铁碳合金相图简介与应用分析

由于ω（C）＞6.69%的铁碳合金脆性很大，加工困难，没有实用价值，而且Fe3C又是一个稳定的化合物，可以作为一个独立的组元，因此铁碳合金相图实际上是碳的质量分数为0～6.69%的Fe-Fe3C相图，如图2-30所示。

2.3.2.1　铁碳合金相图分析

为便于研究，在分析铁碳合金相图时，将图2-30中左上角（包晶转变）部分予以简化，简化后的Fe-Fe3C相图如图2-31所示。

（1）Fe-Fe3C相图中的特性点

表2-2所示为Fe-Fe3C相图中各主要特性点的温度、含碳量和含义。

图2-30　Fe-Fe3C相图

图2-31　简化后的Fe-Fe3C相图

表2-2　Fe-Fe3C相图中各主要特性点的温度、含碳量和含义

（2）Fe-Fe3C相图中的特性线

表2-3所示为Fe-Fe3C相图中各主要特性线的名称和含义。

表2-3　Fe-Fe3C相图中各主要特性线的名称和含义

（3）铁碳合金的分类

铁碳合金根据其在Fe-Fe3C相图中的位置可分为以下几种。

1）工业纯铁。ω（C）≤0.021 8%的铁碳合金。

2）钢。0.021 8%＜ω（C）≤2.11%的铁碳合金。根据其室温组织不同又可分为以下几种：

亚共析钢：0.0218%＜ω（C）＜0.77%；

共析钢：ω（C）=0.77%；

过共析钢：0.77%＜ω（C）≤2.11%。

3）白口铸铁。2.11%＜ω（C）≤6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。根据其室温组织不同又可分为以下几种：

亚共晶白口铸铁：2.11%＜ω（C）＜4.3%；

共晶白口铸铁：ω（C）=4.3%；

过共晶白口铸铁：4.3%＜ω（C）≤6.69%。

2.3.2.2　典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织

（1）共析钢

图2-31中合金Ⅰ为共析钢。当液态合金缓慢冷却到与液相线AC相交的1点时，开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的下降，奥氏体量逐渐增多，其成分沿AE线变化，而剩余液相逐渐减少，成分沿AC线变化。冷却至2点时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。在2～S点温度范围内为单一的奥氏体。待冷却至S点时，奥氏体将发生共析转变，同时析出P点成分的铁素体和K点成分的渗碳体，转变成铁素体和渗碳体层片相间的机械混合物，即珠光体。在S点以下继续冷却时，铁素体成分沿PQ线变化，将析出三次渗碳体，三次渗碳体与共析渗碳体混在一起，不易分辨，且数量极少，可忽略不计。因此，共析钢在室温的组织是珠光体，如图2-28所示。

共析钢在冷却过程中的组织转变情况如图2-32所示。

资源2-7　共析钢结晶过程

图2-32　共析钢在冷却过程中的组织转变示意图

（a）1点以上；（b）1～2点；（c）2～S点；（d）S点以下

（2）亚共析钢

资源2-8　亚共析钢结晶过程

图2-31中合金Ⅱ为亚共析钢。亚共析钢在3点以上温度冷却过程与共析钢在S点以上相似。当缓慢冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，随着温度的降低，铁素体量逐渐增多，其成分沿GP线变化，而奥氏体量逐渐减少，成分沿GS线向共析成分接近。当冷却到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体达到共析成分，将在共析温度下发生共析转变而形成珠光体。温度继续下降，从铁素体中析出极少量三次渗碳体，可忽略不计。因此，亚共析钢在室温的组织是铁素体+珠光体。亚共析钢在冷却过程中的组织转变情况如图2-33所示。

图2-33　亚共析钢在冷却过程中的组织转变示意图

（a）1点以上；（b）1～2点；（c）2～3点；（d）3～4点；（e）4点以下

所有亚共析钢的室温组织都是铁素体+珠光体，但随着碳的质量分数的增加，组织中珠光体的量增多，铁素体的量减少。图2-34所示为不同成分亚共析钢的室温组织，图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体。

图2-34　不同成分亚共析钢的室温组织

（a）ω（C）=0.2%；（b）ω（C）=0.4%；（c）ω（C）=0.6%(www.xing528.com)

（3）过共析钢

图2-31中合金Ⅲ为过共析钢。过共析钢在3点以上温度冷却过程与共析钢在S点以上相似。当缓慢冷却到与ES线相交的3点时，奥氏体中的溶碳量达到饱和，随着温度的降低，多余的碳以二次渗碳体的形式析出，并以网状形式沿奥氏体晶界分布。随着温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而奥氏体量逐渐减少，奥氏体成分沿ES线向共析成分接近。当冷却到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体达到共析成分，将在共析温度下发生共析转变而形成珠光体。温度继续下降，组织不再变化。因此，过共析钢在室温的组织是珠光体+网状二次渗碳体。过共析钢在冷却过程中的组织转变情况如图2-35所示。

资源2-9　过共析钢结晶过程

图2-35　过共析钢在冷却过程中的组织转变示意图

（a）1点以上；（b）1～2点；（c）2～3点；（d）3～4点；（e）4点以下

所有过共析钢的室温组织都是珠光体+网状二次渗碳体，但随着碳的质量分数的增加，组织中二次渗碳体的量逐渐增多，珠光体的量逐渐减少，当ω（C）=2.11%时，二次渗碳体的量达到最大，其值为22.6%。图2-36所示为过共析钢的室温组织，图2-36（a）中呈片状黑白相间的部分为珠光体，白色网状为二次渗碳体。

