铁碳相图中平衡相和平衡组织的计算

铁碳相图中平衡相和平衡组织的计算作者：朱守琴
来源：《世界家苑》2018年第10期
摘要：铁碳相图是铁碳合金的平衡相图，通过铁碳相图根据杠杆定律可以计算铁碳合金中的各平衡相的含量和各平衡组织的含量，可以大致的分析出铁碳合金不同性能原因。

其中铁碳合金的硬度主要和相的组成有关，相的计算可以公式化。

而强度、塑韧性等性能主要与组织有关，组织的计算需分析铁碳合金的平衡结晶过程。

关键词：平衡相图；杠杆定律；平衡相；平衡组织
Calculation of equilibrium phase and equilibrium structure in iron carbon phase diagram
ZHU Shou-qin
Mechanical and Electronic Engineering College Chaohu University，chaohu 238000，China） Abstract：The iron-carbon phase diagram is the equilibrium phase diagram of the iron-carbon alloy.According to lever law，the content of each equilibrium phase and the content of each
equilibrium structure in the iron-carbon alloy can be calculated by the iron-carbon phase diagram.The
cause of different properties of iron-carbon alloy can be roughly analyzed.The hardness ofiron-carbon alloy is mainly related to the composition of phase，and the calculation of phase can be formulated.The properties of strength，plasticity and toughness are mainly related to the microstructure.The equilibrium crystallization process of Fe-C alloy should be analyzed in order to calculate the microstructure.
Key words：equilibrium phase diagram，lever law，equilibrium phase，equilibrium organization
1.引言
鐵碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，铁碳合金是应用广泛的工程材料，因此学好铁碳相图是从事各类加工和热处理的基础。

铁碳相图存在Fe-Fe3C相图和Fe-石墨相图两种形式[1]，在实际应用中ω（C）≤6.69%，因此下面以Fe-Fe3C相图为例。

了解不同碳含量的铁碳合金中的相和组织的含量对铁碳合金的性能的研究具有指导的意义。

在实际教学中，对相和组织的计算，许多学生会分不清，因此可能会导致对组织的判断不准确，从而影响对性能的推断。

2.铁碳合金中碳含量的计算
铁碳合金中所含相为铁素体（α）和渗碳体（Fe3C）[2]，如图1所示，只要给合金的含碳量ω（C）即可按照杠杆即可求出铁素体和渗碳体的含量。

根据上图及杠杆定律[3]可以很快的求出铁素体相和渗碳体相的组成：
因此铁碳合金中的相含量的计算是可以公式化的，由上式可以看出随含碳量的增加，铁素体越来越少，渗碳体越来越多，而铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相，因此，铁碳合金越来越硬，这与实际应用中铁碳合金硬度的变化也是相符的。

3.铁碳合金中组织的计算
由于对平衡组织计算的影响不大，因此，应用铁碳相图简图来计算。

根据有无共晶转变将铁碳合金的基分为碳钢和铸铁两类。

按照组织结构的特征，将铁碳合金分为工业纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁等七种类型，具体分法如图3.1所示。

图3.1 按组织区分的铁碳合金相图
（1）工业纯铁（ω（C）
液态铁碳合金（ω（C
工业纯铁中的组织为铁素体（F）和三次渗碳体（Fe3CⅢ），两种相皆为单相组织，可以利用相含量公式算出F和Fe3CⅢ组织的含量，ω（C）=0.0128%时，ω（Fe3CⅢ）最小，为0.33%。

工业纯铁的强硬度很小，塑韧性较好[4]。

（2）共析钢（ω（C）=0.77%）中组织含量的计算
液态铁碳合金（ω（C=0.77%）在冷却过程中组织的变化如下式：
共析钢中的组织为珠光体（P），是727℃时通过共析反应γSP（αP+Fe3C）产生的，它的形态是铁素体和渗碳体双相机械混合物，呈层片状。

铁素体的含碳量随温度的降低而减小，会在铁素体和渗碳体相界析出三次渗碳体（Fe3CⅢ），且析出量较少，因此与共析渗碳体连接在一起，在显微镜下很难分辨，因此共析钢中只有珠光体。

