钢的平衡组织及其铁碳合金相图展示

钢的平衡组织是指在平衡状态下（缓慢加热或冷却条件下）钢的内部组成。钢是由一种或多种组织组成物组成的，这些组织组成物是指由铁、碳两种元素相互作用形成的各种物质（相），以不同形式搭配的组合物。一定成分的钢在一定温度下具有一定的内部组成物，称为钢在该温度下的平衡组织，该平衡组织可由铁碳合金相图表示。因此，铁碳合金相图是研究不同成分的铁碳合金，在不同温度下的组织结构的重要工具图。

1.1.1 铁碳合金相图

铁碳合金相图是在十分缓慢的冷却条件下，钢从高温液态到低温固态的变化过程中，用热分析方法测定的铁碳合金成分、温度、组成（金相组织）三者之间关系的图解（图2.7-1）。由图可见，铁碳合金相图是由Fe和Fe₃C以不同形态的组织结构分布于各区域内。图中，横坐标上各点对应于不同成分含量的铁碳合金；纵坐标对应于不同的温度；各区域内所标的字母及符号，代表一定条件下铁碳合金内部的组织组成物。铁碳合金相图由特征点、特征线、特征区组成。

图2.7-1 Fe-Fe₃C相图

铁碳合金相图上主要特征点、特征线的含义见表2.7-1。

表2.7-1 铁碳合金相图上主要特征点和特征线的含义

（续）

1.1.2 铁碳合金的主要组织组成物

铁碳合金相图的各特征区标明了不同成分铁碳合金在不同温度下的组织组成物（相图横坐标上一定成分点的垂线与纵坐标上一定温度点的水平线相交于哪个区，则该成分的铁碳合金在该温度下的组织组成物即为该区域内标注的组织组成物）。铁碳合金的组织组成物有L（液相）、δ（高温铁素体）、F（铁素体）、A（奥氏体）、Fe₃C（渗碳体）、P（珠光体）、Ld（莱氏体），各组成物的结构及性能决定铁碳合金的性能。由于L（液相）、δ（高温铁素体）只在高温下存在，固态铁碳合金中不存在，因此下面主要介绍F（铁素体）、A（奥氏体）、Fe₃C（渗碳体）、P（珠光体）、Ld（莱氏体）五种组织组成物的结构及性能。

铁碳合金中主要组成物的结构及性能见表2.7-2。主要组成物的显微形态如图2.7-2所示。

表2.7-2 铁碳合金平衡组织中基本组成物的结构及性能

图2.7-2 铁碳合金的主要组织组成物的显微形态（放大倍数400×）(www.xing528.com)

a）铁素体 b）奥氏体 c）珠光体 d）莱氏体

表中Fe₃C（渗碳体）按形成条件不同分为：一次渗碳体（Fe₃C_Ⅰ），它是从高温液体中结晶出来的，呈粗大片状；二次渗碳体（Fe₃C_Ⅱ），是从高温奥氏体（A）中析出来的，呈网状包在A晶界面上；三次渗碳体（Fe₃C_Ⅲ），是从较低温的铁素体（F）中析出来的，呈细小点状。

1.1.3 碳钢的平衡组织

按照铁碳合金相图上的特征点，将铁碳合金材料分为三类：工业纯铁（0点～P点）、碳钢（P点～E点）、白口铁（E点～F点）。工业纯铁中的碳质量分数为0～0.02％，碳钢中的碳质量分数为0.02％～2.11％，白口铁中的碳质量分数为2.11％～6.69％。由于三种铁碳合金材料的成分不同，因而具有不同的平衡组织。这些组织由表2.7-2列出的基本组成物中的一种、两种或三种组成，可由铁碳合金相图上各区标注的组成物得知。下面主要介绍碳钢的平衡组织。

按照铁碳合金相图上的特征点，将碳钢分为三种：亚共析钢（P点～S点）、共析钢（S点）、过共析钢（S点～E点）。铁碳合金相图所示的室温下各种碳钢的平衡组织见表2.7-3。亚共析钢的组织由铁素体（F）和珠光体（P）组成，而且含碳量越高，组织中的珠光体（P）含量越多，钢的强度、硬度越高，但塑、韧性下降；共析钢的组织为珠光体（P），具有较高的强度和硬度，且有一定的塑、韧性；过共析钢的组织由珠光体（P）和二次渗碳体（Fe₃C_Ⅱ）组成，而且含碳量越高，组织中的二次渗碳体（Fe₃C_Ⅱ）含量越多，钢的硬度越高，但韧性越差。

表2.7-3 室温下各种碳钢的平衡组织

图2.7-3所示为几种碳钢的平衡组织（金相）照片。其中白色块状为铁素体（F），指纹状为珠光体（P），黑色块状也为珠光体（P）（因组织细而分辨不清指纹状），白色蛛网状为二次渗碳体（Fe₃C_Ⅱ）。

图2.7-3 不同含碳量的钢的组织（放大倍数400×）

a）w_C0.20％ b）w_C0.45％ c）w_C0.77％ d）w_C1.20％

1.1.4 钢的热处理方法分类

钢在平衡状态下的组织处于固定状态，但通过不同的热处理可改变其组织和性能。钢的热处理就是采用适当方式，对钢制工件进行加热、保温和冷却以改变其内部组织，从而获得预期的性能的一种工艺方法。热处理可以提高工件的力学性能，延长工件的使用寿命；可以改善零件切削加工性能，降低成本。根据加热和冷却方法不同，常用的热处理方法大致分类如下：

退火

虽然热处理的方法较多，但都要经历加热、保温和冷却三个阶段组成。因此，要了解各种热处理方法对钢的组织与性能的影响情况，必须首先研究钢在加热（包括保温）和冷却过程中的组织转变规律。