铁碳合金相图及其在熔铸中的应用

1.铁碳合金的基本相

铁碳合金在液态下，碳以原子形式溶解于铁中，形成铁碳液溶体。液溶体凝固后，由于碳在铁（两种晶格铁）中的溶解度不同，在冷却时能形成三种晶体相。铁碳合金在不同温度下的各种组织，就是由这三种晶体相按其形成条件和分布特征聚集组成的。

（1）铁素体 碳在α铁中的固溶体称为铁素体，用符号F表示。晶体结构呈体心立方晶格，碳间隙固溶于α铁的晶格中。由于α铁的原子以体心立方排列，原子间的间隙极小，因此所能容纳的碳原子的数量很少。在室温下，铁素体中w（C）＜0.001%。所以铁素体的显微组织与纯铁没有明显的区别，它的力学性能的特点是塑性和韧性好，强度和硬度低，其抗拉强度为250～300MPa，屈服强度为120MPa，断后伸长率为50%，断面收缩率为85%，冲击韧度为300J/cm²，硬度为80HBW。因其性能接近于纯铁，故又称为纯铁体。

在金相显微镜下观察，铁素体为均匀、明亮的多边形晶粒。

（2）奥氏体 碳在γ铁中的固溶体称为奥氏体，用符号A表示。其晶体结构呈面心立方晶格，碳间隙固溶于γ铁的晶格中。由于γ铁的原子以面心排列，原子间的间隙较大，因此溶碳量比铁素体大，奥氏体中的最大碳含量为2.11%（质量分数）。

奥氏体在高温区是稳定的，一般在室温下不会出现奥氏体组织。

奥氏体的强度、硬度不高，但塑性好，其力学性能取决于碳和合金元素在奥氏体中的含量，抗拉强度为400～850MPa，断后伸长率为40%～60%，硬度为120～180HBW。

在金相显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直，晶内常有孪晶出现。

（3）渗碳体 通常把铁和碳形成的化合物碳化三铁（Fe₃C）称为渗碳体，其化学成分中w（C）=6.69%、w（Fe）=93.31%。渗碳体呈复杂的正交晶格，硬度很高，约为800HBW，塑性、韧性很差，非常脆。因此渗碳体不能单独使用，一般在铁碳合金中与铁素体构成机械混合物。

（4）莱氏体 莱氏体是由脆性相渗碳体为基础组成的，性能脆而硬，是白口铸铁中最基本的组织，用符号Ld表示。莱氏体在室温下的典型组织是：在白亮的渗碳体基体上分布着暗黑色的珠光体或铁素体颗粒，呈蜂窝状。

（5）珠光体 珠光体是w（C）=0.77%的铁碳合金共析转变的产物，是铁素体和渗碳体呈片状交替排列的机械混合物，用符号P表示。其性能介于铁素体和渗碳体之间，是铸铁中比较理想的基体组织。在金相显微镜下观察能清晰地看到一条条的线，其中铁素体呈白色，而渗碳体被一圈黑线所包围。

2.铁碳合金相图

铁碳合金相图是表示在极缓慢加热（或冷却）的情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度时所具有的状态或组织的图形。

铁碳合金相图就是用来表示铁碳合金的成分、温度与组织结构之间关系的图形，是根据长期生产实践经验，并在大量的科学实验基础上总结出来的。它是分析钢、铁合金组织和性能的理论基础，也是铸造、锻造、热处理工艺的基本依据。

我们所研究的铁碳合金相图都是在平衡条件（即很缓慢地冷却）下测得的，所以又称为铁碳平衡图。

铁碳合金相图如图6-2所示。从图6-2中可以看出，有实用价值的铁碳合金相图的碳的质量分数仅为0～6.69%，因为更高碳含量的合金，脆性很大，加工困难，没有使用价值。碳的质量分数为6.69%的铁碳合金，恰好是渗碳体。因此，现在所研究的铁碳合金相图，实际上是铁-渗碳体相图（Fe-Fe₃C相图）。

图6-2 铁碳合金相图

3.合金的性能与铁碳合金相图的关系

相图既可以表明合金成分与组织间的关系，又可以反应不同合金的结晶特点。合金的力学性能取决于它们的成分和组织，而合金的铸造性能则取决于其结晶特点。因此，在相图、合金成分、合金性能之间有一定的联系，在熟悉了这些规律以后，便可以利用相图大致判断不同合金的性能，以在选用和配制合金时作为参考。

（1）力学性能与铁碳合金相图的关系 从结晶过程的分析可知，常温下铁碳合金组织实际上都是由铁素体和渗碳体两相组成的混合物，其力学性能取决于两相的综合平均结果。随着含碳量的增加，组织中渗碳体数量相应增加，同时渗碳体在组织中的分布形态也随之发生变化，即由原分布在铁素体晶界上（如渗碳体）进而分布在铁素体的基体内（如珠光体），又进一步分布在原奥氏体的晶界上，最后形成莱氏体时，渗碳体又作为基体出现。这种化学成分的变化对组织的影响，将使合金的力学性能发生变化。铁碳合金相图中最后形成的合金都是混合物，所以性能与成分大致成直线关系。图6-3所示为白口铸铁部分的合金性能与相图的关系。

