铁碳平衡相图详解

渗碳体系铁与碳形成的 化合物，碳含量为6.69％， 具有复杂的晶体结构。其硬 度很高，塑性和韧性很差， δ、Ak值接近于零，脆性很 大。图中平直的白色条状物 即为铁碳合金凝固时的一次 渗碳体。
2.6.4 珠光体（Pearlite—P）
珠光体是由铁素体和 渗碳体组成的处于热力学 平衡状态的机械混合物。 系奥氏体冷却时，在727 ℃恒温下发生共析转变的 产物。显微组织为铁素体 与渗碳体片层状交替排列。 性能介于铁素体和渗碳体 之间，强度较高，硬度适 中，有一定的塑性。
（1148℃）时，均发生共晶转变，生成莱氏体。
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4）ES线 碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在
奥氏体中最大溶解度是E点（ W(c) =2.11％），随着温度 的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出 二次渗碳体Fe3CⅡ。 5）GS线
奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。
2.4 主要特性点
1）A点 纯铁的熔点，温度1538℃，W(c) =0%；
2）C点 共晶点，温度1148℃，W(c) =4.3% 成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：
Lc→Ld（AE+Fe3C）； 3）D点
渗碳体熔点，温度1227℃，W(c) =6.69%；
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4）E点 碳在γ-Fe中的最大溶解度，温度1148℃，W(c) =2.11%；
6.1 相图与材料的力学和物理性能
6.2 相图与材料工程的工艺性能
铸造性能 根据液固相线之间的距离X： X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差大）； X越大，流动性越差（因为枝晶发达）； X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。
塑性加工性能：单相固溶体区易于锻造。
热处理性能：利用固溶度变化的固态相变。
共析钢结晶过程示意图
4.2 亚共析钢的结晶过程
在3点以前的结晶过程与共析钢类似； 当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素体； 温度继续下降，铁素体量逐渐增加，奥氏体量逐渐减少， 尚未转变的奥氏体的碳含量沿GS线逐渐增加； 当缓冷到4点(727℃)时，剩余的奥氏体的W(c)=0.77%， 发生共析转变而形成珠光体； 共析转变结束后，合金组织由铁素体加珠光体组成，冷却 到4点以下，组织不再产生改变； 所有亚共析钢的室温平衡组织均为铁素体+珠光体，随着 碳含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增加。
亚共析钢结晶过程示意图
4.3 过共析钢的结晶过程
在3点以前与共析钢类似； 当缓冷到3点温度时，奥氏体的溶碳量随着温度的下降而逐渐降低， 并沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体； 随着温度继续下降，二次渗碳体不断析出，而剩余奥氏体的碳含量 沿ES线逐渐减少； 温度降到4点(727℃)时；剩余奥氏体恒温下发生共析转变而形成珠 光体； 共析转变结束后，合金组织为珠光体加二次渗碳体，直至室温。 所有过共析钢的室温平衡组织都是珠光体+网状二次滲碳体。但随着 含碳量的增加，组织中珠光体的数量减少，网状二次滲碳体的数量增 加，并变得更粗大。
铁碳平衡相图详解
1.铁碳合金状态图
1.1 以构成相标注的铁碳相图 目前应用的
铁碳合金状态图 是W(c)为0～ 6.69%的铁碳合 金部分（即FeFe3C部分）， W(c)大于6.69％ 的铁碳合金在工 业领域应用鲜见 报道。
1.2 以特性点标注的铁碳相图
注：虚线、点划 线的意义——— 尚未准确确定的 数据、磁学转变 线、有序－无序 转变线。
As→P（Fp+Fe3C）；
附：铁碳平衡图中所有的特性点
2.5 特性线
1）ACD线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，
铁碳合金在此线以上处于液相。
2）AECF线 固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。
在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。
3）ECF水平线 共晶线， W(c) ＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线
2.3 铁碳相图的相区
1）单相区（四个）： α-Fe——α-铁素体； γ-Fe——奥氏体； δ-Fe——δ-铁素体； L——液相区
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2）两相区(七个)： L+δ δ+A L+A； L+Fe3C； A+F； A+Fe3C； F+Fe3C
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3）三相区(两个) L、A、Fe3C—— ECF线：共晶线，是液相、奥氏体、 渗碳体的三相共存线； A、F、Fe3C ——PSK线，共析线，是奥氏体、铁素 体、渗碳体的三相共存线。
5）G点 纯铁的同素异晶转变点，冷却到912℃时，发生
γ-F→α-Fe ；
6）P点 碳在α-Fe中的最大溶解度，温度727℃，W(c) =0.0218%；
