探究铁碳合金的相图认知

铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，是钢和铸铁的统称。钢铁材料由于具有优良的力学性能和工艺性能，在现代工业中成为应用最广泛的金属材料。

钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基本组元是铁和碳两个元素，故统称为铁。为了掌握铁碳合金成分、组织及性能之间的关系，以便在生产中合理使用，首先必须了解铁碳相图。

2.3.1 铁碳合金的组元及基本相

1.纯 铁

铁是一个过渡元素，熔点为1538 °C，在固态下铁可以发生两种同素异晶转变，具有两种同素异晶状态。

1）铁的同素异晶转变

图2-25所示为铁的冷却曲线。由图可以看出，纯铁在1538 °C结晶为体心立方晶格的δ-Fe，冷却到1394 °C时，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe。通常把的转变称为A4转变，转变的平衡临界点温度称为A4点。当温度继续降至912 °C时，面心立方晶格的γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe，把的转变称为A3转变，转变的平衡临界点温度称为A3点。在912 °C以下铁的晶体结构不再发生改变。这样，铁就有三种同素异构状态，即δ-Fe、γ-Fe和α-Fe。铁的同素异构转变具有很大的实际意义，它是钢的合金化和热处理的基础。

图2-25　纯铁的冷却曲线及晶体机构变化

α-Fe在770 °C还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性转变为低温的铁磁性状态，通常将这种磁性转变称为A2转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。应当指出，磁性转变时铁的晶格类型不发生改变，所以不属于相变。

2）铁素体与奥氏体

铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，常用符号F或α表示。奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为面心立方结构，常用符号A或γ表示。铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。

铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多。据测定，奥氏体的最大溶碳量wC＝2.11%（于1148 °C），而铁素体的最大溶碳量仅为wC＝0.0218%（于727 °C），在室温下铁素体的溶碳能力就更低了，一般在0.008%以下。

碳溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体，称为δ铁素体，以δ表示。其最大溶解度于1495 °C时wC＝0.09%。

因为铁素体中的含碳量很少，所以其性能与纯铁基本相同，居里点也是770 °C。奥氏体的塑性很好，易于塑性变形，具有顺磁性。

3）纯铁的工业性能与应用

工业纯铁的含铁量一般为wFe＝99.8%～99.9%，含有w＝0.1%～0.2%的杂质，其中主要是碳。纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不同而有很大的差别，其大致如下：

抗拉强度σb　176～224 MPa

屈服强度σ0.2　98～166 MPa

延伸率δ　30%～50%

断面收缩率ψ　70%～80%

冲击韧性αk　160～200 J/cm2

硬度　50～80 HBW

纯铁的塑性和韧性很好，但其强度很低，极少用作结构材料。纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性。

渗碳体

2.渗碳体

渗碳体Fe3C是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量wC＝6.69%，可用符号Cm表示。Fe3C也是铁碳相图中的重要基本相，熔点为1227 °C。

渗碳体属于正交晶系，晶体结构复杂，一个渗碳体晶胞含有12个铁原子和4个碳原子，符合3∶1的关系，故写成Fe3C。渗碳体具有很高的硬度，约为800 HBW，但塑性很差，延伸率接近于零。渗碳体在低温下具有一定的铁磁性，但是在230 °C以上，这种磁性就消失了，因此230 °C是渗碳体的磁性转变温度，称为A0转变。

3.石 墨

石墨的碳含量为100%，为六方晶格，是灰口铸铁的一个基本组成相。石墨硬度很低，塑性几乎为零，铁碳合金中的石墨常用符号C或G表示。

2.3.2 Fe-Fe3C相图分析

1.概 况

图2-26是Fe-Fe3C相图，图中各特性点的温度、碳浓度及意义如表2-2所示。各特性点的符号是国际通用的，不能随意更换。

图2-26　Fe-Fe3C相图

Fe-Fe3C相图分析铁碳相图组织转变

表2-2　铁碳相图中的特性点

5个单相区：

ABCD以上——液相区（L）；

AHNA ——δ固溶体区（δ）；

NJESGN ——奥氏体区（γ或A）；

GPQG ——铁素体区（α或F）；

DFK——渗碳体区（Fe3C或Cm）。

7个两相区：

L＋δ、L＋γ、L＋Fe3C、δ＋γ、γ＋α、α＋Fe3C、γ＋Fe3C。

3条水平线：

HJB——包晶转变线；

ECF——共晶转变线；

PSK——共析转变线。

2条磁性转变线：

MO虚线为铁素体的磁性转变线，230 °C虚线为渗碳体的磁性转变线。

2.三种恒温转变

（1）包晶转变（HJB恒温线）。

在1495 °C（恒温线上），wC＝0.53%的液相与wC ＝0.09%的δ相发生包晶转变，生成wC＝0.17%的γ相，即奥氏体，其反应式为

wC＝0.09%～0.53%的所有铁碳合金都发生包晶转变。wC＝0.17%的铁碳合金包晶反应前δ相和液相的数量匹配得当，包晶反应结束时，δ相和液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量wC在0.09%～0.17%的合金，由于δ相的量较多，液相耗尽后，将残留一部分δ相。这部分δ相在随后的冷却过程中将通过同素异晶转变而成为奥氏体。含碳量wC在0.17%～0.53%的合金，δ相相对数量不足，包晶反应结束后将残留液相，这部分液相将随温度的降低而结晶为奥氏体。

