铁碳相图分析

二、铁碳合金相图的分析
Fe-Fe3C相图如图3-25所示。

可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。

相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相δ，铁素体相α，奥氏体相γ和渗碳体相Fe3C。

这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ Fe3C。

图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图
在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。

相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。

点的符号温度
/℃
含碳量
/%
说明
A 1538 0 纯铁熔点
B 1495 0.53 包晶反应时液相的
成分
C 1148 4.3 共晶点L C ⇄γE+
Fe3C
D 1227 6.69 渗碳体的熔点
E 1148 2.11 碳在γ-Fe中的最大
溶解度
F 1148 6.69 渗碳体
G 912 0 γ-Fe ⇄α-Fe同素
异构转变点
H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最
大溶解度
Fe- Fe3
HJB水平线（1495︒C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53 + δ0.09→γ0.17（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。

ECF水平线（1148︒C）为共晶线，与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.3→γ2.11 + Fe3C。

转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号“Le”表示。

莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。

PSK水平线（727︒C）为共析线，与该线成分（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218+ Fe3C。

转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。

珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。

共析线又称为A1线。

此外，Fe- Fe3C相图中还有六条固态转变线：
GS、GP为γ⇄α固溶体转变线，HN、JN为δ⇄γ固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。

GS线又称为A3线，JN线又称为A4线。

ES线为碳在γ-Fe中的固溶线。

在1148︒C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727︒C 时溶解度只有0.77%。

所以含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148︒C冷至727︒C 时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为Fe3C II。

二次渗碳体通常沿奥氏体晶界呈网状分布。

ES线又称为A cm线。

PQ线为碳在α-Fe中的固溶线。

在727︒C，碳的溶解度最大，为0.0218%，随温度降低，溶解度下降，到室温时溶解度仅为0.0008%。

所以铁碳合金自727︒C向室温冷却的过程中，将从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，标记为Fe3C III。

因其析出量极少，在含碳量较高的合金中不予以考虑，但是对于工业纯铁和低碳钢，因其以不连续网状或片状分布于铁素体晶界，会降低塑性，所以对于Fe3C III的数量和分布还是要加以控制。

综上所述可见，铁碳合金中的渗碳体根据形成条件不同可分为一次渗碳体Fe3CⅠ（由液相直接析出的渗碳体）、二次渗碳体Fe3CⅡ、三次渗碳体Fe3CⅢ、共晶渗碳体和共析渗碳体五种。

它们分属于不同的组织组成物，区别仅在于形态和分布不同，但都同属于一个相。

由于它们的形态和分布不同，所以对铁碳合金性能的影响也不相同。

另外，Fe- Fe3C相图中还有两条物理性能转变线：MO线（770︒C ）是铁素体磁性转变温度。

在770︒C以上，铁素体为顺磁性物质，在770︒C以下，铁素体转变为铁磁性物质。

此线又称为A2线；UV线（230︒C）是渗碳体磁性转变温度，又称为A0线。

（1）Ac1 钢加热时，开始形成奥氏体的温度。

（2）Ac3 亚共析钢加热时，所有铁素体都转变为奥氏体的温度。

（3）Ac4 低碳亚共析钢加热时，奥氏体开始转变为δ相的温度。

（4）Accm 过共析钢加热时，所有渗碳体和碳化物完全溶入奥氏体的温度。

（5）Arl 钢高温奥氏体化后冷却时，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度。

（6）Ar3 亚共析钢高温奥氏体化后冷却时，铁素体开始析出的温度。

（7）Ar4 钢在高温形成的δ相在冷却时，开始转变为奥氏体的温度。

（8）Arcm 过共析钢高温完全奥氏体化后冷却时，渗碳体或碳化物开始析出的温度。

（9）A1 也写做Ae1，是在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体或碳化物共存的温度，也就是一般所说的下临界点。

（10）A3 也写做Ae3，是亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度，也就是说亚共析钢的上临界点。

（11）A4 也写做Ae4，是在平衡状态下，δ相和奥氏体共存的最低温度。

（12）Acm 也写做Aecm，是过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体或碳化物共存的最高温度，也就是过共析钢的上临界点。