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7）Q点 600℃时，碳在α-Fe中的溶解度， W(c) =0.0057%；
（冷至室温时，碳在α-Fe中的溶解度为0.0008%）；
8）S点 共析点，温度727℃， W(c) =0.77% 成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：
附：铁碳平衡图中所有的特性线
2.6 各相（组织）名称及其定义
2.6.1 铁素体（Ferrite—F或α相）
一般所指铁素体系碳溶 于α-Fe中所形成的间隙固溶 体，体心立方晶格。碳在αFe中的溶解度很小，727℃ 时0.0218%；室温时为 0.0008%，几乎为零。其强 度和硬度很低，塑性、韧性 好。显微组织是明亮的多边 形晶粒。
相图与热加工工艺性能的关系
7. 钢铁热处理与铁碳合金相图的关系
Fe-Fe3C相图是制订钢铁零件热处理工艺的理论依据， 所以对热处理工作者具有特别重要的意义。各种钢材热处理 的常用工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是根据FeFe3C相图来确定的。
钢铁热处理的温度选取范围在铁碳相图中的位置
亚共析钢
0.0218%<W(c)<0.77%
过共析钢
0.77%<W(c)<2.11%
共晶白口铁 W(c)=4.3%
亚共晶白口铁 2.11%<W(c)<4.3%
过共晶白口铁 4.3%<W(c)<6.69%
*—— 按含碳量和室温组织分类
4. 典型铁碳合金的结晶过程分析——以钢为例
① 共析钢 ② 亚共析钢 ③ 过共析钢
=0.0218%，溶碳量最大；在600℃时， W(c) =0.0057%。 在7铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3CIII）的形式 析出。一般情况下，忽略Fe3CIII的存在。
以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的 相变。若是加热过程，则相反。
2. 铁碳相图的分析方法
2.1 分析步骤
① 以稳定的化合物分割相图（Fe3C）； ② 以特殊的成分分割相图（钢*与铁的区分）； ③ 确定各点、线、区的意义； ④ 分析特征合金的结晶过程及其组织演化； ⑤ 说明相图的实际应用
*——此处讨论的钢仅限于碳钢，暂不涉及合金钢。
2.2 铁碳相图的几何规律
相邻相区的相数差1（点接触除外）——相区接触法则； 三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分 点。 若两个三相区中有两个相同的相，则两水平线之间必是 由这两相组成的两相区。 单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。
5.2 含碳量与力学性能间的关系
强度：当W(c)<0.9％时，随着 W(c)增加，强度不断提高；当 W(c)>0.9％时，由于渗碳体在 晶界呈网状分布，使钢的强度 下降，脆性上升。 硬度：随W(c)的增加而提高。
塑性：随W(c)的增加而迅速降低。
冲击韧性：随W(c)的增加而迅 速降低。
*6. 相图与合金性能的关系
2.6.2 奥氏体（Austenite——A或γ相）
奥氏体系碳溶于γ-Fe 中所形成的间隙固溶体， 面心立方晶格。碳在γ-Fe 中的溶碳量较高，1148℃ 时为2.11%；其强度和硬 度比铁素体高，塑性、韧 性也好。其晶粒呈多边形， 晶界较铁素体平直。
2.6.3 渗碳体（Cementite—Fe3C）
2.6.5 莱氏体（Ledeburite—Ld或Ld'）
莱氏体是由奥氏体 和渗碳体组成的处于热 力学平衡状态的机械混 合物。系在1148℃恒温 下发生共晶转变的产物， 平均碳含量为4.3%。
3. 铁碳相图中钢与铁的区分
铁碳合金*
工业纯铁 钢
白口铸铁
W(c) =0.0218%
共析钢
W(c)=0.77%
④ 共晶白口铸铁 ⑤ 亚共晶白口铸铁 ⑥ 过共晶白口铸铁
4.1 共析钢的结晶过程
1点温度以上，合金处于液态； 缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继 续下降，奥氏体量逐渐增加； 直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体； 2点至3点间为单一奥氏体的冷却； 当温度降到S点时，奥氏体在恒温下发生共析转变，转 变为珠光体； S点以下，珠光体冷却至室温。
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6）PSK水平线 共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度
（727℃）时，将发生共析转变生成珠光体（P）， W(c) ＞0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。
7）GP线 0＜ W(c) ＜0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体
中析出铁素体的终了线。
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8）PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时， W(c)
过共析钢结晶过程示意图
5. 铁碳合金的成分、组织与性能的关系
5.1 含碳量与铁碳合金平衡组织间的关系 铁碳合金的室温组织都是由铁素体和滲碳体两相组成。
随着含碳量的增加，铁素体量逐渐减少，滲碳体量逐渐增多， 且它的形状和分布也有所不同，从而形成不同的组织。相图 自左至右的组织为：
F F+P P P+Fe3CII P+Fe3CII+Ld’ Ld’ Ld’+Fe3CI