关于铁碳合金相图相关知识整理

1、纯铁的同素异构转变

许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

图1是纯铁的冷却曲线。液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。

纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度（相变点）；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成。但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。

纯铁的磁性转变温度为770℃。磁性转变不是相变，晶格不发生转变。770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。

2、铁碳合金的基本组织

在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相。

（1）液相 用”L”表示。是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。

（2）铁素体 用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。碳溶解于在α-Fe中形成的间隙固溶体，是α相。碳溶解于在α-Fe中形成的间隙固溶体，是δ相。虽然体心立方（BCC）晶格的间隙总体积较大,但单个间 隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%（727℃时），室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似 ，强度、硬度低而塑性、韧性高,并有铁磁性。工业纯铁（ωC≦0.02%）的室温组织是由铁素体晶粒组成的。

铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后, 在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。

（3）奥氏体 用符号"A"(或γ)表示。奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体,面心立方（FCC）晶格虽然的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%（1148℃时），727℃时为0.77%。 在一般情况下， 奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的轻度较低，硬度不高,但塑性较高（δ=40%~50%），通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态。

另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。

（4）渗碳体 渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式"Fe3C"（或Cm）表示。它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃，渗碳体三维力学性能特点是质硬而脆，然而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色。

渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状，网、片状、粒状等不同形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。

（5）珠光体 用符号”P”表示。珠光体是铁素体和渗碳体的混合物。珠光体的含碳量为0.77%。由于渗碳体的强化作用，珠光体有着良好的力学性能，如其抗拉强度高，硬度较高但仍有一定的塑性和韧性。珠光体在显微镜下呈片层状，如图2所示。图中黑色层片为渗碳体，白色基体为铁素体。

（6）莱氏体 它是奥氏体和渗碳体的混合物，由于奥氏体属于高温组织，这时称为高温莱氏体，用“Ld”表示。温度降到727℃时，将转变为珠光体和渗碳体的混合物，称为低温莱氏体，用“Ld’”表示。莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有渗碳体较多，故其力学性能与渗碳体相近。

在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。

3、铁碳合金相图

铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分轴从0~6.69%。所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图。

（1）相图中各主要点说明

（2）相图中的特性线

相图中各条线表示铁碳合金发生组织转变的界限。

①ABCD为液相线，而AHJECF为固相线。液相线和固相线之间构成的区域，是由液态合金和结晶体组成的相区，液态合金沿AC线结晶出的是奥氏体，沿CD线结晶出的是渗碳体。由液态合金直接析出的渗碳体称为一次渗碳体（Fe3C1）。

②HJB为包晶反应线（1495℃），J为包晶点。

包晶反应形成奥氏体，此反映仅可能在含碳量为0.1-0.5%的铁碳合金中发生。

③ECF为共晶反应线（1148℃），C点为共晶点。 碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共晶反应。

共晶反应的产物是奥氏体和渗碳体的混合物，称为莱氏体。

④PSK为共析转变线（727℃），S点是共析点。碳质量分数为大于0.0218%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应，PSK线亦称A1线。共析反应过程中奥氏体、铁素体、Fe3C三相共存。

共析反应形成铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体。

⑤ES是碳在奥氏体中的固溶线，通常叫做Acm线。由于在1148℃时奥氏体中溶碳量最大可达2.11%，而在727℃时仅为0.77%，因此碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷却至727℃的过程中，将从奥氏体中析出Fe3C，析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。

⑥PQ是碳在铁素体中的固溶线。在727℃时铁素体中溶碳量最大可达0.0218%，室温时仅为0.0008%，因此含碳量大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷却至室温的过程中，从铁素体中析出Fe3C，析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。因数量极少，对钢铁性能影响可以忽略不计。

⑦；GS是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线，通常称为A3线。奥氏体之所以转变为铁素体是γ→Fe→α→Fe同素异晶转变的结果。

4、铁碳合金相图的应用

（1）在钢铁材料选用方面

Fe—Fe3C相图表明的成分--组织--性能的规律，为选材提供的依据。如：机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用含碳量适中的中碳钢；工具要选用硬度高、耐磨性好的材料，要选含碳量高的钢种。

（2）铸造方面的应用

根据Fe—Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50-100℃。从相图上可以看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可获得致密的铸件，随意在生产上的铸铁总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中，碳含量规定在0.15%-0.6%之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。

（3）在热轧、热锻方面的应用

钢处于奥氏体状态时强度较低、塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。

（4）在焊接方面的应用

焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度不同，由相图可知，受不同加热温度的各个区域在随后的冷却中可能会出现不同的组织与性能，需采用热处理方法加以改善。