（13）Mb 马氏体爆发形成温度，以Mb表示（Mb≤ MS）。

当奥氏体过冷至MS点以下时，瞬间爆发式形成大量马氏体，并伴有响声，同时释放相变潜热，使温度回升。

（14）Md 马氏体机械强化稳定化临界温度。

（15）MF 马氏体相变强化临界温度。

（16）Mf 有的文献以Mf表示奥氏体转变为马氏体的终了温度。

（17）MG 奥氏体发生热稳定化的一个临界温度。

（18）MS 钢奥氏体化后冷却时，其中奥氏体开始转变为马氏体的温度，符号中的“S”是“始”字汉语拼音第一个字母，也就是俄文书籍中的MH和英文书籍中的MS。

（19）MZ 奥氏体转变为马氏体的终了温度，符号中的“Z”是“终”字的汉语拼音第一个字母，也就是俄文书籍中的MK和英文书籍中的Mf。

注：AC1、AC3、AC4和ACCm随加热速度而定，加热越快，其越高；Ar1、Ar3、Ar4和Arcm则随冷却速度的加快而降低，当冷却速度超过一定值（临界冷却速度）时，它们将完全消失。

一般情况下，Ac1＞A1＞Ar1，Ac3＞A3＞Ar3，Ac4＞A4＞Ar4，Accm＞Acm＞Arcm
碳在铸铁中可能以渗碳体（Fe3C)或石墨(G)形式存在，根据碳的存在形式，铸铁可分为：白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。

[白口铸铁]：白口铸铁中，碳除少量溶入铁素体外，绝大部分以渗碳体的形式存在。

因断口呈银白色，故称白口铸铁。

白口铸铁硬度高，脆性大，难以切削加工，故很少直接用来制造机械零件，主要用作炼钢原料、可锻铸铁的毛坯，以及不需切削加工、要求硬度高和耐磨性好的零件，如轧辊、犁铧及球磨机的磨球等。

[灰口铸铁]：灰口铸铁中，碳主要以石墨的形式存在，断口呈灰色。

这类铸铁是工业上最常用的铸铁。

根据其石墨的存在形式不同，灰口铸铁可分为如下四类性能不同的铸铁件：
(1)灰铸铁碳主要以片状石墨形式存在的铸铁。

(2)球墨铸铁碳主要以球状石墨形式存在的铸铁。

(3)可锻铸铁碳主要以团絮状石墨形式存在的铸铁。

(4)蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形式存在的铸铁。

[麻口铸铁]：麻口铸铁中，碳一部分以石墨存在，另一部分以渗碳体存在，断口呈黑白相间，这类铸铁的脆性较大，故很少使用。

此外，为了进一步提高铸铁的性能或得到某种特殊性能，在铸铁
中加入一种或多种合金元素（Cr、Cu、W、Al、B等）可得到合金铸
铁，如耐磨铸铁、耐蚀铸铁、耐热铸铁等
铸铁中碳以石墨形态析出的过程叫做铸铁的石墨化。

按Fe-Fe3C双重相图，铸铁在结晶过程中，随着温度的下降，各温度
阶段都有石墨析出，石墨化过程是一个原子扩散的过程，温度越低，
原子扩散越困难，越不易石墨化。

结晶时，若各阶段石墨化能充分或
大部分进行，则能获得常用的灰口铸铁，反之将会得到白口铸铁影响石墨化的因素
化学成分的影响:
元素对石墨化影响
C 是形成石墨的基础，增大铸铁中C的浓度，有利于形成石墨
Si 是强烈促进石墨化的元素，Si含量越高，石墨化进行得越充分是强烈阻碍石墨化的元素，S还会降低铸铁的力学性能和流动性。