图2-36　过共析钢的室温组织

（a）4%硝酸酒精腐蚀；（b）碱性苦味酸钠腐蚀

（4）共晶白口铸铁

图2-31中合金Ⅳ为共晶白口铸铁。当共晶白口铸铁缓慢冷却到C点时将发生共晶转变，即从液态合金中同时结晶出E点成分的奥氏体和F点成分的渗碳体的机械混合物，即莱氏体。在C点以下继续冷却时，莱氏体中奥氏体将析出二次渗碳体，随着温度的下降，二次渗碳体的量不断增多，而奥氏体的量不断减少，其成分沿ES线向共析成分接近。当温度下降至与PSK线相交的1点时，奥氏体达到共析成分，将发生共析转变析出珠光体，二次渗碳体保留到室温。因此，共晶白口铸铁在室温的组织是珠光体和渗碳体（共晶渗碳体+二次渗碳体）组成的两相组织，即低温莱氏体，如图2-29所示。

共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变示意图如图2-37所示。

图2-37　共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变示意图

（a）C点以上；（b）在C点时；（c）C～1点；（d）1点以下

（5）亚共晶白口铸铁

图2-31中合金V为亚共晶白口铸铁。当亚共晶白口铸铁缓慢冷却到与AC线相交的1点时，开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的下降，奥氏体量逐渐增多，其成分沿AE线变化，而剩余液相量逐渐减少，其成分沿AC线向共晶成分接近。当冷却到与共晶线ECF相交的2点时，剩余液相达到共晶成分，将发生共晶转变形成莱氏体，此时的组织为奥氏体+莱氏体。随着温度的继续下降，奥氏体的成分将沿着ES线向共析成分接近，并不断从先结晶出来的奥氏体和莱氏体中析出二次渗碳体。当温度下降至与PSK线相交的3点时，奥氏体达到共析成分，将发生共析转变析出珠光体，二次渗碳体保留到室温。因此，亚共晶白口铸铁室温的组织是珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。亚共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变示意图如图2-38所示。其显微组织如图2-39所示，图中黑色块状或树枝状为珠光体，珠光体周围白色网状为二次渗碳体，黑白相间的基体为低温莱氏体。

图2-38　亚共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变示意图

（a）1点以下；（b）1～2点；（c）在2点时；（d）2～3点；（e）3点以下

所有亚共晶白口铸铁的室温组织都是珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体，但随着碳的质量分数的增加，低温莱氏体的量增多，珠光体量减少。

（6）过共晶白口铸铁

图2-31中合金Ⅵ为过共晶白口铸铁。当过共晶白口铸铁缓慢冷却到与CD线相交的1点时，开始从液相中结晶出一次渗碳体。随着温度的下降，一次渗碳体量逐渐增多，剩余液相量逐渐减少，其成分沿CD线向共晶成分接近。当冷却到与共晶线ECF相交的2点时，剩余液相达到共晶成分，将发生共晶转变形成莱氏体，此时的组织由莱氏体和一次渗碳体组成。随着温度的继续下降，合金的组织变化与共晶、亚共晶白口铸铁基本相同，即冷却至3点莱氏体转变成低温莱氏体，继续冷却，合金组织不再变化。过共晶白口铸铁室温组织是低温莱氏体+一次渗碳体，过共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变示意图如图2-40所示。图2-41所示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，基体为低温莱氏体。

图2-39　亚共晶白口铸铁的室温组织

图2-40　过共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变示意图

（a）1点以下；（b）1～2点；（c）在2点时；（d）2～3点；（e）3点以下

所有过共晶白口铸铁的室温组织都是低温莱氏体+一次渗碳体，但随着碳的质量分数的增加，一次渗碳体的量增多，低温莱氏体量减少。

图2-41　过共晶白口铸铁的显微组织

2.3.2.3　铁碳合金的成分、组织、性能间的关系

（1）铁碳合金的成分与组织间的关系

由上述分析可知，随着碳的质量分数的提高，铁碳合金室温下的平衡组织依次为

F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L′d→L′d→L′d+Fe3CⅠ

任何成分的铁碳合金在室温均是由铁素体和渗碳体两相组成的，并且随着碳的质量分数的增加，铁素体的相对量在减少，而渗碳体的相对量在增加。铁碳合金的成分与组织组成物和相组成物相对量的关系如图2-42所示。

图2-42　铁碳合金的成分与组织组成物和相组成物相对量的关系

（2）铁碳合金的成分与性能间的关系

在铁碳合金中，渗碳体是一种强化相，所以渗碳体数量越多，分布越均匀，则铁碳合金的强度、硬度越高，塑性、韧性越差；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则铁碳合金的塑性和韧性将大大下降，且强度也随之降低。图2-43所示为铁碳合金中碳的质量分数对钢力学性能的影响，从图中可以看出，当ω（C）＜0.9%时，随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度直线上升，而塑性和韧性却不断降低；而当ω（C）＞0.9%时，由于二次渗碳体不断在晶界析出并形成完整的网状，不仅使钢的塑性、韧性进一步下降，而且强度也开始明显下降。因此，在机械制造中，为了保证钢既具有足够高的强度，同时又具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.4%。

图2-43　铁碳合金中碳的质量分数对钢力学性能的影响

对于ω（C）＞2.11%的白口铸铁，由于组织中含有大量的硬而脆的渗碳体，难以切削加工，因此在机械制造中很少直接应用。