珠光体具有较高的强度和硬度，因此共析钢的强度和硬度较高。

（3）亚共析钢（ω（C）=0.0218%～0.77%）中组织含量的计算
液态铁碳合金（ω（C）=0.0218%～0.77%）在冷却过程中组织的变化如下式：
其中从从先共析铁素体（FP）中析出的三次渗碳体（Fe3CⅢ）量很少，可以忽略不计，因此，亚共析钢中的组织为先共析铁素体（F）和珠光体（P），以45#钢为例，各组织含量为：随着亚共析钢含碳量的增加，珠光体越来越多，铁素体越来越少，因此，亚共析钢的强硬度越来高，塑韧性越来越差[4]。

（3）过共析钢（ω（C）=0.77%～2.11%）中组织含量的计算
液态铁碳合金（ω（C）=0.77%～2.11%）在冷却过程中组织的变化如下式：
过共析钢中的组织为二次渗碳体（Fe3CⅡ）和珠光体（P），以T12钢为例，各组织的含量为：
随着过共析钢含碳量的增加，强硬度持续增加，塑韧性持续降低，大概到ω（C）=1%时，因为在珠光体的周围形成了连续的渗碳体网格，强度会急剧下降，而硬度一直在增加[4]。

（4）共晶白口铁（ω（C）=4.3%）中组织含量的计算
液态铁碳合金（ω（C）=4.3%）在冷却过程中组织的变化如下式：
其中P是共晶奥氏体析出Fe3CⅡ后发生共析反应产生的，Fe3CⅡ依附共晶渗碳体长大，难以分辨，因此，室温下的变态莱氏体保持了莱氏体的基本形态，最终的变态莱氏体的显微组织是小块状黑色珠光体分布在白色基体共晶渗碳体上。

各组织含量为：
珠光体含量为：
渗碳体含量为：
（5）亚共晶白口铁（ω（C）=2.11%～4.3%）中组织含量的计算
液态铁碳合金（ω（C）=2.11%～4.3%）在冷却过程中组织的变化如下式：
其中变态莱氏体的转变过程与共晶白口铁中一样，而从先共晶奥氏体中析出的Fe3CⅡ与共晶渗碳体连成一片，难以分辨，而由先共晶奥氏体转变成的P保持了先共晶奥氏体的形貌。

因此，亚共晶白口铁的平衡组织为：点状或小块状和大块状珠光体分布在白色基体渗碳体上，以ω（C）=3.5%為例，各组织含量计算如下：
大块珠光体含量：
（6）过共晶白口铁（ω（C）=4.3%～6.69%）中组织含量的计算
液态铁碳合金（ω（C）=4.3%～6.69%）在冷却过程中组织的变化如下式：
过共晶白口铁中的组织为变态莱氏体（Ld’）和先共晶渗碳体（Fe3CⅠ），以ω（C）=5%为例，各组织含量计算如下：
由于白口铁的基体为渗碳体，渗碳体是硬脆相，塑性极低，因此随着含碳量的增加，白口铁的硬度持续增加，而强度降低，塑性和韧性几乎为零[4]。

4.总结
（1）铁碳合金平衡相为铁素体和渗碳体，质量分数的计算无需考虑结晶过程，只需根据合金的含碳量、铁素体含碳量，渗碳体含碳量，按照杠杆定律即可算出铁素体和渗碳体的质量分数，计算可以公式化。

（2）铁碳合金平衡组织的计算，需要根据结晶过程分析出平衡组织，然后按照需要求出所需组织的含量，分析出其对某些性能变化的影响。

其中亚共晶白口铁的组织较为复杂，可以根据实际情况，求出相应的组织含量。

参考文献
[1]崔忠圻，刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2007年2月.
[2]严满清，徐更生，王海燕.《铁碳合金相图》的教学探究[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2010，9（04）：48-50.
[3]俞善元，张仲华.杠杆定理在二元相图中的运用法则[J].地球科学，1999（04）：378-382.
[4]王华江.金属材料与热处理课程教学中铁碳合金基本组织与性能的教学体会[J].职业，2018（11）：64-65.
作者简介
朱守琴，198506，女，安徽合肥人，硕士研究生，工程师，研究方向：材料成型组织和性能。

（作者单位：巢湖学院机械与电子工程学院；
身份证号码：342625************）。