1、第三章 鐵碳合金第一節 鐵碳合金基本知識一、純鐵的同素異構轉變自然界中大多數金屬結晶后晶格類型都不再變化，但少數金屬，如鐵、錳、鈷等，結晶后隨著溫度或壓力的變化，晶格會有所不同，金屬這種在固態下晶格類型隨溫度（或壓力）變化的特性為同素異構轉變。如圖3-1所示。純鐵的同素異構轉變可概括如下：-Fe 和-Fe都是體心立方晶格，-Fe為面心立方晶格。純鐵具有同素異構轉變的特征，是鋼鐵材料能夠通過熱處理改善性能的重要依據。純鐵在發生同素異構轉變時，由于晶格結構變化，體積也隨之改變，這是加工過程中產生內應力的主要原因。二、鐵碳合金的基本組織在鐵碳合金中，由于鐵和碳的交互作用，可形成下列五種基本組織：1、

2、鐵素體（F）鐵素體是碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體，它仍保持-Fe的體心立方晶格結構。由于-Fe晶粒的間隙小，溶解碳量極微，其最大溶碳量只有0.0218%（727），所以是幾乎不含碳的純鐵。鐵素體由于溶量小，力學性能與純鐵相似，即塑性和沖擊韌度較好，而強度、硬度較低。顯微鏡下觀察，鐵素體呈灰色并有明顯大小不一的顆粒形狀。2、奧氏體（A）奧氏體是碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體。它保持-Fe的面心立方晶格結構。因其晶格間隙較大，所以溶碳能力比鐵素體強，在727時溶碳量為0.77%，1148時溶碳量達到2.11%。奧氏體的強度、硬度較低，但具有良好的塑性，是絕大多數鋼高溫進行壓力加工的理想組織。

3、由于-Fe一般存在于7271394之間，所以奧氏體也只出現在高溫區域內。顯微鏡觀察，奧氏體呈現外形不規則的顆粒狀結構，并有明顯的界限。3、滲碳體（Fe3C）滲碳體是鐵與碳形成的具有復雜斜方結構的間隙化合物，含碳量為6.69%，硬度很高（800HBW），塑性和韌性幾乎為零。主要作為鐵碳合金中的強化相存在。顯微鏡下觀察，滲碳體呈銀白色光澤，并在一定條件下可以分解出石墨。4、珠光體（P）珠光體是鐵素體和滲碳體組成的共析體（機械混合物）。珠光體的平均含碳量為0.77%，在727以下溫度范圍內存在。力學性能介于鐵素體和滲碳體之間，即綜合性能良好。顯微鏡觀察，珠光體呈層片狀特征，表面具有珍珠光澤，因此得名

4、。5、萊氏體（Ld）萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的共晶體。鐵碳合金中含碳量為4.3%的液體冷卻到1148時發生共晶轉變，生成高溫萊氏體（Ld）。合金繼續冷卻到727時，其中的奧氏體轉變為珠光體，故室溫時由珠光體和滲碳體組成，叫低溫萊氏體（Ld）。統稱萊氏體。萊氏體中由于大量滲碳體存在，其性能與滲碳體相似，即硬度高，塑性差。第二節 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是表示在緩慢冷卻的條件下，表明鐵碳合金成分、溫度、組織變化規律的簡明圖解，它也是選擇材料和制定有關熱處理工藝時的重要依據。由于WC>6.69%的鐵碳合金脆性很大，在工業生產中沒有使用價值，所以我們只研究WC小于6.69%的部分。WC=6.

5、69%對應的正好全部是滲碳體，把它看作一個組元，實際上我們研究的鐵碳相圖是Fe-Fe3C相圖。為了便于研究分析將其簡化，便得到了簡化的Fe-Fe3C相圖，如圖3-4所示。一、相圖分析簡化的Fe-Fe3C相圖縱坐標為溫度，橫坐標為碳的質量百分數，其中包括共晶和共析二種典型反應。1、Fe-Fe3C相圖中典型點的含義 見表3-1表3-1 Fe-Fe3C相圖中幾個特性點符號溫度/含碳量（%）說 明A15380純鐵的熔點C11484.3共晶點，D12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度G9120純鐵的同素異構轉變點P7270.0218碳在中的最大溶解度S7270.77共析點

6、，2、Fe-Fe3C相圖中特性線的意義 見表3-2。表3-2 簡化的Fe-Fe3C相圖中的特性線特性線含 義ACD液相線AECF固相線GSA3線，冷卻時不同含量的A中結晶F的開始線ESAcm線，碳在A中的固溶線ECF共晶線 PSK共析線，A1線。3、Fe-Fe3C相圖相區分析依據特性點和線的分析，簡化Fe-Fe3C相圖主要有四單相區：L、A、F、Fe3C；五個雙相區：L+A、A+F、L+ Fe3C、A+ Fe3C、F+ Fe3C。（見圖3-4所示）二、典型鐵碳合金結晶過程分析1、鐵碳合金分類(1)工業純鐵：Wc0.0218%；2、典型鐵碳合金結晶過程分析依據成分垂線與相線相交情況，分析幾種典型

7、鐵碳合金結晶過程中組織轉變規律。（1）共析鋼的結晶過程分析(如圖3-5、3-6所示)：（2）亞共析鋼的結晶過程分析（如圖3-7、3-8所示）：（3）過共析鋼的結晶過程分析（如圖3-9、3-10所示）：（4）共晶白口鑄鐵結晶過程分析：（5）亞共晶白口鑄鐵結晶過程分析：（6）過共晶白口鑄鐵結晶過程分析：第三節 鐵碳合金相圖的應用一、含碳量對鐵碳合金組織和力學性能的影響規律1、含碳量對平衡組織的影響 綜上所述，鐵碳合金在室溫的組織都是由F和Fe3C兩相組成，隨著含碳量增加，F不斷減小，而Fe3C逐漸增加，并且由于形成條件不同，Fe3C的形態和分布有所變化。如圖3-11所示.2、含碳量對力學性能的影響 圖3-12為含碳量對碳鋼的力學性能的影響。由圖可見，隨著鋼中含碳量增加，鋼的強度、硬度升高，而塑性和韌性下降，這是由于組織中滲碳體量不斷增多，鐵素體量不斷減少的緣故。但當WC=0.9%時，由于網狀二次滲碳體的存在，強度明顯下降。工業上使用的鋼含碳量一般不超過1.4%；而含碳量超過2.11%的白口鑄鐵，組織中大量滲碳體的存在，使性能硬而脆，難以切削加工，一般以鑄態使用。二、鐵碳相圖的應用1、作為選材的主要依據 相圖表明了鋼鐵材料成分、組織