铁碳合金相图优化方案：深入探究铁碳合金相图

铁碳合金相图是研究铁碳合金在平衡状态下的组织随温度、合金成分的变化而变化的图，如图1-19所示。铁碳合金的结晶过程要比纯铁的结晶过程复杂得多，不同成分的结晶过程差别也很大，把不同成分的合金结晶过程和温度、区域的组织用图形表示出来，这就是铁碳合金相图。掌握它就能对碳钢和铸铁的内部组织及其变化规律有一个比较完整的概念，在今后的生产中就能更好地利用它，为制订热处理、压力加工、焊接等工艺规程打下一个良好的基础。

铁碳合金相图相当复杂，图1-19所示为以组织组成物填写的铁碳合金相图。

1.合金相图的分析

（1）特性点的分析 铁碳合金相图中有四个基本相，即液化相L、奥氏体相A、铁素体相F和渗碳体相Fe₃C，它们各有其相应的单相区。

图1-19 铁碳合金相图

在铁碳合金相图中，其用字母标出的点表示一定的特性（成分、温度和某种临界状态），所以称为特性点。铁碳合金相图中的特性点见表1-3。

（2）各线段的分析 相图中各线段都表示铁碳合金内部组织发生组织转变的界限（成分、温度），这些线又称特性线。

1）ABCD线——液相线，此线以上的区域是液相区，用L表示，液态合金冷却到此线开始结晶。

2）AHJECF线——固相线，此线表明合金冷却到此线全部转为固态，也可以认为固态合金加热到此线开始熔化。

表1-3 铁碳相图中的特性点

（续）

3）ECF线——共晶线，此线表示碳的质量分数大于2.11%的液态合金冷却到此线（1148℃）时，均要发生共晶反应。

所谓共晶反应是指铁碳液态合金在冷却过程中，碳的质量分数达到4.3%、温度达到1148℃时，在恒温下，同时析出奥氏体和渗碳体的机械混合物——莱氏体的反应，用Ld表示，它的反应式为L_CLd（A+Fe₃C）。

4）GS线——奥氏体（A）中析出铁素体的曲线，在冷却过程中，冷却到此线时要从奥氏体中析出铁素体（F），又称A₃线。

5）ES线——碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称A_cm线。奥氏体的溶碳能力随温度的降低而降低，奥氏体冷却到此线时，过饱和的碳将以渗碳体的形式从渗碳体中析出来，称为二次渗碳体（Fe₃CⅡ）。ES线也是冷却时从奥氏体析出渗碳体的开始线。

6）PSK线——共析反应线，常用A₁表示。

碳的质量分数为0.02%～6.69%的合金在727℃时均会发生共析反应。

所谓共析反应是指当固态合金冷却到727℃时，奥氏体中碳的质量分数达到0.77%，在恒温下，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物——珠光体（用P表示）的反应。其反应式为A_SP（F+Fe₃C）。

S点成分中的奥氏体将全部转变为珠光体，对于莱氏体中的奥氏体也不例外，同样要转变为珠光体，这时的莱氏体称为低温莱氏体，用Ld′表示。

7）PQ线——碳在铁素体中的溶解度曲线，最大碳的质量分数为0.0218%。铁素体冷却到此线时，将以渗碳体的形式析出来。这种渗碳体称为三次渗碳体（Fe₃CⅢ），由于三次渗碳体的数量极少，对钢的影响可以忽略不计。图1-19所示为将铁碳合金相图的右下角予以简化，为初学者提供了方便。但铁素体的相区不应忽略，要与纯铁加以区别。

（3）各区域组织分析 为了便于分析铁碳合金在冷却过程中的组织变化，必须先研究铁碳合金相图各区域的组织。

1）ABCD以上的区域为铁碳合金液体。

2）JBCEJ所围成的区域是液体和奥氏体的共存区。

3）CFDC区域为液体和一次渗碳体共存区。

4）JNGSEJ区域为奥氏体。

5）GPQG区为铁素体。(www.xing528.com)

6）GPSG区为铁素体和奥氏体共存区。

7）ESKFCE区域的组织在727℃以上为奥氏体和二次渗碳体。当碳的质量分数大于2.11%，小于4.3%时，组织为奥氏体、二次渗碳体、高温莱氏体；当碳的质量分数大于4.3%时，组织为一次渗碳体和高温莱氏体。

