而渗碳体的量逐渐增加。随着含碳量的变化，不仅铁素体和渗碳体的相对量有变化，而且相互组合的形态也会发生变化。随着含碳量的增加，铁碳合金的组织将按下列顺序发生变化：
任务三　铁碳合金及其相图
三、铁碳合金的成分、组织与性能的关系
铁碳合金组织的变化，必然引起性能的变化。图2-26 所示为含碳量对正火后非合金钢力学性能的影响。
任务三　铁碳合金及其相图
1．共析钢（含碳量为0.77%）
图2-28 中合金Ⅰ是含碳量为0.77% 的共析钢。共析钢在室温时的组织是珠光体（显微组织见图2-24）。
任务三　铁碳合金及其相图
共析钢的结晶过程如图2-29 所示。
任务三　铁碳合金及其相图
2．亚共析钢
图2-28 中合金Ⅱ是含碳量为0.45% 的亚共析钢。亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组成。合金组织按下列顺序变化。
任务三　铁碳合金及其相图
亚共析钢的结晶过程如图2-30 所示。
任务三　铁碳合金及其相图
含碳量不同时，珠光体和铁素体的相对量也不同，含碳量越多，钢中的珠光体数量也越多。含碳量为0.45% 的亚共析钢在室温下的显微组织如图2-31 所示。
3．过共析钢
图2-28 中合金Ⅲ是含碳量为1.2% 的过共析钢。合金组织按下列顺序变化。
任务三　铁碳合金及其相图
过共析钢的结晶过程如图2-32 所示。
过共析钢中含碳量越大，二次渗碳体也越多。含碳量为1.2% 的过共析钢在室温下的显微组织如图2-33 所示。
任务三　铁碳合金及其相图
4．白口铸铁
图2-28 中合金Ⅳ是共晶白口铸铁，合金Ⅴ是某一成分的亚共晶白口铸铁，合金Ⅵ是某一成分的过共晶白口铸铁。
任务三　铁碳合金及其相图
同理，根据相图可以分析它们的结晶过程和所得到的室温组织。共晶白口铸铁的结晶过程和显微组织分别如图2-34 和图2-35 所示。
任务三　铁碳合金及其相图
亚共晶白口铸铁的结晶过程和显微组织分别如图2-36 和图2-37 所示。
任务三　铁碳合金及其相图
过共晶白口铸铁的结晶过程和显微组织分别如图2-38 和图2-39 所示。
任务三　铁碳合金及其相图
任务三　铁碳合金及其相图
1．铁碳合金组织有哪几种类型？各用什么符号表示？它们的性能特点是什么？
2．什么是铁碳合金相图？试绘制简化后的Fe-Fe3C 相图，说明各主要特性点和特性线的含义。
任务三　铁碳合金及其相图
3．什么是共析转变和共晶转变？写出铁碳合金的共析转变式与共晶转变式。
4．什么是钢？根据含碳量和室温组织的不同，钢可以分为哪几类？试述其含碳量范围和室温组织。
5．白口铸铁分为哪几类？试述其含碳量范围和室温组织。
任务三　铁碳合金及其相图
6．根据Fe-Fe3C 相图，在下表中填上三种不同含碳量的钢在所给温度时的显微组织名称。
7．随着含碳量的增加，钢的组织和性能有什么变化？

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