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鐵碳合金，是以鐵和碳為組元的二元合金。鐵基材料中應用最多的一類——碳鋼和鑄鐵，就是一種工業鐵碳合金材料。搞機械的，最應該掌握的材料就是鐵碳合金材料。

一、Fe-Fe₃C相圖的組元

1．Fe組元

δ -Fe(bcc) --1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃--- a -Fe(bcc) (同素異構轉變)

強度低、硬度低、韌性、塑性好

2．Fe3C （ Cem， Cm）

熔點高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。

二、Fe-Fe3C相圖中的相

1．液相L

2．δ相 高溫鐵素體 （C固溶到δ -Fe中——δ相）

3．α相 鐵素體F （C固溶到 α-Fe中——α相）

強度、硬度低、塑性好 （室溫：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）

4．γ相、A奧氏體 （C固溶到γ-Fe中——γ相）

強度低，易塑性變形

5．Fe3C

三、相圖分析

1．三條水平線和三個重要點

（1）包晶轉變線HJB：1495攝氏度，C%=0.09-0.53%

LB+δH------AJ 即 L0.53+ δ0.09------- A0.17

（2）共晶轉變線ECF,1148攝氏度，C%=2.11---6.69%

L4.3---- A2.11+Fe3C（共晶滲碳體）——Le4.3 高溫萊氏體 Le，Ld

（3）共析轉變線PSK，727攝氏度，C%=0.0218---6.69%

As----FP+Fe3C（共析滲碳體）

A0.77---- F0.0218+Fe3C——P（珠光體）

珠光體的強度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C和F之間

Le---- P+Fe3CII+Fe3C共晶------低溫萊氏體 Le’

2．液固相線

液相線ACD

固相線AECF

3．溶解度線

ES線 碳在A中的固溶線，1148攝氏度，2.11%—— 727攝氏度,0.77%,Fe3CII

PQ線 碳在F中的固溶線，727攝氏度,0.0218%——0.0008%室溫，Fe3CIII

4．GS線

5. 特征點

6.特征線表

四、基于Fe-Fe₃C相圖的Fe-C合金分類

1．工業純鐵，C%<=0.0218%

2．鋼

0.0218%<C%<= 2.11%

亞共析鋼 0.0218%<C%<0.77%

共析鋼 0.77%

過共析鋼 0.77%<C%<= 2.11%

3．白口鑄鐵2.11%<C%<6.69%

亞共晶白口鑄鐵 2.11%<C%<4.3%

共晶白口鑄鐵 4.3%

過共晶白口鑄鐵 4.3 %<C%<6.69%

在鐵碳合金中一共有三個相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。

1.鐵素體

鐵素體是碳在α-Fe中的間隙固溶體，用符號“F”(或α)表示，體心立方晶格；雖然BCC的間隙總體積較大，但單個間隙體積較小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃時)，室溫時幾乎為0，因此鐵素體的性能與純鐵相似，硬度低而塑性高，并有鐵磁性。

δ=30%~50%，A_KU=128~160J，σ_b=180~280MPa，50~80HBS.

鐵素體的顯微組織與純鐵相同,用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈現明亮的多邊形等軸晶粒,在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布,但當含碳量接近共析成分時,鐵素體因量少而呈斷續的網狀分布在珠光體的周圍。

2.奧氏體

奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，用符號“A”(或γ)表示，面心立方晶格；雖然FCC的間隙總體積較小，但單個間隙體積較大，所以它的溶碳量較大，最多有2.11%(1148℃時)，727℃時為0.77%。

在一般情況下，奧氏體是一種高溫組織,穩定存在的溫度范圍為727~1394℃，故奧氏體的硬度低,塑性較高,通常在對鋼鐵材料進行熱變形加工,如鍛造,熱軋等時，都應將其加熱成奧氏體狀態，所謂“趁熱打鐵”正是這個意思。σ_b=400MPa，170~220HBS，δ=40%~50%.

另外，奧氏體還有一個重要的性能,就是它具有順磁性，可用于要求不受磁場的零件或部件。

奧氏體的組織與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有孿晶存在。

3.滲碳體

滲碳體是鐵和碳形成的具有復雜結構的金屬化合物，用化學分子式“Fe₃C”表示。它的碳質量分數Wc=6.69%，熔點為1227℃,質硬而脆，耐腐蝕。用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蝕，滲碳體呈暗黑色。

滲碳體是鋼中的強化相，根據生成條件不同滲碳體有條狀、網狀、片狀、粒狀等形態，它們的大小、數量、分布對鐵碳合金性能有很大影響.

總結：

在鐵碳合金中一共有三個相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個相，就是鐵素體和滲碳體。由于鐵素體中的含碳量非常少，所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中。這一點是十分重要的.

鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe₃C，Fe₂C，FeC等，有實用意義并被深入研究的只是Fe-Fe₃C部分，通常稱其為 Fe-Fe₃C相圖，此時相圖的組元為Fe和Fe₃C。

由于實際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分軸從0~6.69%。所謂的鐵碳合金相圖實際上就是Fe—Fe₃C相圖。

鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：

（1）工業純鐵（<0.0218% C），其顯微組織為鐵素體晶粒，工業上很少應用。

（2）碳鋼（0.0218%-2.11%C），其特點是高溫組織為單相A，易于變形，碳鋼又分為亞共析鋼（0.0218%-0.77%C）、共析鋼（0.77%C）和過共析鋼（0.77%-2.11%C）。

（3）白口鑄鐵（2.11%-6.69%C），其特點是鑄造性能好，但硬而脆，白口鑄鐵又分為亞共晶白口鑄鐵（2.11%-4.3%C）、共晶白口鑄鐵（4.3%C）和過共晶白口鑄鐵（4.3%—6.69%C）

1．工業純鐵（C%≤0.0218%）

2．共析鋼 cC%=0.77%

3．亞共析鋼 0.0218%<C%<0.77%

4．過共析鋼

5．共晶白口鐵（C%=4.3%）

6．亞共晶白口鑄鐵，2.11%<C%<4.3%

7．過共晶白口鑄鐵

小結：標注組織的鐵碳相圖

一、碳在Fe-C合金中的存在方式

1．固溶→固溶體 C→ r-Fe（FCC）——A ,C→ α-Fe（bcc）——F

2．化合物 Fe₃C

3．石墨 Fe₃C→3Fe+G

二、復線鐵碳相圖

復線鐵碳相圖，是在實線的Fe-Fe₃C相圖上再疊加上虛線的Fe-G相圖，不同點在于：

（1）Fe-G 共晶、共析溫度高些，1154⁰C, 738⁰C

（2）Fe-G 共晶、共析成分左移 4.26%, 0.68%

（3）溶解度曲線也向左移E', 2.08%

（4）液相線C'D'稍高于Fe-Fe₃C相圖

共晶：L_cl--->G+A_E (1154⁰C)

共析：As1--->G+F (738⁰C)

三、鑄鐵的石墨化過程

鑄鐵組織中析出石墨的過程-石墨化

1．兩種形式

a. 按Fe-G相圖從液相中或A中直接析去G。

b. 接Fe-Fe₃C相圖，先結晶出Fe₃C，隨后在一定條件下，

Fe₃C→Fe+G

2．液態直接析出石墨的過程

a. 第I階段

過共晶成分L→L+G_I(>1154⁰C)→A_E+G_（共晶）+G_I (1154⁰C)

共晶成分L→A_E+G_（共晶） (1154⁰C)

亞共晶成分L→A_E+G_（共晶）+A_E初生 (1154⁰C)

b. 第II階段——析出二次石墨

A→A+G_II (1154⁰C→738⁰C)

c. 第三階段——共析石墨

As'→Fp+G_（共析）（738⁰C)

四、鑄鐵的組織和分類

1．按石墨化各階段進行的程度不同，得到不同組織的鑄鐵

石墨化程度

　2．接石墨形態分類

a. 灰口鑄鐵 片狀石墨

b. 可鍛鑄鐵 團絮狀

c. 球墨鑄鐵 球狀

d. 蠕墨鑄鐵 蠕蟲狀

一、應用

1．選材

2．熱加工工藝制定的基礎

二、局限性

．反映的是平衡相，而不是組織

2．反映二元合金中相的平衡狀態

3．沒有反映時間的作用——平衡條件下

一、共析鋼的奧氏體化

（晶格改組和Fe，C原子的擴散過程，遵循形核、長大規律）

1．共析鋼奧氏體化溫度

A_c1溫度：F(bcc,0.0218)+Fe₃C(6.69)------>A (Fcc, 0.77)

2．共析鋼奧氏體化過程

A_c1溫度：F(bcc,0.0218)+Fe₃C(6.69)------>A (Fcc, 0.77)

