【正文】 )和 鑄鐵 (Cast irons)是應(yīng)用最廣的金屬材料 ， 它們的基本組成都是鐵 (Fe)和碳 (C)兩種元素 ， 故統(tǒng)稱為 鐵碳合金 （ alloys of the iron－ carbon system） 。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 Fe3C Fe2C FeC 溫度 Fe C (%C) ? 鐵碳相圖概括了鋼鐵材料的成分 、 溫度與組織之間的關(guān)系 。在鐵碳合金中 ， Fe與 C可以形成一系列化合物： Fe3C、 Fe2C、FeC。 所以 ， FeC相圖可以劃分成 FeFe3C, Fe3CFe2C, Fe2CFeC和 FeCC四個(gè)部分 。 化合物是硬脆相 ， 工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過 5％ ， 通常所說的鐵碳相圖就是 FeFe3C部分 。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 (一 ) Fe— Fe3C相圖中的組元 鐵碳合金中組元 鐵 (Fe)和 碳 (C)， 而 Fe— Fe3C合金相圖的組元： 純鐵和滲碳體（ Fe3C） 1. 純鐵（ Fe） ? 純鐵固態(tài)下具有 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 （ allotropic transformation） ： 912℃和 1394℃ ? 純鐵具有 磁性轉(zhuǎn)變 （ 768℃ 磁性轉(zhuǎn)變 、 magic transformation） 。 ? 純鐵的強(qiáng)度低 ， 塑性好 (軟 )， 很少用于結(jié)構(gòu)材料 。 主要利用 鐵磁性（ ferromagism） 。 純鐵的顯微組織 第七章 二元系相圖及其合金凝固 純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化 第七章 二元系相圖及其合金凝固 2. 滲碳體 (Fe3C) ? 滲碳體 （ cementite）是 Fe— C合金中碳以化合物 (Fe3C)形式出現(xiàn)的 。 它具有復(fù)雜的晶格 ， 其晶體結(jié)構(gòu)如圖 。 Fe3C是由 C原子構(gòu)成的一個(gè)斜方晶格 ， 原子周圍有六個(gè) Fe原子 ，構(gòu)成一個(gè)八面體 ， 而每個(gè)Fe原子屬于兩個(gè)八面體共有 ， Fe:C=3:1。 滲碳體的晶格 第七章 二元系相圖及其合金凝固 ? Fe3C熔點(diǎn)為 1227℃ ， Fe3c是一種亞穩(wěn)化合物 ， 在一定條件下 ， 滲碳體可以分解而形成石墨狀的自由碳： Fe3C→ 3Fe + C(石墨 )。 這一過程對(duì)于鑄鐵和石墨鋼具有重要意義 。 Fe— Fe3C相圖為 介穩(wěn)定系相圖 ， Fe－ C相圖為 穩(wěn)定系相圖 ， 二者的 Fe－ C合金雙重相圖 。 ? Fe3C在 230℃ 以下具有鐵磁性 ， A0表示 。 ? Fe3C在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀 ， 粒狀 ， 網(wǎng)狀和板條狀 。 滲碳體硬而脆(HB800)， 塑性極低 ， 延伸率接近于 0。 它是鋼鐵材料中的主要強(qiáng)化相 。 Fe3C中碳和 Fe可以被其它元素替代形成以 Fe3C為基的固溶體 。 Fe被 Cr、 Mn等原子金屬置換 ， 形成以 Fe3C為基的固溶體 ， 稱為 合金滲碳體 。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 (二 ) Fe— C合金中的基本相 在 Fe—Fe3C相圖中， Fe—C合金在不同條件 (成分，溫度 )下，可有六個(gè)基本相： L相、 δ相、 γ相、 α相 、 Fe3C相、石墨（ C） 1. 液相 (L) : Fe與 C在高溫下形成的液體溶液。 (ABCD線以上 ) 2. 高溫鐵素體 (δ相 ): C在 δ－Fe的間隙固溶體。在 1459℃ 時(shí)最大溶解量可達(dá) %，為bcc結(jié)構(gòu)，也稱 高溫鐵素體（ high temperature ferrite）。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 3. 奧氏體 （ austenite） 奧氏體 (γ或 A)是 C溶解于 γ—Fe形成的間隙固溶體稱為 奧氏體 。γ具有 fcc結(jié)構(gòu)。具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體可以溶解較多的碳， 1148℃ 時(shí)最多可以溶解 %的碳，到 727℃ 時(shí)含碳量降到%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面體的中心，單相 γ區(qū)存在于 NJBESGN區(qū)域 內(nèi) (727~1459℃ )。奧氏體的硬度 (HB170~ 220)較低，塑性 (延伸率 δ為 40%~50%)高。奧氏體的顯微組織見下圖。 