铁碳相图

§5.6 铁碳相图和铁碳合金

钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是

它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。

Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。

化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图5.6-1）。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。

图5.6-1 铁碳双重相图

【说明】图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。

铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：

由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。【说明】

图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。

铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：

由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。

纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图5.6-2。

铁的固溶体

碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50~80)低，塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图5.6-2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(HB170~220)较低，塑性(延伸率δ为40%~50%)高。奥氏体的显微组织见图5.6-3,图5.6-4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。

图5.6-3奥氏体的显微组织图5.6-4碳在γ－Fe晶格中的位置渗碳体

(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图

5.6-5），熔点为1227℃。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。

图 5.6-5渗碳体的晶格

单相区——5个相图中有5个基本的相，相应的有5

个相区：液相区(L)——ABCD以上区域δ固溶体区——

AHNA奥氏体区(γ)——NJESGN铁素体区(α)——GPQ以

左渗碳体区(Fe3C)——DFK直线

两相区——7个7个两相区分别存在于两个相应的单相区之

间：L+δ——AHJBA L+γ——BJECB L+ Fe3C——

DCFD δ+γ——HNJH γ+α——GPSG γ+Fe3C—

—ESKFCE α+ Fe3C——PQLKSP

三相区——3个包晶线——水平线HJB(L+δ+γ)

共晶线——水平线ECF(L+γ+Fe3C)

共析线——水平线PSK(γ+α+Fe3C)

图5.6-6 Fe-Fe3C相图

符号 C % 说明

表5.6-1 Fe-Fe 3C 相图中的特性点

相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表5.6-1。

Fe-Fe 3C 相图包含三个恒温转变：包晶、共晶、共析。

包晶转变发生在1495℃（水平线HJB ），反应式为：

式中 L 0.53——含碳量为0.53%的液相；δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。

共晶转变发生在1148℃（水平线ECF ），反应式为：

共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号L d 表示。凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。

共析转变发生727℃（水平线PSK ），反应式为：

共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P 表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727℃ 时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。

A 0 纯铁的熔点

B 0.53 包晶转变时液相成分

C 4.30 共晶点

D 6.67 渗碳体的熔点

E 2.11 碳在γ-Fe 中的最大溶解度

F 6.67 渗碳体的成分

G 0 纯铁α↔γ转变温度

H 0.09 碳在δ-Fe 中的最大溶解度

J 0.17 包晶点 K 6.67 渗碳体的成分 N 0 纯铁γ↔δ转变温度 P 0.0218 碳在α-Fe 中的最大溶解度

S 0.77 共析点

Q

0.0057 600˚C 碳在α-Fe 中的溶解度7×10-7 200˚C 碳在α-Fe 中的溶解度