铁碳合金相图

铁碳合金相图用以温度为纵坐标，以碳含量为横坐标的图解方法，表示在接近平衡或亚稳状态下，以铁碳为单元组成的合金，在不同温度下相与相之间关系的图称为铁碳平衡图，也称为铁碳相图。

它是研究铁碳合金的基础，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据，对了解我们厂内金属材料，尤其认识、理解锅炉管材有重要的意义，对后续想做好锅炉四管运行和维护也都是重要的基础。

一、基本概念1）我们日常接触的“铁、钢”等其实都是合金，含铁、碳、硫、硅等等，要认识了解所熟知的“铁、钢”就必须先认识他们中最基础的两种元素，纯铁和碳。

纯铁在1394℃以上以体心立方结构（δ-Fe）稳定存在，温度下降，在912～1394℃范围内发生同素异构转变，以面心立方晶格的γ-Fe稳定存在，在912℃以下又重新回复到体心立方晶格的α-Fe，说体心立方体、面心立方体都离不开另一个主角碳，就是碳在以铁元素构成的立方体中在其体心或者面心。

2）碳溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。

当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。

3）碳原子溶入δ-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。

它在1394℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。

4）铁碳合金相图的基本组成相是铁素体、奥氏体和渗碳体，这里引出这三个体，具体理解如下。

1、铁素体碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体，如图1所示。

由于体心立方晶格的α-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁素体中的溶解度很小。

在727℃时最大固溶度为0.0218%，而在室温时碳的固溶度几乎降为零。

因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相，铁素体是912℃以下的平衡相，也称做常温相，其显微组织图如图2所示。

在铁碳相图中铁素体用符号F或α表示。

2、奥氏体碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体，如图3所示。

具有面心立方晶格的γ-Fe的晶格间隙半径为0.052nm，比α-Fe的间隙稍大，在1148℃时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。

随着温度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在727℃时是0.77%（共析点），其显微组织图如图4所示。

在铁碳相图中奥氏体通常用符号A或γ表示。

3、渗碳体渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有复杂结构间隙化合物，属于复杂八面体结构，如图6所示，含碳量6.69%。

渗碳体的硬度高达HB800，但脆性大，塑性和韧性几乎是零。

在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。

渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能影响很大。

它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在，图5中平直的白色条状物即为铁碳合金凝固时的一次渗碳体。

4、珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体组成的处于热力学平衡状态的机械混合物。

系奥氏体冷却时，在727 ℃恒温下发生共析转变的产物。

显微组织为铁素体与渗碳体片层状交替排列。

有类似贝壳的光泽，故名珠光体，强度较高，硬度适中，有一定的塑，珠光体显微组织图如图7。

在铁碳相图中珠光体通常用符号P表示。

二、铁碳合金相图在Fe--Fe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金的两个组元。

相图有三个部分组成，左上角为包晶相图如图8所示，其图中特征点如表1所示。

包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但是在1395℃以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，实际中也很少应用，故不予研究。

Fe--Fe3C相图可简化为图9所示。

图9铁碳合金相图铁碳合金相图中主要温度、含碳量及含义见下表21）铁碳合金相图中各主要线的意义：⑴AECF为固相线。

若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。

⑵ECF为共晶线。

若含碳量在ECF线的范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃时即发生共晶反应，形成莱氏体。

⑶ES为碳在奥氏体中溶解度曲线，简称Acm线。

从该线可以看出，在1148℃时碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%，在727℃时，溶解度为0.77%，随着温度降低，碳在奥氏体中的溶解度也降低而从奥氏体中析出渗碳体。

从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。

从液相中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体（Fe3CⅠ），从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。

⑷GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称A3线。

⑸GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。

⑹PSK为共析线，简称A1线。

若含碳量在PSK线的范围（0.0218%～6.69%）内，奥氏体在727℃时发生共析反应，形成珠光体。

⑺PQ为碳在铁素体中溶解度曲线。

从该线可以看出，在727℃时碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，在600℃时溶碳量约为0.0057％，在室温仅能溶解碳0.008%，可忽略不计。

故一般铁碳合金凡是从727℃缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（Fe3CⅢ），三次渗碳体体量极少，可以忽略。

⑻以上转变都是温度慢慢变化时发生的，如果温度变化较快会产生贝氏体等，后续会设专题叙述。

三、典型合金结晶组织及温室组织工程上使用的铁碳合金分为工业纯铁，碳钢和铸铁三大类，它们的区别在于含碳量的不同。

含碳量小于0.0218%的，称为工业纯铁；含碳量大于0.0218%而小于2.11%，称为碳钢；含碳量大于2.11% 而小于6.69% 的，称为铸铁，见图10图10根据碳含量进行的划分在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，亚共析钢，过共析钢；将铸铁分为共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口铁共六种典型合金，如图11所示。