S
因此，铸铁中含S越少越好
本身阻止石墨化，但Mn与S化合形成MnS，减弱了S对石墨化的不Mn
利影响，故铸铁中允许有适量的Mn。

冷却速度的影响：缓慢冷却时碳原子扩散充分，易形成稳定的石
墨，即有利于石墨化。

铸造生产中凡影响冷却速度的因素均对石墨化
有影响。

如铸件壁越厚，铸型材料的导热性越差，越有利于石墨化。

三、常用灰口铸铁件的性能特点
[力学性能]：常用灰口铸铁中具有石墨存在，而石墨的力学性能几乎为零，可以把铸铁看成是布满裂纹或空洞的钢。

石墨不仅破坏了基体的连续性，减少了金属基体承受载荷的有效截面积，使实际应力大大增加；另一方面，在石墨尖角处易造成应力集中，使尖角处的应力远大于平均应力。

所以，灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢。

石墨片的数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，对力学性能的影响就越大。

但石墨的存在对灰铸铁的抗压强度影响不大，因为抗压强度主要取决于灰铸铁的基体组织，因此灰铸铁的抗压强度与钢相近。

墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却给灰铸铁带来一系列其它的优良性能。

（1）良好的铸造性能灰铸铁件铸造成形时，不仅其流动性好，而且还因为在凝固过程中析出比容较大的石墨，减小凝固收缩，容易获得优良的铸件，表现出良好的铸造性能。

（2）良好的减振性石墨对铸铁件承受振动能起缓冲作用，减弱晶粒间振动能的传递，并将振动能转变为热能，所以灰铸铁具有良好的减振性。

（3）良好的耐磨性能石墨本身也是一种良好的润滑剂，脱落在摩擦面上的石墨可起润滑作用，因而灰铸铁具有良好的耐磨性能。

（4）良好的切削加工性能在进行切削加工时，石墨起着减摩、断屑的作用；由于石墨脱落形成显微凹穴，起储油作用，可维持油膜的连
续性，故灰铸铁切削加工性能良好，刀具磨损小。

（5）低的缺口敏感性片状石墨相当于许多微小缺口，从而减小了铸件对缺口的敏感性，因此表面加工质量不高或组织缺陷对铸铁疲劳强度的不利影响要比对钢的影响小得多。

[适用场合]：由于灰铸铁具有以上一系列性能特点，因此被广泛地用来制作各种受压应力作用和要求消震的机床床身与机架、结构复杂的壳体与箱体、承受摩擦的缸体与导轨等。

热处理是钢在固态下加热到预定的温度，保持一定的时间，然后以某种冷却方式冷却下来的一种加工工艺。

其工艺过程是：加热-----保温------冷却。

热处理的目的是：改变钢的内部组织结构，从而改善工件的工艺性能、使用性能，挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质量。

节约材料和能源。

1、碳钢的普通热处理工艺方法
1）钢的退火
钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。

此时，奥氏体在高温区发生分解，从而得到比较接近平衡状态的组织。

一般中碳钢（如40、45钢）经退火后消除了残余应力，组织稳定，硬度较低（HB180～220）有利于下一步进行切削加工。

2）钢的正火
钢的正火通常是把钢加热到临界温度Ac3或Accm线以上，保温一段时间，然后进行空冷。

由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。

对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对于高碳钢，则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作好组织准备。

3）钢的淬火
钢的淬火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温一段时间，然后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷＞V临)，以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。

4）钢的回火
钢的回火通常是把淬火钢重新加热至Ac1线以下的一定温度，经过适当时间的保温后，冷却到室温的一种热处理工艺。

由于钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂，一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度，甚至开裂。

因此，淬火钢必须进行回火处理。

不同的回火工艺可以使钢获得各种不同的性能。

2、碳钢普通热处理工艺
1）加热温度
碳钢普通热处理的加热温度，原则上按加热到临界温度Ac1或Ac3线以上30～50℃选定。

但生产中，应根据工件实际情况作适当调整。

热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大、氧化、脱碳、变形、开裂等倾向增加。

但加热温度过低，也达不到要求。

表2-1碳钢普通热处理的加热温度
方法加热温度(℃) 应用范围
退火Ac3+(20~60) 亚共析钢完全退火
Ac1+(20~40) 过共析钢球化退火
正火Ac3+(50~100) 亚共析钢
Accm+(30~50) 过共析钢
淬火Ac3+(30~70) 亚共析钢
Ac1+(30~70) 过共析钢
回火低温回火150~250 刃具、模具、量具、高硬度零件
中温回火350~500 弹簧、中等硬度零件
高温回火 500~650 齿轮、轴、连杆等综合机械性能零件。