铁碳合金的分类及平衡组织解析

1.铁碳合金的分类

根据Fe-Fe₃C相图，铁碳合金按碳的质量分数和室温组织的不同，可分为工业纯铁、钢和白口铸铁。铁碳合金的分类和室温平衡组织见表3-3。

表3-3 铁碳合金的分类和室温平衡组织

2.典型铁碳合金的结晶及平衡组织

根据Fe-Fe₃C相图，可以分析任意成分的铁碳合金的成分、温度、组织之间的变化规律，以及它们在平衡条件下所获得的室温平衡组织。以下分析常用铁碳合金的结晶过程及平衡组织。

（1）工业纯铁 工业纯铁中碳的质量分数小于0.0218%，根据Fe-Fe₃C相图可知，其室温组织为铁素体，如图3-4所示。工业纯铁的性能特点为塑性、韧性好，但强度和硬度不高，故在工业中的应用较少。

（2）钢 钢是工业中最常用的材料，其特点是在高温固态下能获得单相奥氏体组织，具有良好的塑性，因而可进行锻压加工。钢又可分为共析钢、亚共析钢和过共析钢三类。

1）共析钢：根据Fe-Fe₃C相图可知，碳的质量分数为0.77%的共析钢从液态冷却至AC线时开始从液相中结晶出奥氏体，随后奥氏体不断增多，液相不断减少；当冷却至AE线时，结晶终了，全部转变为单相奥氏体；然后冷却到共析线即PSK线，开始发生共析转变，即由奥氏体转变为共析珠光体组织；以下冷却组织不再变化。因此，共析钢的室温平衡组织为片层状的珠光体，如图3-5所示。珠光体是由铁素体和渗碳体以片层状的形式组成的机械混合物，具有较高的强度和一定的韧性。

图3-4 工业纯铁的显微组织（F）

图3-5 共析钢的显微组织（P）(www.xing528.com)

2）亚共析钢：根据Fe-Fe₃C相图可知，碳的质量分数在0.0218%～2.11%范围内任意一个确定成分的亚共析钢冷却至AE线结晶结束，组织为单相奥氏体；当继续冷却至GS线时，先由奥氏体中析出铁素体，获得铁素体和奥氏体；然后冷却至共析线即PSK线，奥氏体再转变为珠光体；以下冷却组织基本不再变化。因此，亚共析钢的室温平衡组织为铁素体加珠光体。碳的质量分数为0.0218%～0.77%的亚共析钢平衡组织均为铁素体+珠光体，但随碳含量的增加，亚共析钢中铁素体的量减少，珠光体的量增加。图3-6所示分别为20钢[w（C）=0.20%]和45钢[w（C）=0.45%]的平衡组织，其中白亮色块状组织为铁素体，黑色或片层状的组织为珠光体。亚共析钢中，碳含量较低的钢，由于铁素体的量较多，因此具有良好的塑性和韧性；碳含量适中或较高的钢，由于珠光体数量增多，因此具有较高的强度和一定的韧性。

图3-6 亚共析钢的显微组织（F+P）

a）20钢 b）45钢

3）过共析钢：任意成分的过共析钢冷却至AE线结晶结束时，组织也为单相奥氏体；当继续冷却至ES线时，先由奥氏体中析出二次渗碳体，然后冷却至共析线即PSK线，奥氏体再转变为珠光体；继续冷却，组织基本不再变化。因此，过共析钢的室温平衡组织为珠光体+二次渗碳体。碳的质量分数为0.77%～2.11%的过共析钢平衡组织均为珠光体+二次渗碳体，但随着碳含量的增加，过共析钢中二次渗碳体数量增多且一般以网状分布，如图3-7所示。图3-7中片状或黑色组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。过共析钢中由于渗碳体的数量增加，其硬度较高，但塑性、韧性降低。在碳含量超过一定值后，二次渗碳体以网状连续分布，使钢的强度下降。

图3-7 过共析钢的显微组织（P+Fe₃C）

（3）白口铸铁 白口铸铁的特点是在液态下结晶时，全部或部分液相会发生共晶转变，获得全部或部分莱氏体组织。白口铸铁组织中渗碳体的量很多，故性能特点是硬度高、脆性大，不能进行压力加工，工业上较少直接使用白口铸铁制造零件。图3-8所示分别为共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的室温平衡组织。图3-8a中共晶白口铸铁的组织为低温莱氏体（L′d），其形态为短棒状或点状组织；图3-8b中亚共晶白口铸铁的组织为低温莱氏体（L′d）上分布着黑色或片状的珠光体（P）和沿珠光体分布的白色二次渗碳体（Fe₃C_Ⅱ）；图3-8c中过共晶白口铸铁的组织为短棒状或点状的低温莱氏体（L′d）和白色长条状的一次渗碳体（Fe₃C_Ⅰ）。

图3-8 白口铸铁的显微组织

a）共晶白口铸铁 b）亚共晶白口铸铁 c）过共晶白口铸铁