Fe-C相图

Fe-C 相图又称铁碳相图或铁碳状态图。

它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。

简史早在1868 年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。

至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）等利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的温度视加热或冷却(分别以A c和A r表示)过程而异。

奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。

1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即A r1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，A r3下降而与A r2相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与A r1合为一点。

1904年又发现A4至熔点间为δ铁。

以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本(H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。

随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。

目前采用的铁碳平衡图示于图1，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。

当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。

铁素体的强度、硬度不高（σb=180-280MPa,50-80HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=30%-50%,Akv=128-160J)。

所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工奥氏体的强度、硬度为（σb约为400MPa,160-200HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=40%-50%)，无磁性。

因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。

渗碳体硬度很高（950－1050ＨB），而塑性与韧性几乎为零，脆性很大铁碳平衡图释义纯铁有两种同素异构体,在912℃以下为体心立方的α－Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔点)又呈体心立方结构,即δ－Fe。

当碳溶于α－Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于γ-Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)，碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体(Fe3C)形式存在。

Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。

但这过程在室温下是极其缓慢的；即使加热到700℃，Fe3C分解成稳定相也需几年(合金中含有硅等促进石墨化元素时,Fe3C稳定性减弱)，石墨虽然在铸铁(2～4％C)中大量存在,但在一般钢(0.03～1.5％C)中却较难形成这种稳定相。

Fe－Fe3C平衡图有重要的意义并得到广泛的应用。

图1中的实线绘出亚稳的Fe-Fe3C系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe-C（石墨）系；平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。

Fe-Fe3C平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成（见相图）。

①在1495℃（HJB线）发生包晶反应,L B+δH匊A J。

此时液相L B(0.53％C)，δ铁素体δH(0.09％C)，奥氏体A J(0.17％C)三相共存。

冷凝时反应的结果形成奥氏体。

②在1148℃(ECF线)发生共晶反应,L C匊A E+Fe3C。

此时液相L C(4.30％C)，奥氏体A E（2.11％C）。

渗碳体(6.69％C)三相共存。

冷凝时反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物，通称为莱氏体。

③在727℃(PSK线)发生共析反应,A S匊F P+Fe3C,此时奥氏体A s(0.77％C)，铁素体F P(0.0218％C)，渗碳体(6.69％C)三相共存。

冷却时反应的结果形成铁素体与渗碳体的混合物，通称珠光体。

共析反应温度常标为A1温度。

其他几条线的含义如下:①GS线,奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线,称A3温度。

②ES线,碳在奥氏体中的溶解限度线,称A cm温度。

在1148℃时，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％,而在727℃时只为0.77％。

所以凡是碳含量大于0.77％的铁碳合金，在A cm 温度以下时，奥氏体中将析出渗碳体,称为二次渗碳体,以区别于从液态中析出的一次渗碳体。

③PQ线,碳在铁素体中的溶解限度线。

在727℃时,碳在铁素体中最大溶解度为0.0218％，600℃时为0.0057％，400℃时为0.00023％,200℃以下时小于0.0000007％。

碳含量大于0.0218％的合金，在PQ线以下均有析出渗碳体的可能性。

通常称此类渗碳体为三次渗碳体。

④NJ线，奥氏体转变为δ铁素体，称A4温度，纯铁为1394℃，随碳含量增加而提高。

⑤ABCD线，合金的液相线。

⑥AHJE线，合金的固相线。

此外，770℃水平线表示铁素体的磁性转变温度,常称为A2温度。

在此温度以下,铁素体呈铁磁性。

230℃水平线表示渗碳体的磁性转变温度。

磁性转变时不发生晶体结构的变化，渗碳体在230℃以下呈铁磁性。

用途1：铁碳平衡图是研究碳钢和铸铁的基础，也是研究合金钢的基础。

2：研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳平衡图开始。

3：工程上依据Fe-Fe3C平衡图把铁碳合金分为三类。

4：其他在制定钢铁材料的铸造、锻轧和热处理工艺等方面，也常以铁碳平衡图为依据。

用途铁碳平衡图是研究碳钢和铸铁的基础，也是研究合金钢的基础，它的许多基本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意义，如在简单二元Fe-C系中出现的各种相，往往在复杂合金钢中也存在。