2．共析鋼奧氏體化過程

a. 形核 （優先在相界（F，Fe3C）

b. 長大

c. 滲碳體完全溶解

d. 碳的均勻化

二、亞（過）析鋼的奧氏體化

三、影響奧氏體化的因素

1．加熱溫度

2．加熱速度

3．含碳量

C%↑→界面多→核心多→轉變快

4．合金元素

a. Cr、M₀、W、V、Nb、Ti強碳化物形成元素，↓奧氏體形成速度

b. C₀、Ni非碳化物形成元素，↑奧氏形成速度

c. Al、Si、M_n影響不太

5．原始組織

片狀，片間距小→相界面多→碳彌散度大→碳原子擴散距離短→奧氏體形核長大快 >粒狀

四、奧氏體晶粒大小及控制

1．晶粒度: 表征晶體內晶粒大小的量度，通常用長度，面積，體積或晶粒度級別表示。

2．起始晶粒度、實際晶粒度、本質晶粒度

本質晶粒度：鋼奧氏體晶粒長大的傾向。

奧氏體晶粒隨溫度的升高而且迅速長大→本質粗晶鋼

奧氏體晶粒隨溫度升高到某一溫度時，才迅速長大→本質細晶鋼

3．奧氏體晶粒度的控制

a. 加熱工藝

加熱溫度，保溫時間

b. 鋼的成分——合金化

A中C%↑→晶粒長大↑

MxC%↑→是粒長大↓

1)碳化物形成元素 細化晶粒

2）Al→本質細晶鋼

3）Mn 、P促進長大

一、過冷奧氏體的等溫轉變

1．共析鋼過冷A等溫轉變曲線。

冷卻到一定溫度，保溫，測量A_過冷轉變開始和終了時間

A1以上：A穩定

A1以下：A不穩定，過冷

C曲線有一最小孕育期：

1：T↓，A——P的驅動力F提高

2：T↓——D↓

2．共析鋼過冷奧氏體等溫轉變產物的組織和特征

（1）高溫轉變區

A₁——鼻子溫度（550⁰C）

A_過冷——P（S，T）索氏體，屈氏體。

P的形成取決于生核，長大速率。T↓，生核，長大↑。

T↓→600⁰C，D↓，長大慢→層間距薄，短

擴散型相變，綜合性能好，HB較低，韌性好。

T↓——HB↑，強度↑

（2）中溫區轉變，貝氏體轉變 550℃~230℃ （M_S）

A_過冷→B，碳化物分布在含過飽和碳的F基體上的兩相機械混合物。

（3）低溫區轉變——馬氏體轉變，M_S→M_f之間一個溫度范圍內連續冷卻完成的，離于非擴散型轉變。

a. A_過冷→M+A'_殘余

b. 轉變產物：馬氏體M，碳在α-Fe中的過飽和固溶體。

C%<0.23%，板條狀M

C%>1.0%，針狀，馬氏體

c. 實質：T_低——C無法擴散→非擴散性晶格切變→過飽和C的鐵素體。

d. M轉變的特征，①無擴散性 ②瞬時性 ③存在M_s,Mf ④不完全性 ⑤體積膨脹

3．共析鋼等溫轉變組織——性能的關系

（1）珠光體型

轉變溫度降低，片間距小，細晶強化→強度、硬度、塑性、韌性提高

（2）貝氏體

B上：強度、韌性差

B下：硬度高，韌性好，具有優良的綜合機械性能

（3）馬氏體

硬度高

C%↑→HRC↑

針狀馬氏體，硬而脆，塑、韌性差

板條狀，強度高，塑性，韌性好

4．亞（過）共析鋼的等溫冷卻轉變曲線

影響C曲線的因素

C曲線反映奧氏體的穩定性及分解轉變特性，這些取決于奧氏體的化學成分和加熱時的狀態。

C曲線的形狀位置，不僅對過冷奧氏體等溫轉變速度和轉變產物的性能具有重要意義，而且對鋼的熱處理工藝也有指導性作用。

（一）A成分

1．含碳量

A中C%↑→C曲線右移.

對亞共析鋼，鋼中C%↑，A中C%↑→C曲線右移

對過共析鋼，一般在A_C1以上A化，鋼中C%↑，未溶Fe₃C↑→有利于形核→C曲線左移

共析鋼，C曲線最靠右邊，穩定性最高。

2．合金元素，（C₀%↑→左移）

除C₀以外，所有合金元素溶入A中，增大過冷A穩定性——右移

非碳化物形成元素，Si,Ni, Cu, 不改變C曲線形狀

強碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V, Nb, Ti, 改變C曲線形狀

除C₀,Al 外，均使M_s,M_f 下降，殘余A↑

（二）A化條件的影響

1．加熱溫度和時間

A化溫度↑，時間↑（成分均勻，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A穩定性↑，C曲線右移

過冷奧氏體的連續冷卻轉變

1．過冷奧氏體的連續冷卻轉變圖

PS：A→P開始線

Pf：A→P終止線

K：珠光體型轉變終止線

Vk：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界冷卻速度）→M最小冷速

Vk’：下臨界冷速→完全P最大冷速

2．連續冷卻轉變曲線和等溫轉變曲線的比較

（1）CCT位于TTT曲線右下方 A→P轉變溫度低一些，t長一些

（2）CCT無A→B轉變

CCT測定困難，常用TTT曲線定性分析

3．C曲線的應用

（1）根據工件要求，確定熱處理工藝。

（2）確定工件淬火時的臨界冷速。

（3）可以指導連續冷卻操作

V1:爐冷（退火） P

V2: 空冷，S，T

V3：空冷，S，T

V4：油冷，T+M+A'

V5 ：M+A'

（4）選擇鋼材的依據

（5）C曲線對選擇淬火介質與淬火方法有指導。

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