铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，也是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，还是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。铁和碳可形成Fe3C、Fe2C、Fe C等化合物，因此Fe-C相图包括Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe C-C等几个部分，其中的Fe-Fe3C部分的实用性被人们深入研究，称为Fe-Fe3C相图（图3-7）。
图3-7 Fe-Fe3C相图
Fe-Fe3C相图的特征点
Fe-Fe3C相图的特征见表3-1。
表3-1 Fe-Fe3C相图的特征
续表
Fe-Fe3C相图的特征线
相图中的液相线为ABCD，固相线为AHJECFD。
三条水平线包括：HJB为包晶线，含碳量在0.09％～0.53％的铁碳合金在平衡结晶过程中均可发生包晶反应，其反应式为LB＋δH⇔AJ。ECF为共晶线，含碳量为2.11％～6.69％的铁碳合金在平衡结晶过程中均可发生共晶反应，其反应式为LC⇔AE＋Fe3C；共晶产物是γ与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Le或Ld表示，结构为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆（图3-8）。PSK为共析线，亦称为A1线，含碳量为0.0218％～6.69％的铁碳合金在平衡结晶过程中均可发生共析反应，其反应式为AS⇔FP＋Fe3C；共析转变的产物是α与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示，珠光体的组织特点是α相与Fe3C相呈片层相间分布，性能介于两相之间（图3-9）。
图3-8 莱氏体
图3-9 珠光体
GS线、GP线为α⇔γ固溶体转变线，GS线又称A3线。HN线、JN线为γ⇔δ固溶体转变线。ES线为碳在γ-Fe中的固溶线，又称Acm线，铁碳合金在1148℃时含碳量为2.11％，而在727℃时只有0.77％，因此含碳量大于0.77％的铁碳合金从1148℃冷却到727℃的过程中就会析出二次渗碳体。PQ线为碳在α-Fe中的固溶线，铁碳合金在727℃时含碳量为0.0218％，而在室温时只有0.0008％，因此含碳量大于0.0008％的铁碳合金从727℃冷却至室温的过程中会析出三次渗碳体。
Fe-Fe3C相图的相区
Fe-Fe3C相图包括五个单相区：L、F、A、δ、Fe3C，七个两相区：L＋δ、L＋A、L＋Fe3C、δ＋A、A＋Fe3C、A＋F、F＋Fe3C，三个相区：HJB（L＋δ＋A）、ECF（L＋A＋Fe3C）、PSK（A＋F＋Fe3C）三条水平线。
典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图中的合金，按成分可分为三类：工业纯铁、碳钢和白口铸铁。工业纯铁含碳量＜0.0218％，其组织为单相铁素体；碳钢含碳量0.0218％～2.11％，其高温组织为单相γ，又可分为：亚共析钢 （碳含量为0.0218％～0.77％）、共析钢 （碳含量为0.77％）、过共析钢 （碳含量为0.77％～2.11％）；白口铸铁含碳量2.11％～6.69％，其铸造性能好，硬而脆，又可分为：亚共晶白口铸铁 （碳含量为2.11％～4.3％）、共晶白口铸铁 （碳含量为4.3％）、过共晶白口铸铁 （碳含量为4.3％～6.69％）。
交流与讨论
工业纯铁结晶过程示意图如图3-10所示。
图3-10 工业纯铁结晶过程示意图
工业纯铁的结晶过程是怎样的？其室温组织是什么？
1.工业纯铁的结晶过程
如图3-10所示，合金液体L在1～2点间匀晶转变为δ，3～4点间发生固溶体的同素异构转变δ→A，奥氏体的晶核一般首先在δ相的晶界上形成并长大。5～6点间又发生固溶体的同素异构转变A→F，同样铁素体也是在奥氏体的晶界上开始形核再长大。到7点，碳在铁素体中的溶解量达到饱和，因此当铁素体冷却到7点以下，从α中析出以不连续网状或片状分布于晶界的Fe3CⅢ。因Fe3CⅢ太少，可忽略不计，工业纯铁的室温组织则为F。
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共析钢结晶过程示意图如图3-11所示。
图3-11 共析钢结晶过程示意图
共析钢的结晶过程是怎样的？其室温组织是什么？
2.共析钢的结晶过程