wC＜0.09%的合金不发生包晶转变，其液相将按匀晶转变结晶为δ固溶体之后，继续冷却时将在NH与NJ线之间发生同素异构转变，变为单相奥氏体。

（2）共晶转变（ECF恒温线）。

在1148 °C的恒温下，由wC＝4.3%的液相转变为wC＝2.11%的奥氏体和渗碳体的混合物，其反应式为

共晶转变形成的奥氏体和渗碳体的混合物，称为莱氏体，以符号Ld表示。凡是含碳量wC在2.11%～6.69%的合金，都会进行共晶转变。

（3）共析转变（PSK恒温线）。

在727 °C的恒温下，由wC＝0.77%的奥氏体转变为wC＝0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物，其反应式为

共析转变的产物称为珠光体，用符号P表示。共析转变的恒温线PSK，称为共析线或共析温度，常用符号A1表示。凡是含碳量wC＞0.0218%的铁碳合金都将发生共析转变。

3.三条重要的特性曲线

（1）GS线。

GS线又称为A3线，它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线，或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线。事实上，GS线是由G点（A3点）演变而来的，随着含碳量的增加，奥氏体向铁素体的同素异构转变温度逐渐下降，使得A3点变成了A3线。

（2）ES线。

ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。当温度低于此曲线时，就要从奥氏体中析出次生渗碳体，通常称之为二次渗碳体，用Fe3CⅡ表示，因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线。ES线也叫Acm线。

由相图可以看出，在1148 °C时，wC＝2.11%的E点表示奥氏体的最大含碳量。

（3）PQ线。

PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。在727 °C时铁素体中的含碳量达到最大值wC＝0.0218%。随着温度的降低，铁素体中的溶碳量逐渐减少，在300 °C以下，wC＜0.001%，因此，当铁素体从727 °C冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。

2.3.3 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织

铁碳合金的组织是液态结晶及固态相变的综合结果，研究铁碳合金的结晶过程，目的在于通过分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。通常按有无共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类。wC＝0.0218%～2.11%不发生共晶转变的铁碳合金称为碳钢；wC＝2.11%～6.69%发生共晶转变的铁碳合金称为铸铁。按Fe-Fe3C系统结晶的铸铁，碳是以渗碳体的形式存在，其断口呈白亮色，故称之为白口铸铁。wC＜0.0218%的铁碳合金与铁一样只发生同素异晶转变，故称之为工业纯铁。(www.xing528.com)

根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：

（1）工业纯铁：wC＜0.0218%；

（2）共析钢：wC＝0.77%；

（3）亚共析钢：wC＝0.0218%～0.77%；

（4）过共析钢：wC＝0.77%～2.11%；

（5）共晶白口铸铁：wC＝4.3%；

（6）亚共晶白口铸铁：wC＝2.11%～4.3%；

（7）过共晶白口铸铁：wC＝4.3%～6.69%。

现从每种类型中选择一种合金来分析其平衡结晶过程。所选取的合金成分在相图上的位置如图2-27所示。

1.工业纯铁

合金①为wC＝0.01%的工业纯铁，其结晶过程示意图如图2-28所示。该液态合金在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶出δ固溶体，冷却至3点，开始发生固溶体的同素异构转变δ→γ，奥氏体的晶核优先在δ相的晶界上形核并长大。这一转变在4点结束，合金全部转变为单相奥氏体，继续冷却至5点时，发生γ固溶体的同素异晶转变γ→α；同样，铁素体也是在奥氏体晶界形核并长大，当温度继续降至6点时，奥氏体全部转变为铁素体。铁素体冷却到7点时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和，因此，当温度降至7点以下时，渗碳体将从铁素体中析出，这种从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。

图2-27　典型铁碳合金冷却时组织转变过程分析图

图2-28　wC＝0.01%的工业纯铁结晶过程示意图

2.共析钢

合金②为wC＝0.77%的共析钢，其结晶过程示意图如图2-29所示。在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶出奥氏体。温度冷却至3点（727 °C）时，在恒温下发生共析转变，，形成珠光体。珠光体是共析铁素体和共析渗碳体的层片状混合物，在随后的冷却过程中，铁素体中的含碳量沿PQ线变化，于是从珠光体的铁素体相中析出三次渗碳体，在缓慢冷却条件下，三次渗碳体在铁素体与渗碳体的相界上形成，与共析渗碳体连接在一起，在显微镜下难以分辨，同时其数量也很少，对珠光体的组织和性能没有明显影响。因此，共析钢的室温平衡组织是珠光体，如图2-30所示。

