铁碳合金的相图

铁碳合金相图是指在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，用热分析法测定的不同成分的铁碳合金，在不同温度所处状态或组织的图形。铁和碳可形成一系列稳定化合物（Fe3C、Fe2C、FeC），由于含碳量大于6．69%的铁碳合金脆性很大，没有使用价值，而Fe3C（碳量为6．69%）为稳定的化合物，可作为一个独立的组元，因此我们所研究的铁碳合金相图实际上是Fe－Fe3C相图，如图2－45所示。

图2－45　Fe－Fe3C相图

图2－46　简化后的Fe－Fe3C相图

Fe－Fe3C是二元合金相图，它的建立和我们前面讲的二元合金相图的建立过程是一样的。前面已对铁碳合金相图中的包晶相图部分作了简单介绍。本节为便于分析和研究，相图略去了左上角包晶部分。经简化的Fe－Fe3C相图如图2－46所示。

1）相图分析

铁碳合金相图由特征点、特征线、特征区组成。

（1）主要特征点

相图当中的主要特征点如表2－5所示。

表2－5　Fe－Fe3C相图主要特征点

（2）相图上的主要特征线

ACD线：液相线。在AC线下结晶出奥氏体。在CD线下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用符号Fe3CⅠ。

AECFD线：固相线。

ECF线：共晶线。液态铁碳合金冷却到该线时进行共晶反应。

ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm线。随着温度降低，碳在奥氏体中的溶解度逐渐减小，从奥氏体中析出二次渗碳体，用符号Fe3CⅡ表示。

GS线：奥氏体和铁素体相互转变的温度线，又称A3线。随着温度降低，从奥氏体中析出铁素体。反之，温度升高，铁素体溶入奥氏体中。

PSK线：共析线，又称A1线。奥氏体冷却到该线时进行共析反应。

PQ线：碳在铁素体中的固溶线。在727℃时铁素体中溶碳量最大，碳质量分数可达0．021 8%，室温时仅为0．000 8%，因此碳质量分数大于0．000 8%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体，用符号Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ数量极少，往往予以忽略。

（3）相图上主要相区

①主要单相区：L、A、F、Fe3C等。

②主要双相区：A＋L、L＋Fe3C、F＋A、A＋Fe3C、F＋Fe3C等。

2）铁碳合金的分类

根据铁碳合金中碳的质量分数和组织的不同，将铁碳合金分为：

（1）工业纯铁：wC≤0．021 8%，室温组织：铁素体和三次渗碳体。

（2）碳钢：0．021 8%＜wC≤2．11%。根据室温组织不同，又可以分为：

亚共析钢：0．021 8%＜wC＜0．77%，室温组织：铁素体和珠光体；

共析钢：wC＝0．77%，室温组织：珠光体；

过共析钢：0．77%＜wC≤2．11%，室温组织：珠光体和二次渗碳体。

（3）白口铸铁：2．11%＜wC≤6．69%。根据室温组织不同，又可以分为：

①亚共晶白口铸铁：2．11%＜wC＜4．3%，室温组织：珠光体、低温莱氏体和二次渗碳体；

②共晶白口铸铁：wC＝4．3%，室温组织：低温莱氏体；

③过共晶白口铸铁：4．3%＜wC≤6．69%，室温组织：渗碳体和低温莱氏体。

3）典型合金的结晶过程及其组织

铁碳合金由于成分不同，室温下组织不同，其组织可利用铁碳合金相图进行结晶过程分析而得到。工业纯铁的组织比较简单，在一定温度下从高温液体中结晶出δ－Fe固溶体，随温度降低转变为γ－Fe固溶体（即奥氏体A），后又变为α－Fe固溶体（即铁素体F），然后又从铁素体中析出少量三次渗碳体Fe3CⅢ，最终组织为F＋Fe3CⅢ。下面分析图2－46对应的其他铁碳合金的结晶过程及最终组织。

（1）共析钢

图2－46合金Ⅰ从高温缓冷到1点温度时，开始从液相L中结晶出奥氏体A，奥氏体A的量随温度下降而增多，其成分沿AE线变化，剩余液相逐渐减少，其成分沿AC线变化。冷至2点温度时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。2～3点（即S点）温度范围内为单一奥氏体。冷至3点（727℃）时，发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体F和渗碳体Fe3C层片相间的机械混合物，即珠光体P。图2－47为共析钢结晶过程组织转变示意图，图2－48为共析钢的显微组织。

图2－47　共析钢结晶过程示意图

图2－48　共析钢室温平衡状态显微组织

（2）亚共析钢(www.xing528.com)

图2－46合金Ⅱ在3点以上的冷却过程与共析钢在3点以上相似。当合金冷至与GS线相交的3点时，开始从奥氏体A中析出铁素体F。在3～4点之间，组织为奥氏体和铁素体，温度缓冷至4点时，剩余奥氏体的碳的质量分数达到共析成分（wC＝0．77%），发生共析转变形成珠光体P。温度继续下降，由铁素体中析出极少量的三次渗碳体Fe3CⅢ（可忽略不计）。故其室温组织为铁素体和珠光体，其结晶过程如图2－49所示。

图2－49　亚共析钢结晶过程示意图

图2－50　亚共析钢室温平衡状态显微组织

所有亚共析钢（含碳量在0．021 8%～0．77%）的冷却过程均相似，室温组织都是由铁素体和珠光体组成。所不同的是随含碳量的增加，珠光体量增多，铁素体量减少。亚共析钢的显微组织如图2－50所示，图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体。

