Fe-C相图知识

铁碳相图和铁碳合金(一)　

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。

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（图1）。Fe-Fe3pvdfC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F

e3C。

图1 铁碳双重相图

【说明】

图1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。

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：

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

纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。

图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织

铁的固溶体

碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或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（图2）

碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或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℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量

降到0.8%。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图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。

图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格

渗碳体(Fe3C)

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（图5），熔点为1227℃。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。

铁碳相图和铁碳合金(二)

图6 Fe-Fe3C相图

单相区——5个

相图中有5个基本的相，相应的有5个相区：

液相区(L)——ABCD以上区域

δ固溶体区——AHNA

奥氏体区(γ)——NJESGN

铁素体区(α)——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：

当爱已成负担

L+δ——AHJBA

L+γ——BJECB

L45钢+ Fe3C——DCFD

δ+γ——HNJH

γ+α——GPSG

γ+ Fe3C寻自我——ESKFCE

α+ Fe3C——PQLKSP

三相区——3个

包晶线——水平线HJB(L+δ+γ)

共晶线——水平线ECF(L+γ+Fe3C)

共析线——水平线PSK(γ+α+ Fe3C)

相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表1。

表1 Fe-Fe3C相图中的特性点

符号	T /℃	C %	说明
A	1538	0	纯铁的熔点
B	1495	0.53 山西农业大学学报	包晶转变时液相成分
C	1148	4.30	共晶点
D	1227	6.67	渗碳体的熔点
E	1148	2.11	碳在γ-Fe中的最大溶解度
F	1148	6.67	渗碳体的成分
G	912	0	纯铁α↔γ转变温度
H	1495	0.09	碳在δ-Fe中的最大溶解度
J	1495	0.17	包晶点
K	727	6.67	渗碳体的成分
N	1394	0	纯铁γ↔δ转变温度
P	727	0.0218	碳在α-Fe中的最大溶解度
S	727	0.77	共析点
Q	600	0.0057	600˚C碳在α-Fe中的溶解度
Q	苏皖200	7×10-7	200˚C碳在α-Fe中的溶解度