3.亚共析钢

合金③为wC＝0.40%的亚共析钢，其结晶过程示意图如图2-31所示。在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶出δ固溶体，冷却至HJB线上的2点时，δ固溶体的含碳量转变为0.09%，而液相的含碳量转变为0.53%，于是，在1495 °C的恒温下发生包晶转变，，转变为奥氏体。但由于钢中含碳量（wC＝0.40%）大于0.17%，所以包晶转变完成后仍然有液相存在，这部分液相在2～3点之间继续结晶为奥氏体，当温度降至3点时，合金全部变为wC＝0.40%的单相奥氏体。

图2-29　wC＝0.77%的共析钢结晶过程示意图

图2-30　共析钢的室温组织

图2-31　wC＝0.40%的亚共析钢结晶过程示意图

单相奥氏体冷却至4点时，在晶界上开始析出先共析铁素体，随着温度的降低，先共析铁素体的数量不断增多，此时铁素体的成分沿着GP线变化，而奥氏体的成分则沿着GS线变化，当温度冷却至PSK线上的5点时，奥氏体的成分达到S点，即含碳量达到0.77%，于恒温下发生共析转变，，形成珠光体。在5点以下，先共析铁素体和珠光体中的共析铁素体都将析出三次渗碳体，但其数量也都很少，一般可以忽略不计。因此，亚共析钢的室温组织是先共析铁素体和珠光体，如图2-32所示，钢中含碳量越高，则组织中的珠光体数量越多。

图2-32　亚共析钢的室温组织

4.过共析钢

合金④为wC＝1.2%的过共析钢，其结晶过程示意图如图2-33所示。在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶为单相奥氏体，当冷却至ES线上的3点时，开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4点为止。这种先共析渗碳体一般沿着奥氏体晶界呈网状分布。由于渗碳体的析出，奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至PSK线上的4点时，奥氏体的含碳量正好达到0.77%，在恒温（727 °C）下奥氏体发生共析转变，，形成珠光体，因此过共析钢的室温组组就是二次渗碳体和珠光体，如图2-34所示。

图2-33　wC＝1.2%的过共析钢结晶过程示意图

图2-34　过共析钢的室温组织

在过共析钢中，二次渗碳体的数量随钢中含碳量的增加而增加，当含碳量较多时，除了沿奥氏体晶界呈网状分布外，还在晶内呈针状分布。当含碳量wC达到2.11%时，二次渗碳体的数量达到最大值，约为22.66%。

5.共晶白口铸铁

合金⑤为wC＝4.3%的共晶白口铸铁，其结晶过程示意图如图2-35所示。液态合金冷却至1点（1148 °C）时，在恒温下发生共晶转变，，形成莱氏体（Ld），当冷却至1点以下时，碳在奥氏体中的溶解度不断下降，因此从共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，但由于其依附在共晶渗碳体上析出并长大，所以很难分辨。当温度降至2点（727 °C）时，共晶奥氏体的含碳量wC降至0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体。所以共晶白口铸铁最后的室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上。室温莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，只是组成相发生了改变。因此常将室温莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体（Ld′），如图2-36所示。

图2-35　wC＝4.3%的共晶白口铸铁结晶过程示意图

图2-36　共晶白口铸铁的室温组织

6.亚共晶白口铸铁

合金⑥为wC＝3.0%的亚共晶白口铸铁，其结晶过程示意图如图2-37所示。在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶出初晶奥氏体，或称先共晶奥氏体，初晶奥氏体的成分沿JE线变化，而液相沿BC线变化。当温度降至ECF线上的2点时，液相成分到达共晶点C，于是在1148 °C的恒温下发生共晶转变， ，形成莱氏体。当温度冷却到2～3点温度区间时，从初晶奥氏体和共晶奥氏体中都析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿着ES线不断降低，当温度到达3点（727 °C）时，奥氏体的成分也到达了S点，于是恒温下发生共析转变，所有的奥氏体均转变为珠光体，因此，亚共晶白口铸铁的室温组织是珠光体＋二次渗碳体＋低温莱氏体，如图2-38所示。

图2-37　wC＝3.0%的亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

7.过共晶白口铸铁

合金⑦为wC＝5.0%的过共晶白口铸铁，其结晶过程示意图如图2-39所示。该液态合金在温度1～2之间先结晶出粗大的先共晶渗碳体，称为一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示。随着一次渗碳体的析出，液相成分沿着DC线变化。当温度冷却至2点时，液相成分到达wC＝4.3%，于恒温下发生共晶转变，形成莱氏体。在继续冷却过程中，共晶奥氏体先析出二次渗碳体，然后于727 °C恒温下发生共析转变，形成珠光体，因此过共晶白口铸铁室温组织为一次渗碳体和低温莱氏体，如图2-40所示。