（2）铸造性能与铁碳合金相图的关系 以铸铁部分为例，共晶成分的合金是在恒温条件下进行结晶的，其熔点最低，流动性最好。越向两边，液相线和固相线之间的垂直距离越大，即结晶温度范围越大，这时先结晶的树枝状组织伸入液相，对液态合金流动的阻力增大，因而流动性越差。

结晶温度范围还影响到缩孔的性质。结晶温度范围越大，枝晶越发达，缩松越大；反之，缩松越小而集中缩孔增大。随着合金中含碳量的增加，其总收缩量减少。流动性和缩孔性质与相图的关系如图6-4所示。此外，结晶温度范围大的合金，铸造时热裂倾向较大，结晶温度范围越小，则热裂倾向越小。因此，共晶成分的合金的铸造性能最好。

(www.xing528.com)

图6-3 合金性能与相图的关系

图6-4 合金的流动性和缩孔性质与相图的关系

4.铁碳合金相图的应用和局限性

（1）铁碳合金相图的应用

1）在铸造工艺上的应用。铁碳合金相图中的液相线表明了不同含碳量的钢和铁的熔化温度，因而可以根据相图确定熔化温度和浇注温度。

液相线和固相线之间的垂直距离反映出合金结晶温度范围的大小，它与合金的流动性和收缩性有关。若这段垂直距离越短，即合金越接近共晶成分，则其熔点越低，流动性越好，铸件中缩松越小，组织越致密。由于熔点低，因此对熔化设备的温度要求也可低一些，另外浇注温度也可低一些。所以，在铸造生产中，接近共晶成分的铸铁得到了广泛的应用。

从铁碳合金相图中还可以看到，铸钢（碳的质量分数一般为0.15%～0.60%）的结晶温度范围较大，熔点较高，因而流动性差，收缩大，容易形成分散缩松。另外，铸钢容易产生成分偏析，铸件的晶粒也较粗大。由于熔点较高，对熔化设备的温度要求也高，同时浇注温度也随之升高，故铸钢的铸造性能不如铸铁。铸钢生产需要采取一些相应的工艺措施。

2）在热处理工艺上的应用。铁碳合金相图的左下角部分是钢进行热处理的重要依据，它明确示出了不同碳含量的钢加热或冷却时发生变化的规律和具体温度。各种热处理方法的加热温度范围如图6-5和图6-6所示。

图6-5 铁碳合金相图与热 加工温度之间的关系

图6-6 各种退火及正火的 加热温度范围

3）对钢铁材料进行组织和性能的综合分析。通过铁碳合金相图，便能对钢和铁在不同碳含量和不同温度范围时的组织和性能作出科学的判断，以便正确地选用材料和对它进行合理的加工。图6-7说明了铁碳合金的成分与组织组成物间的定量关系。从图6-7中大致可以推断出不同成分的铁碳合金的组织和性能。例如，碳的质量分数为0.77%的共析钢，其组织全部是珠光体，故其强度最高，塑性较低。若碳的质量分数为0.4%，且约有50%的珠光体和50%的铁素体时，则其强度比共析钢低，而塑性则增高。当碳的质量分数超过0.77%时，因为有网状二次渗碳体析出，故强度和塑性都逐渐降低。在亚共晶白口铸铁中，随着碳含量的增加，组织中的珠光体量逐渐减少，莱氏体量逐渐增加，因而强度和塑性均下降。在整个铸铁范围内，随着碳含量的增加，渗碳体量逐渐增多，因而硬度逐渐提高。

图6-7 铁碳合金的成分与组织组成物间的定量关系

（2）铁碳合金相图的局限性

1）铁碳合金相图是在极其缓慢加热和冷却的所谓平衡条件下得到的，而实际生产中极难达到平衡状态，所以对于快速加热或冷却时铁碳合金组织变化的规律就不能很好地说明。因此在使用铁碳合金相图时，要注意各临界点是要变化的。

2）铁碳合金相图只绘出合金在平衡条件下存在的相，并未告知相的形状、大小和分布，而这些主要取决于相的本性及形成条件。因此，在应用铁碳合金相图来分析实际问题时，既要注意合金可能出现的相以及相的本性，又要了解在实际生产条件下，相的形状、大小和分布的变化对合金性能的影响。

3）铁碳合金相图中的相和组织是在平衡条件下出现的，而实际生产中为改变合金的性能，往往采用淬火等强化手段，以得到不平衡组织，铁碳合金相图却不能反映这些不平衡组织。

4）铁碳合金相图是用极纯的铁和碳配制的合金测定的，而实际应用的钢铁材料中均含有多种杂质元素，这些元素对临界点和相的成分都会有影响，这时必须用三元或多元相图才能确切地表示。

虽然如此，铁碳合金相图仍不失为研究钢铁材料的基础。只要考虑到合金元素对铁碳合金相图的影响规律，就可扩大铁碳合金相图的应用范围。