铁碳相图详解

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：

⑴工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。

⑵碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。

⑶白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）

下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。

图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置

㈠工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程

合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。温度降低到3点以后，开始从δ铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，δ铁素体全部转变为奥氏体。在4~5点之间，不发生组织转变。冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。在6-7点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe3C III。7点以下，随温度下降，Fe3C III量不断增加，室温下Fe3C III的最大

量为：

%

31

.0

%

100

0008

.0

69

.6

0008

.0

0218

.0

3

=

×

−

−

=

Ⅲ

C

Fe

Q

。图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。工业纯铁的室温组织为α+Fe3C III，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3C III。

图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程

共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。合金液体在1 ~ 2 点间通过匀晶反应转变为奥氏体。在2 ~ 3点之间,不发生组织转变。到达3点以后，发生共析转变：γ0。77 → α0。0218 +Fe 3C ，由奥氏体相同时析出铁素体和渗碳体。反应结束后，奥氏体全部转变为珠光体。继续冷却会从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体，但是它们往往依附在共析渗碳体上，难于分辨。共析钢的室温组织为100%的珠光体，如图3-30所示。由图3-30可以看出，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈指纹状，其中白色的基底为铁素体，黑色的层片为渗碳体。室温下珠光体中两相的相对重量百分比为：

，%5.88%1000008.069.677.069.6=×−−=αQ %5.11%5.88%1003=−=C Fe Q 。

图3-29 共析钢的冷却曲线及组织转变示意图 图3-30 珠光体组织 400× ㈢ 亚共析钢（图3-27中合金③）的结晶过程

含碳量在0.09%~0.53%之间的亚共析钢结晶时将发生包晶反应。现以含0.45%C 的钢为例分析亚共析钢的结晶过程，其冷却曲线及组织转变示于图3-31。该合金从液态缓慢冷却到1点后，发生匀晶反应,开始析出δ铁素体。到达2点温度时，匀晶反应停止，开始发生包晶

转变：L0.53 + δ0.09→γ0.17。包晶转变结束后，除了新形成的奥氏体外，液相还有剩余。温度继续下降，在2-3点之间，剩余的液相通过匀晶反应全部转变为奥氏体。在3-4点之间，不发生组织变化。冷却到4点，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降低，铁素体数量增多。温度降到5点，奥氏体的成分沿GS线变化到S点，此时，奥氏体向铁素体的转变结束，剩余的奥氏体发生共析反应：γ0.77→α0.0218 + Fe3C，转变为珠光体。温度继续下降，从铁素体中析出三次渗碳体，但是由于其数量很少，因此可忽略不计。亚共析钢的室温组织为珠光体+铁素体，如图3-32所示，图中的白色组织为先共析铁素体，黑色组织为珠光体。

图3-31 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图

(a) 0.20%C (a) 0.45%C

图3-32 亚共析钢的显微组织 400×

室温下，含0.45%C亚共析钢中先共析铁素体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分

比为：

%

6.

41

%

4.

58

%

100

%

4.

58

%

100

0008

.0

77

.0

0008

.0

45

.0

=

−

=

=

×

−

−

=α

Q

Q P，

。而铁素体和渗碳体两相的相对

重量百分比为：

%

3.

93

%

7.6

%

100

%

7.6

%

100

0008

.0

69

.6

0008

.0

45

.0

3

=

−

=

=

×

−

−

=α

Q

Q C

Fe

，

。

在0.0218%~0.77%C范围内珠光体的相对重量随含碳量的增加而增加。由于室温下铁素体中含碳量极低，珠光体与铁素体密度相近，所以在忽略铁素体中含碳量的情况下，可以利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，近似地估算亚共析钢的含碳量：