图2-38　亚共晶白口铸铁的室温组织

图2-39　wC＝5.0%的过共晶白口铸铁结晶过程示意图

图2-40　过共晶白口铸铁的室温组织

2.3.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响

1.对平衡组织的影响

通过上述各铁碳合金及其结晶过程可以看出，任何铁碳合金在室温下的平衡组织都是由铁素体和渗碳体两个相组成的，碳对合金中铁素体和渗碳体的数量以及组织有着极其重要的影响。通过图2-41可以看出，随着含碳量的增加，铁碳合金的室温平衡组织变化顺序为

F→F＋P→P→P＋Fe3CⅡ→P＋Fe3CⅡ＋Ld′→Ld′→Ld′＋Fe3CⅠ

图2-41　铁碳合金组织、性能与成分的对应关系

此外除了平衡组织发生变化外，随着含碳量的增加，铁素体和渗碳体的形态与分布也发生了变化。例如铁素体，从奥氏体中析出的铁素体一般呈块状，而经共析转变形成的珠光体中的铁素体则呈片状。又如渗碳体，三次渗碳体从铁素体中析出，沿边界呈小片状分布，共析渗碳体是经过共析反应生成的，与铁素体呈交替的层状分布，而从奥氏体中析出的二次渗碳体，则沿奥氏体晶界呈网状分布，共晶渗碳体是与共晶奥氏体同时形成的，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状，一次渗碳体是从液相中直接析出的，呈长条状。由此可见，同一种组成相，尽管本质不变，但由于形成条件不同，其形态和分布可以发生很大的变化，从而形成不同的组织，对铁碳合金的性能产生十分重要的影响。

2.对机械性能的影响

铁碳合金中铁素体软而韧，渗碳体硬而脆，因此铁碳合金的机械性能主要取决于铁素体和渗碳体的配合情况。

珠光体由铁素体和渗碳体组成，渗碳体以片状分散分布于铁素体基体上，起到了强化作用，因此珠光体具有较高的强度和硬度，而塑性和韧性较差。在亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体逐渐增多，合金的强度和硬度升高，而塑性和韧性逐渐降低。在过共析钢中，含碳量在1%时，合金的强度达到最大值，含碳量继续增加时，强度反而降低，这是由于脆性的二次渗碳体在含碳量大于 1%时，在晶界处形成连续的网状，使合金的脆性大大增加。在白口铸铁中，由于渗碳体含量很高，故脆性很大，强度很低。

为了保证工业上使用的铁碳合金具有适当的塑性和韧性，合金中渗碳体相的数量不应过多。对于碳素钢及普通低中合金钢而言，其含碳量一般不超过1.3%。

3.对工艺性能的影响

1）切削加工性能

含碳量过高或过低，都会降低钢的切削加工性能。含碳量较低时，钢中的铁素体成分较多，切削加工时产生的切削热较大，容易黏刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，故切削加工性能不好。含碳量较高时，钢中渗碳体成分较多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能也差。一般认为，钢的硬度在230 HBS左右时切削加工性能较好。

2）可锻性

金属的可锻性是指金属在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。

钢的可锻性与含碳量有关，低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐渐变差。

奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形，钢加热到高温可获得单项奥氏体组织，具有良好的可锻性。

3）铸造性

金属的铸造性是指金属能否用铸造方法制成优良铸件的性能，又称可铸性。

铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性好，铸造性最好。从相图上看，结晶温度越高，结晶温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性就越差。

案例释疑

分析：钢桥垮塌、邮轮断裂，这些惨痛的教训引起了科学家们的高度重视，答案最终被科学家们找到了。首先，任何固体材料都会有弹性，而材料的弹性是有一定限度的，一旦所受的力超过其弹性限度，材料就会断裂。材料的弹性不仅与材料本身的结构密切相关，而且随温度的变化而变化。钢材在低温下，其弹性限度会大大下降。其次，更为重要的是，科学家们发现以上钢桥和邮轮的钢材中含磷量较高。磷是由生铁带入钢中的有害杂质元素，磷在钢中能全部溶入铁素体，使钢的强度、硬度有所提高，但却使常温下钢的塑性、韧性急剧降低，使钢变脆，这种情况在低温时更为严重，称为冷脆性。钢桥在严寒中受冷脆性影响，当承受不住外来的压力时，钢材就会产生裂缝，以致大桥垮塌、邮轮断裂。

结论：磷是有害的元素，它使钢产生冷脆性，因此应严格控制其含量。设计师在设计大型建筑和结构时，必须高度重视钢材的抗寒能力，量材施用。

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