γ是 順磁性 (paramagism)， 具有 fcc結(jié)構(gòu)。晶粒呈平直多邊形。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 （ cementite） （ ferrite） 鐵素體 (α 或 F)是 C溶于 α Fe形成的間隙固溶體稱為 鐵素體 。C原子溶于八面體間隙 。 單相 α 相在 GPQ以左部分 。 鐵素體的含碳量非常低 ， 在 727℃ 時(shí) C在 α Fe中最大溶解量為 %， 室溫下含碳僅為 %， 所以其性能與純鐵相似：硬度 (HB50~80)低 ， 塑性 (延伸率 δ 為 30%50%)高 。 鐵素體的晶粒常呈多邊形 。是鐵磁性 ， 具有 bcc結(jié)構(gòu) 。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 6. 石墨 (C)： 在一些條件下 ， 碳可以以游離態(tài) 石墨 (graphite) 穩(wěn)定相存在 。 所以石墨是鑄鐵的一個(gè)基本相 。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 (三 ) Fe— Fe3C相圖分析 Fe— Fe3C相圖 的分析圍繞三條水平線可把 Fe— Fe3C相圖分解為三個(gè)部分考慮：左上角的 包晶部分 ，右邊的 共晶部分 ，左下角的 共析部分 。 分析點(diǎn)、線、區(qū)特別是重要的點(diǎn)、三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線、重要的相界線 ? 五個(gè)重要的成份點(diǎn) : P、 S、E、 C、 K。 ? 四條重要的線 : EF、 ES、GS、 FK。 ? 三個(gè)重要轉(zhuǎn)變 : 包晶轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變。 ? 二個(gè)重要溫度 : 1148 ℃ 、727 ℃ 。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 — Fe3C相圖的點(diǎn) Fe— Fe3C相圖相圖中的各特性點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度 、 成分和意義如下表： A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H、 J、 K、 N、 P、 S、 Q 各點(diǎn) 。 第七章 二元系相圖及其合金凝固 ① J為 包晶點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到 1495℃ 時(shí)，點(diǎn)成分的 L與H點(diǎn)成分的 δ 發(fā)生包晶反應(yīng)，生成 J點(diǎn)成分的 A。 14951495 ALAL ℃J℃HB ?? ????? ??? ?? 　即　　 ② C點(diǎn)為 共晶點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到 1148℃ 時(shí)， C點(diǎn)成分的 L發(fā)生共晶反應(yīng)，生成 E點(diǎn)成分的 A和 Fe3C。 CFeALCFeAL℃E℃C1 14 831 14 8??? ????? ??即　　 產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的共晶混合物，稱 萊氏體 (Ledeburite)，以符號(hào) Ld表示。在顯微鏡下萊氏體的形態(tài)是：塊狀或粒狀 A（室溫時(shí)轉(zhuǎn)變成珠光體）分布在滲碳體基體上。 Fe— Fe3C相圖五個(gè)個(gè)的點(diǎn) 第七章 二元系相圖及其合金凝固 ③ S點(diǎn)為 共析點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到 727℃ 時(shí)， S點(diǎn)成分的 A發(fā)生共析反應(yīng)，生成 P點(diǎn)成分的 F和 Fe3C。 CFeFACFeFA ℃P℃S ??? ????? ?? 　即　 產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物 ， 稱 珠光體 （ Pearlite） ， 以符號(hào)P表示 。 在顯微鏡下珠光體的形態(tài)呈片狀 。 在放大倍數(shù)很高時(shí) ， 可清楚看到相間分布的滲碳體片與鐵素體 。 珠光體的強(qiáng)度很高 ， 塑性 、 韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間 ， 其力學(xué)性能如下： 抗拉強(qiáng)度 σ b=770、 伸長(zhǎng)率 δ = 20% ～ 30% 、 沖擊韌度 α k=3 105 ～4 105J/m 硬度 180HB。 ④ E點(diǎn)為 鋼和鑄鐵的分界點(diǎn) ： ％ C ⑤ P點(diǎn)為 鋼和工業(yè)純鐵的分界點(diǎn) ：％ C