铁碳合金相图

第二节 Fe-Fe3C 相图相图：表示在平衡条件下（极其缓慢加热和冷却）合金成分、温度、组织状态之间的关系图形称为合金相图，又称合金状态图。

本节主要讨论铁碳合金相图。

相图测定方法：最常用的相图测定方法为热分析法，即对合金系中不同成分的合金进行加热熔化，观察在极其缓慢加热和冷却过程中内部组织的变化，测出其相变临界点，并标于“温度——成分”坐标中，绘成相图。

（以Cu-Ni相图为例,点击此处可观看Cu-Ni合金相图测定原理）由于Wc>6.69%的铁碳合金脆性极大，加工困难，生产中无实用价值，并且Fe3C（Wc = 6.69%）可以作为一个独立组元。

因此，我们仅研究Wc为0%~ 6.69%的Fe-Fe3C相图部分。

为便于研究，将相图左上角部分简化，得到简化后的Fe-Fe3C相图。

一、Fe-Fe3C相图分析相图分析思路：特性点---→特性线---→相区简化后的Fe-Fe3C相图可看作由两个简单组元组成的典型二元相图，图中纵坐标表示温度，横坐标表示成分。

左端原点Wc=0%，即纯铁；右端点Wc=6.69%，即Fe3C。

横坐标上任何一个固定的成分均代表一种铁碳合金。

例如S点，表示Wc=0.77%的铁碳合金。

Fe-FeC相图3C相图的特性点1、Fe-Fe3Fe-Fe3C相图中特性点的成分和温度与被测材料纯度和测试条件有关，故在不同资料中，各特性点位置略有不同。

各特性点的温度、成分及含义见下表。

Fe-Fe3C相图特性点特性点温度t/℃Wc/% 含义A1538 0 纯铁的熔点C1148 4.3 共晶点，LC→ldD1227 6.69 渗碳体的熔点（计算值）E1148 2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度G912 0 纯铁的同素异晶转变点，α-Fe→γ-FeC相图的特性线2、Fe-Fe3Fe-Fe3C相图的特性线是不同成分合金具有相同物理意义临界点的连接线，简化的Fe-Fe3C 相图中各特性线的名称及含义如表2-2所示Fe-Fe3C相图特性线3、Fe-FeC相图的相区（标示于相图中）3[相图分析要点]：•五个重要的成份点: P、S、E、C、F¨四条重要的线: ECF、PSK、ES、GS¨三个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变反应式、包晶转变（本节略）11二个重要温度: 1148 ℃、727 ℃二、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的分类：工业纯铁、钢、白口铸铁。

1、共析钢的结晶过程及平衡组织图中（1）线的共析钢从高温液态冷却时，与相图中的AC、.AE和.PSK线分别交于1、2、3点。

该合金在1点温度以上全部为液相（L）；缓冷至1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体；缓冷至2点温度时，液相全部结晶为奥氏体；当温度缓冷至3点温度时（727℃）时，奥氏体发生共析转变，生成珠光体组织，用符号P表示，共析转变式为。

这种由一定成分的固相，在一定温度下同时析出紧密相邻的两种或多种不同固相的转变，称为共析转变，发生共析转变的温度称共析温度。

当温度继续下降时，铁素体成分沿PQ线变化，将会有少量的渗碳体（称为Fe3CⅢ）从铁素体中析出，并与共析渗碳体混在一起，这种渗碳体（Fe3CⅢ）在显微镜下难以分辩，故可忽略不计。

因此，共析钢的室温平衡组织为珠光体。

工程材料及成形工艺基础共析钢显微组织2、亚共析钢的结晶过程及平衡组织以图中（2）合金为例。

冷却时与图中的AC、.AE.、GS和PSK线分别交于1、2、3、4点。

该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。

当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降纸，铁素体量不断增多，成分沿GP线变化，奥氏体量逐渐减少；当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。

随后的冷却过程中，也会从铁素体中析出三次渗碳体（Fe3CⅢ），但因量少忽略不计，因此亚共析钢的室温平衡组织为珠光体和铁素体。

必须指出，随亚共析钢含碳量的增加，组织中铁素体量将减少。

图中白亮色部分为铁素体，呈黑色或片层状的为珠光体。

工程材料及成形工艺基础20钢45钢65钢亚共析钢显微组织3、过共析钢的结晶过程及平衡组织过共析钢的结晶过程以图中（3）中合金为例。

冷却时与图中AC、.AE、.ES和PSK线分别交于1、2、3、4点。

该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。

当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出渗碳体（称此为二次渗碳体Fe3CⅡ），随温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而剩余奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至4点（727℃）时，奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。

因此，过共析钢室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。

二次渗碳体一般以网状形式沿奥氏体晶界分布。

图中片状或黑色组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。

工程材料及成形工艺基础过共析钢显微组织(T12钢)4、共晶白口铸铁的结晶过程及组织共晶白口铸铁（如图2-2合金Ⅳ）的碳质量分数Wc=4.3%，该合金冷却时，与图中EF、.PSK 线分别交于1、2点。

