铁碳合金相图及其组织结构分析

铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。它是在平衡或接近平衡状态下，不同成分的铁碳合金在不同温度下，加热和冷却时，组织转变的一种图解，图2-5为铁碳合金相图。

由于温度和含碳量不同，铁碳合金有五种基本组织。三种是单相组织，即铁素体、奥氏体、渗碳体，它们是铁碳合金的基本相。两种是由基本相混合组成的多相组织，即珠光体和莱氏体。

1.铁素体 铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。它是由铁和碳形成的具有体心立方晶格结构的固溶体，晶格间隙较小，碳在α-Fe中的溶解度较低，且随着温度的降低而减少。由于铁素体的含碳量较低，所以铁素体的性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，强度和硬度也较低。

2.奥氏体 奥氏体是碳溶解于面心立方晶格γ-Fe铁中的固溶体，用符号A表示。由于奥氏体是面心立方晶格，晶格的空间较大，所以奥氏体的溶碳能力较强，在1148℃[w（C）]（溶碳量）可达2.11%，随着温度的下降，溶解度逐渐减小。

奥氏体的强度和硬度不高，但是其塑性和韧性好，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。

3.渗碳体 渗碳体是[w（C）]（含碳量）为6.69%的铁与碳的金属化合物。其分子式为Fe₃C。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，它与铁和碳的晶体结构完全不同，并与铁素体相反，硬度极高，但强度很低，脆性也很大，伸长率和冲击韧度都等于零，是一种硬而脆的组织。在钢中，渗碳体以不同形态和大小出现在组织中，对钢的力学性能影响很大。随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体含量也增多，钢的硬度、强度增加，塑性、韧性下降。

4.珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，平均w（C）为0.77%，用符号P表示。它只在低于723℃时才存在。在缓慢冷却的条件下，珠光体中的铁素体与渗碳体都呈片状，并且是一层一层交替地排列着。珠光体的力学性能是由铁素体和渗碳体的性质和特点决定的。因此珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。

铁素体、珠光体和渗碳体主要力学性能见表2-1。(www.xing528.com)

表2-1 铁素体、珠光体和渗碳体的力学性能

5.莱氏体 莱氏体是w（C）为4.3%的合金，是在1148℃时从液相中同时结晶出来奥氏体和渗碳体的混合物。用符号Ld表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度高，塑性很差。

从图2-2可知，α铁加热到910℃以上就变为γ铁，如再冷却到910℃以下又变为α铁。碳钢与纯铁的转变情况不同，碳钢加热至A₁温度时开始出现γ固溶体（奥氏体），继续加热至一定温度以上才全部变为奥氏体，该温度称为A₃转变温度[w（C）小于0.8%时]或A_cm转变温度[w（C）大于0.8%时]。钢的A₃转变温度随着含碳量的增加而降低，A_cm转变温度随着含碳量的增加而升高，如图2-5所示。

碳钢从A₃以上冷却至A₃温度时，开始出现铁素体；从A_cm以上冷却至A_cm温度时，则开始出现渗碳体。继续冷却，直至A₁温度以下，w（C）为0.8%以下的钢变为铁素体+珠光体，w（C）为0.8%以上的碳钢变为渗碳体+珠光体。图2-5所示的A₁、A₃和A_cm转变温度是指加热和冷却速度非常缓慢的情况下，即所谓平衡状态下的转变温度。但是，在通常的加热或冷却速度下这种转变有滞后现象，加热时的转变温度高于平衡状态下的转变温度，冷却时的转变温度低于平衡状态下的转变温度，因此，便用Ac₁和Ac₃代表加热时的转变温度，Ar₁，Ar₃代表冷却时的转变温度，这些转变温度简称“临界点”，有时还把Ac₃叫上临界点。钢中加入合金元素，能提高或降低钢的临界点。

铁碳合金相图仅为铁-碳两元的合金。钢中的合金元素对相图有很大影响。例如，镍、锰等元素能扩大奥氏体区，镍、锰含量较高的合金钢可以在室温下获得全奥氏体组织。