在727℃以下，S点碳的质量分数为0.77%，为共析钢，室温组织为珠光体；S点以左为亚共析钢，室温组织为铁素体加珠光体；S点以左到碳的质量分数为2.11%，为过共析钢，室温组织为珠光体加渗碳体。碳的质量分数大于2.11%为铸铁，室温组织为珠光体、渗碳体、低温莱氏体，碳的质量分数大于4.3%的室温组织为渗碳体加低温莱氏体。

有了上面的组织分析，分析钢在结晶过程中的组织转变就很容易了。

钢是图1-19中E点[碳的质量分数w（C）=2.11%]左边部分，右边部分为铸铁。根据室温下平衡组织的特点不同，钢可以分为三类。

1）共析钢：w（C）=0.77%，室温组织为珠光体，如T8、T8A等碳素工具钢。

2）亚共析钢：w（C）=0.0218%～0.77%，室温组织为铁素体+珠光体，如Q235、15、45、65等牌号的钢。

3）过共析钢：w（C）=0.77%～2.11%，室温组织为珠光体+渗碳体，如T10、T12A等牌号的钢。

2.钢在冷却过程中的组织转变

现将这三类典型成分的钢在缓慢冷却速度下组织转变过程及室温组织分析如下：

（1）共析钢 共析钢指w（C）=0.77%的钢。以图1-20中的合金Ⅰ为例，1点之前为液体，冷却过1点以后开始结晶出奥氏体，2点以后成为单一的奥氏体，到3点之前不变。当到3点时，温度达到727℃，w（C）=0.77%将发生共析反应，在恒温下，奥氏体转变为珠光体一直保持到室温不变。共析钢的结晶过程如图1-21所示。

图1-20 Fe-Fe₃C相图

图1-21 共析钢的结晶过程

（2）亚共析钢w（C）=0.0218%～0.77%的钢称为亚共析钢。以图1-20中的合金Ⅱ为例，在合金Ⅱ冷却到3点以前，与共析钢的冷却结晶过程一样不发生组织转变。当冷却到3点以后将从奥氏体中逐渐析出铁素体。由于铁素体的含量低，致使剩余奥氏体的碳含量沿着GS线增加，假如冷却到4点，这时奥氏体中的碳含量是4点对应点4′的碳含量；当冷却到5点时，这时奥氏体中的碳含量是5点对应点5′的碳含量；直到6点，奥氏体中的w（C）已增至0.77%，这是温度已达到727℃，要进行共析反应，剩余奥氏体在恒温下，全部转换为珠光体。亚共析钢的室温组织为铁素体和珠光体。亚共析钢的结晶过程如图1-22所示。图1-23所示为w（C）=0.2%的亚共析钢的显微组织，其中白色组织为铁素体，黑色组织为珠光体。随着碳含量增加，珠光体含量增加，铁素体含量减少，钢的硬度、强度增加，塑性和韧性降低。

图1-22 亚共析钢的结晶过程

（3）过共析钢w（C）=0.77%～2.11%的钢称为过共析钢。以图1-20中的合金Ⅲ为例，3点以前和共析钢结晶过程是相同的，到3点奥氏体的碳含量达到过饱和状态。温度继续下降，奥氏体中的溶碳量降低，多余的碳将以二次渗碳体的形式析出来。由于渗碳体的w（C）为6.69%，渗碳体的析出带走了大量的碳，致使剩余奥氏体中的碳含量将沿着ES线下降。4点时，真实的碳含量是4点对应点4′的碳含量，5点的碳含量是5点对应点5′的碳含量。当合金冷却到727℃，w（C）=0.77%时，在恒温下要进行共析反应，剩余奥氏体将全部转变为珠光体。因此，过共析钢的室温组织为二次渗碳体和珠光体。过共析钢的结晶过程如图1-24所示，过共析钢的显微组织如图1-25所示。

图1-23 亚共析钢的显微组织

图1-24 过共析钢的结晶过程

另外，除钢以外，铸铁也是重要的铁碳合金，依照铁碳合金相图结晶出来的铸铁，由于低温莱氏体较多，性能硬脆，难以加工。这种铸铁断口呈白色，顾名思义称为白口铸铁，可以直接铸成耐磨件，如滑犁、铸铁锅。共晶白口铸铁的组织如图1-26所示。

图1-25 过共析钢的显微组织

图1-26 共晶白口铸铁的显微组织