不同含碳量的亚共析钢的组织组成物及相组成物的相对量均可由杠杆定律计算。如含碳量为0．45%的亚共析钢室温组织组成物为铁素体＋珠光体，相组成物为铁素体＋渗碳体，它们的相对量为

组织组成物：

相组成物：

（3）过共析钢

图2－46合金Ⅲ在3点以上的冷却过程与共析钢在3点以上相似。当合金冷至与ES线相交的3点时，奥氏体A中溶碳量达到饱和，碳以二次渗碳体Fe3CⅡ的形式析出，呈网状沿奥氏体晶界分布。继续冷却，二次渗碳体量不断增多，奥氏体量不断减少，剩余奥氏体的成分沿ES线变化。当冷却到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体达到共析成分（wC＝0．77%），故奥氏体发生共析转变，形成珠光体P。继续冷却，组织基本不变，其室温组织为珠光体和网状二次渗碳体，结晶过程如图2－51所示。

图2－51　过共析钢结晶过程示意图

图2－52　过共析钢室温平衡状态显微组织

所有过共析钢（含碳量在0．77%～2．11%）的室温组织都是由珠光体和网状二次渗碳体组成的。但随含碳量的增加，网状二次渗碳体量增多，珠光体量减少。过共析钢的显微组织如图2－52所示，图中呈片状黑白相间的组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。

（4）共晶白口铸铁

图2－46合金Ⅳ在1点（即C点）温度以上为液相。缓冷至1点温度（1 148℃）时，发生共晶转变，即从一定成分的液相中同时结晶出奥氏体A和渗碳体Fe3C，共晶转变后的奥氏体和渗碳体又称共晶奥氏体和共晶渗碳体。由共晶转变后的奥氏体和渗碳体组成的共晶体，称为高温莱氏体，用符号Ld表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。

继续冷却，从共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体Fe3CⅡ，奥氏体中的含碳量沿ES线向共析成分接近，当缓冷至2点时，奥氏体的成分达到共析成分，发生共析转变，形成珠光体P，二次渗碳体保留至室温。因此，共晶白口铸铁的室温组织是由珠光体和渗碳体（二次渗碳体和共晶渗碳体）组成的两相组织，即低温莱氏体（Ld′）。共晶白口铸铁的结晶过程如图2－53所示。其显微组织如图2－54所示，图中黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体（其中共晶渗碳体与二次渗碳体混在一起，无法分辨）。

图2－53　共晶白口铸铁结晶过程示意图

图2－54　共晶白口铸铁室温平衡状态显微组织

（5）亚共晶白口铸铁

图2－46液态合金Ⅴ冷至1点温度时，开始匀晶反应从液相中结晶出奥氏体A，奥氏体的量随温度下降而增多，其成分沿AE线变化，剩余液相逐渐减少，其成分沿AC线变化。当温度降至2点对应的共晶温度（1 148℃）时，剩余的液相达到共晶点成分发生共晶反应生成高温莱氏体Ld，共晶反应结束后组织为奥氏体和高温莱氏体，继续缓冷，在2～3点温度区间，从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状分布，此时组织为奥氏体＋二次渗碳体＋高温莱氏体，当冷至3点对应的共析温度（727℃）时，奥氏体发生共析转变生成珠光体P，高温莱氏体变成低温莱氏体Ld′，共析反应结束时组织为珠光体＋二次渗碳体＋低温莱氏体，温度降至室温，组织基本不变，最终室温组织为珠光体＋二次渗碳体＋低温莱氏体。合金结晶过程如图2－55所示。其显微组织如图2－56所示，图中黑色为珠光体，黑白相间的基体为低温莱氏体，二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，无法分辨。

所有亚共晶白口铸铁的室温组织均由珠光体＋二次渗碳体＋低温莱氏体组成。不同的是随碳的质量分数增加，组织中低温莱氏体量增多，其他量相对减少。

（6）过共晶白口铸铁

图2－46合金Ⅵ从高温缓冷到1点温度时，开始从液相L中结晶出一次渗碳体Fe3CⅠ，呈粗大的片状，渗碳体的量随温度下降而增多，剩余液相逐渐减少，其成分沿DC线变化。当温度降至2点对应的共晶温度（1 148℃）时，剩余的液相达到共晶点成分发生共晶反应生成高温莱氏体Ld，共晶反应结束后组织为高温莱氏体Ld和一次渗碳体，在2～3点温度区间，从莱氏体的共晶奥氏体A中不断析出二次渗碳体Fe3CⅡ，二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，无法分辨。继续冷却，奥氏体中的含碳量沿ES线向共析成分接近，当缓冷至3点时，共晶奥氏体的成分达到共析成分，发生共析转变，形成珠光体P，则由高温莱氏体转变为低温莱氏体Ld′，共析反应结束时组织为低温莱氏体和一次渗碳体，温度降低至室温，组织基本不变，最终过共晶白口铸铁室温组织为低温莱氏体＋一次渗碳体。图2－57为过共晶白口铸铁结晶过程组织转变示意图。图2－58为过共晶白口铸铁的显微组织，图中白色条状为一次渗碳体，黑白相间的基体为低温莱氏体。

图2－55　亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

图2－56　亚共晶白口铸铁室温平衡状态显微组织

图2－57　过共晶白口铸铁结晶过程示意图

图2－58　过共晶白口铸铁室温平衡状态显微组织

所有过共晶白口铸铁的室温组织均由低温莱氏体和一次渗碳体组成。不同的是随碳的质量分数的增加，组织中一次渗碳体量增多。

根据以上结晶过程分析得到不同种类铁碳合金的组织，可将组织标注在铁碳合金相图中，如图2－59所示。

图2－59　按组织标注的Fe－Fe3C相图