当然，需要考虑到合金元素对这些相的形成和性质的影响，因此研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳平衡图开始。

工程上依据Fe-Fe3C平衡图把铁碳合金分为三类,即工业纯铁(C≤0.021％)、钢(0.021～2.11％C)和铸铁(2.11～6.69％C)。

其他在制定钢铁材料的铸造、锻轧和热处理工艺等方面，也常以铁碳平衡图为依据。

实际加热时钢铁的临界点往往高于Fe-Fe3C平衡图上的临界点,冷却时则低于平衡图的临界点。

如图3所示，习惯上以A表示平衡图上的临界点,沿用奥斯蒙以法文加热的首字母c及冷却的首字母r分别标志加热和冷却，A c表示加热时的临界点,A r表示冷却时的临界点。

上一页第三节典型铁碳合金的结晶过程一、共析钢的结晶过程片状P图中Ⅰ表示共析钢（ Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。

温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。

2～S点之间，合金是单一奥氏体相。

继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。

727℃以下，P基本上不发生变化。

故室温下共析钢的组织为P。

共析钢的结晶过程如下图。

二、亚共析钢的结晶过程铁素体＋珠光体图 3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。

合金在1点以上为液体。

缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。

在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。

沿着GS线变化。

当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。

原铁素体不变保留了在基体中。

4点以下不再发生组织变化。

故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。

亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。

三、过共析钢的结晶过程图 3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。

合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。

在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。

缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。

随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。

3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。

降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。

在4点以下，合金的组织不再发生变化。

故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。

过共析钢结晶过程如图3－9。

四、共晶白口铁的结晶过程图 3－6中合金Ⅳ表示共晶白口铁（Wc＝4.3％）。

合金在C 点温度以上为液体，当降至C点时，液态合金将发生共晶转变，结晶出奥氏体与渗碳体的机械混合物，即高温莱氏体。

转变是在恒温下进行，其中奥氏体的成分是E点的成分。

温度继续下降时，莱氏体中的奥氏体将不断析出二次渗碳体，剩余奥氏体的碳浓度不断减少，并沿着ES线变化。

1～2点之间的组织为高温莱氏体，是由奥氏体，二次渗碳体和共晶渗碳体组成（A+Fe 3 C Ⅱ +Fe 3 C共晶）。

当温度降至2点（727℃）时，莱氏体中的奥氏体的含碳量降到了Wc＝0.77％，发生共析转变，生成珠光体，即高温莱氏体（Ld）转变为低温莱氏体（L ' d），其组织由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成（P+ Fe 3 C Ⅱ +Fe 3 C共晶）。

共晶白口铁的显微组织如图3－4所示，共晶白口铁的结晶过程如图3－10所示。

五、亚共晶白口铁的结晶过程图3－6中合金Ⅴ表示亚共晶白口铁。

合金在1点温度以上为液体，缓冷至稍低于1点温度，开始从液体中结晶出奥氏体。

1～2点温度之间组织为液体和奥氏体。

继续缓冷，结晶出的奥氏体量不断增多，而液体量不断送还减少，奥氏体的含碳量不断沿AE骊变化，液体的硕深度沿AC骊变化。

温度缓冷至2点（1148℃）时，奥氏体的含碳量为E点的成分，液体的碳浓度为C点的浓度，于是这部分液体发生共晶转变。

在2～3点温度区间，随着温度的不断下降，奥氏体的含碳量沿ES线变化，并不断析出二次渗碳体。

因此2～3点温度区间内的组织为奥代体、二次渗碳体和高温莱氏体（A+Fe 3 C Ⅱ +Ld）。

缓冷至3点（727℃）时，Wc＝0.77％的奥氏体发生析转变，转变为珠光体。

最后室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体（P+Fe 3 C Ⅱ +L ' d）。

亚共晶白口铁的结晶过程如图3－11所示。

六、过共晶白口铁的结晶过程图 3－6中合金Ⅵ表示过共晶白口铁。

合金在1点温度以上为液体。

当温度缓冷至稍低于1点时，从液体中开始结晶出一次渗碳体（Fe 3 C ⅡⅠ）。

温度不断下降，结晶出的一次渗碳体不断增多，剩余液体量相对减少。