以下描述也要结合图9铁碳平衡图进行理解。

图11 铁碳相图中六种典型合金图1. 共析钢⑴上图中合金①称为共析钢，其含碳量为0.77% ，就这条线。

⑵当温度在1点以上时，合金为液相。

⑶温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体；⑷温度降至1～2点之间时，从液相中不断析出奥氏体，液相不断减少，固相奥氏体不断增加。

⑸当温度降至2点时，合金全部结晶成奥氏体，温度在2～3点之间时，合金为单相奥氏体。

⑹温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727℃温度下发生共析反应，从奥氏体中同时析出铁素体F和渗碳体Fe3C，两相所组成的共析组织即珠光体P。

共析钢的结晶过程如图12所示。

2. 亚共析钢⑴含碳量低于0.77%的钢称为亚共析钢，合金②为例。

⑵合金从液相冷却到1点以后，逐渐结晶出固相的奥氏体；⑶温度继续降至2-3点之间时，完全转变为单相奥氏体；⑷当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大；⑸温度降至3-4点时，根据杠杆定律可以计算出结晶出的先共析铁素体含量为4S/（PS），剩下的奥氏体相的量为P4/（PS）。

温度降至4点时剩下的奥氏体成分和温度已具备珠光体转变的条件，在727℃时发生共析反应，转变为珠光体。

这样，亚共析钢奥氏体的一部分转变为先共析铁素体，另一部分转变为珠光体组织。

温度继续降至室温时，显微组织基本不变（析出的三次渗碳体可忽略不计）即为铁素体加珠光体（F+P），亚共析钢的结晶过程，如图13所示。

图13 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L → L+A→A → F＋A → F+P3. 过共析钢⑴含碳量在0.77%～2.11%的碳钢称为过共析钢，合金③为例，过共析钢的结晶过程如图14所示。

⑵合金从液相冷却至1点以后，结晶出奥氏体；⑶温度继续降至2-3之间时，全部转变为奥氏体；温度降至3点时，碳在奥氏体中溶解度达到饱和。

⑷温度降低至3-4时，开始析出Fe3C，即为二次渗碳体Fe3CⅡ。

Fe3CⅡ沿着奥氏体晶界析出。

⑸温度降至4点（727℃）时，析出的二次渗碳体Fe3CⅡ图14过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图过共析钢的结晶过程用反应式表示为：L→ L + A→ A →Fe3CⅡ＋A →Fe3CⅡ+ P 铸铁的平衡组织也分为共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁，分析形式很以上一样，不做累述了。

四、铁碳合金相图的应用及其局限铁碳合金相图很好地反映了材料成分与组织之间的关系，铁碳合金相图在选择材料、金属加工、热处理以及选配合金钢、合金铸铁等方面有着重要作用。

如下图15所示。

1. 选材方面的应用对于需要具有良好的塑性、韧性的材料如厂房结构、冷却塔，则可选用铁素体组织多的低碳钢（ωC =0.1%-0.25%）；对于要求综合机械性能较高的材料即强硬度、塑韧性都较好如轴、齿轮，则可选用组织是铁素体加珠光体的中碳钢（ωC=0.25%-0.65%）；对于需要硬度高、耐磨性好的材料时如工具、轴承，则可选含碳量更高的其组织是珠光体加渗碳体的高碳钢（ωC=0.8%-1.4%）。

2. 锻造方面的应用钢处于奥氏体状态时强度低，塑性好，因此热锻、热轧选在单相奥氏体区内进行。

一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100～200℃范围内。

温度高时，钢的变形抗力小，但温度不能过高，以防钢材过热、过烧。

终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。

亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上，避免变形时出现大量铁素体，而使强度降低。

始锻温度为1100～1200℃，终锻温度为900～1000℃。

3. 热处理方面的应用Fe-Fe3C相图是制订钢铁零件热处理工艺的理论依据，所以对热处理工作者具有特别重要的意义。

各种钢材热处理常用工艺如退火、正火、淬火和回火的加热温度都是依据铁碳相图确定的。

常用整体热处理工艺正火，退火、淬火和回火，俗称“四把火”。

钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两大类，表面热处理分为表面淬火与化学热处理两类。

正火是将钢件加热到A3（如图9中，A3是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，一般727-912℃）或A cm（如图9中，A cm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化得临界温度线线）以上30-50℃，保温适当时间后，在静止的空气中缓慢冷却的热处理工艺称为正火。

正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，常用作预先热处理。

退火是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜的速度冷却（通常是缓慢冷却，有时是控制冷却）的一种金属热处理工艺。

退火的目的如下：降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，提高工件的综合机械性能。

淬火是将钢加热到临界温度A3（亚共析钢）或A cm（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之完全或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的快冷（浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺，常见的淬冷介质有盐水、水、矿物油等）到Ms点以下进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。