该合金在1点以上为液相，缓冷至1点温度（即C点、1148℃）时，液体在恒温下同时结晶出奥氏体和渗碳体两种固相，称为莱氏体或高温莱氏体，用符号Ld表示。

这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种或多种固相的转变，称为共晶转变。

共晶转变式为 Ld---→(AE+Fe3C)。

共晶转变完成后，莱氏体在继续冷却过程中，其中的奥氏体将不断折出二次渗碳体，奥氏体中的含碳量沿ES线逐渐向共析成分接近，当温度降到2点（727℃）时，发生共析转变，形成珠光体，而二次渗碳体保留到室温。

因此，共晶白口铸铁的室温组织为珠光体和渗碳体的两相组织，称为变态莱氏体（或低温莱氏体），用符号“Ldˊ”表示。

二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体（又称共晶渗碳体）混在一起，光学显微镜下难以分辨。

共晶白口铸铁的结晶过程如下图所示。

室温组织如图2-11所示。

图中黑色部分为珠光体，白色部分为渗碳体。

亚共晶白口铸铁（例如图2-3中Ⅴ线所对应的合金，碳质量分数Wc=3.0%）、过共晶白口铸铁（例如图2-3中Ⅵ线所对应的合金，碳质量分数Wc=4.6%）的结晶过程可以参照共晶白口铸铁（Ⅳ线成分）的方法进行分析，结晶后亚共晶白口铸铁的室温平衡组织由珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体组成（P+Fe3CⅡ+Ldˊ），如下图所示，图中呈黑色树枝状部分为珠光体，黑色点状部分为变态莱氏体，白色基体部分为二次渗碳体和共晶渗碳体；过共晶白口铸铁的室温平衡组织为变态莱氏体、一次渗碳体组成（Ld’+Fe3CⅠ），如下图所示。

图中基体为变态莱氏体，白色条块状为一次渗碳体。

工程材料及成形工艺基础共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁白口铸铁显微组织通过结晶过程分析可知，不同含碳量的铁碳合金，结晶后的平衡组织不同，将不同成分的铁碳合金平衡组织标示于相图中，即得铁铁合金平衡状态图。

如下图所示。

三、铁碳合金成分、组织、性能之间的关系从对Fe-Fe3C相图的分析可知，在一定的温度下，合金的成分决定了组织，而组织又决定了合金的性能。

任何铁碳合金室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，但成分（含碳量）不同，组织中两个相的相对数量，相对分布及形态也不同，因而不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。

1、碳的质量分数对组织的影响铁碳合金的室温组织随碳的质量分数的增加，组织的变化规律如下：F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ldˊ→Ldˊ+Fe3CⅠ从以上变化可以看出，铁碳合金室温组织随碳的质量分数的增加，铁素体的相对量减少，而渗碳体的相对量增加。

具体来说，对钢部分而言，随着含碳量的增加，亚共析钢中的铁素体量随着减少，过共析钢中的二次渗碳体量随着增加；对铸铁部分而言，随着碳的质量分数的增加，亚共晶白口铸铁中的珠光体和二次渗碳体量减少；过共晶白口铸铁中一次渗碳体和共晶渗碳体量随着增加。

铁碳合金室温组织的相组成相对量、组织组成物相对量如图所示。

工程材料及成形工艺基础铁碳合金中相与组织的变化规律2、碳的质量分数对力学性能的影响铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。

当碳的质量分数Wc<0.9%时，随碳的质量分数的增加，钢的强度，硬度呈直线上升，而塑性、韧性随之降低。

原因是钢组织中渗碳体的相对量增多，铁素体的相对量减少；当碳的质量分数Wc>0.9%时，随碳的质量分数的继续增加，硬度仍然增加，而强度开始明显下降，塑性、韧性继续降低。

原因是钢中的二次渗碳体沿晶界析出并形成完整的网络。

导致了钢脆性的增加。

为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于1.4%。

Wc>2.11%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量太多，性能硬而脆，难以切削加工，在机械工程中很少直接应用。

工程材料及成形工艺基础铁碳合金力学性能与含碳量关系五、Fe-Fe3C相图的应用1、在钢铁材料选材方面的应用Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。

例如：用于建筑结构的各种型钢需要塑性、韧性好的材料，应选用Wc<0.25%的钢材。

机械工程中的各种零部件需要兼有较好强度、塑性和韧性的材料，应选用Wc=0.30%~0.55%范围内的钢材。

而各种工具却需要硬度高，耐磨性好的材料，则多选用Wc=0.70%~1.2%范围内的高碳钢。

2、在制订热加工工艺方面的应用（1）在铸造方面的应用从Fe-Fe3C相图可以看出，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。

因此，铸造生产中多选用接近共晶成分的铸铁。

根据Fe-Fe3C相图可以确定铸造的浇注温度，一般在液相线以上50~100℃，铸钢（Wc=0.15%~0.6%）的熔化温度和浇注温度要高得多，其铸造性能较差，铸造工艺比铸铁的铸造工艺复杂。

（2）在锻压加工方面的应用由Fe-Fe3C相图可知钢在高温时处于奥氏体状态，而奥氏体的强度较低，塑性好，有利于进行塑性变形。

因此，钢材的锻造、轧制（热轧）等均选择在单相奥氏体的适当温度范围内进行。

（3）在热处理方面的应用 Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。

热处理常用工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图确定的。

这将在下一章中详细阐述。

工程材料及成形工艺基础Fe-Fe3C相图在热加工中的应用。