如图3-11所示，合金液体L在1～2点间发生匀晶转变结晶出A。到3点 （S点）在恒温下发生共析转变：As⇔Fp＋Fe3C，A全部转变为珠光体。珠光体在光镜下呈指纹状（图3-12）。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。3点 （S点）以下，在缓慢冷却条件下共析F中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合在显微镜下不易分辨，而且数量也非常少，对珠光体的组织和性能没有明显的影响。共析钢的室温组织为P。
图3-12 珠光体
交流与讨论
亚共析钢结晶过程示意图如图3-13所示。
图3-13 亚共析钢结晶过程示意图
亚共析钢的结晶过程是怎样的？其室温组织是什么？
3.亚共析钢的结晶过程
如图3-13所示，含碳量为0.09％～0.53％的亚共析钢冷却时会发生包晶反应。以含碳量为0.45％的钢为例，合金在结晶过程中，冷却到1～2点的温度区内发生匀晶转变而结晶出δ固溶体。当冷却到2点时，δ固溶体含碳量为0.09％，液相L的含碳量为0.53％，温度为1495℃，于是液相L和δ固溶体在恒温下发生包晶反应，形成奥氏体。但因亚共析钢含碳量0.45％大于0.17％，所以包晶转变终了后仍有液相L存在，这些剩余的液相L在2～3点间继续结晶出奥氏体，此时液相L的成分沿着AB线变化，奥氏体成分则沿着GS线变化。温度降到3点，合金全部由含碳量为0.45％的奥氏体所组成。单相奥氏体继续冷却到4点，由奥氏体晶界上析出铁素体。随着温度下降，铁素体的数量不断增加，此时铁素体成分沿着GP线变化，而奥氏体成分沿着GS线变化。温度继续冷却到5点，与共析线相遇时，奥氏体的成分到达了S点，即含碳量为0.77％，在恒温下奥氏体发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，共析铁素体和珠光体中的铁素体中都析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合，且数量很少，可忽略不计。亚共析钢在室温下的组织为F＋P。铁碳合金的含碳量在0.0218％～0.77％范围内时，珠光体的量随含碳量增加而增加 （图3-14）。
图3-14 不同含碳量钢的组织
（a）含碳量为0.2％；（b）含碳量为0.45％；（c）含碳量为0.6％
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过共析钢结晶过程示意图如图3-15所示。
图3-15 过共析钢结晶过程示意图
过共析钢的结晶过程是怎样的？其室温组织是什么？
4.过共析钢的结晶过程
如图3-15所示，合金在1～2点温度间按匀晶转变为奥氏体，当冷却到3点碰到ES线时，开始从奥氏体中析出Fe3CⅡ。从奥氏体中析出的称为二次渗碳体，其沿奥氏体晶界呈网状分布。温度下降，Fe3CⅡ量增加。继续冷却到4点，奥氏体成分沿ES线变化到S点，即奥氏体的含碳量为0.77％，在恒温下余下的奥氏体发生共析反应转变为珠光体。过共析钢室温组织为P＋Fe3CⅡ（图3-16）。
图3-16 含碳量为1.4％的钢的组织
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共晶白口铸铁结晶过程示意图如图3-17所示。
图3-17 共晶白口铸铁结晶过程示意图
共晶白口铸铁的结晶过程是怎样的？其室温组织是什么？
5.共晶白口铸铁的结晶过程
如图3-17所示，共晶白口铸铁的含碳量为4.3％，合金冷却到1点 （C点）发生共晶反应全部转变为高温莱氏体（Le）或（Ld），高温莱氏体是共晶奥氏体与共晶Fe3C的机械混合物，呈蜂窝状。当冷却温度继续下降，碳在奥氏体中的溶解度不断降低，因此从共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，但因它附在共晶渗碳体上析出并长大，所以不易分辨。当温度降到2点时，奥氏体成分含碳量达到0.77％，在恒温下，共晶奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。2点以下，共晶体中珠光体的变化与共析钢相同。这种由珠光体与Fe3C组成的共晶体称为低温莱氏体，用L′e或L′d表示（图3-18）。低温莱氏体保持了高温莱氏体的形态特征，但组成相发生了改变。
图3-18 低温莱氏体
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亚共晶白口铸铁结晶过程示意图如图3-19所示。
图3-19 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图
亚共晶白口铸铁的结晶过程是怎样的？其室温组织是什么？
6.亚共晶白口铸铁的结晶过程
如图3-19所示，合金在1～2点温度间按匀晶转变析出奥氏体。奥氏体成分沿着JE线变化，而液相线沿着BC线变化，当温度继续下降到2点，液相成分变到共晶点 （C点），在恒温（共晶温度1148℃）下发生共晶反应转变为Le（或Ld）。温度冷却到2～3点，从奥氏体中析出Fe3CⅡ。随着Fe3CⅡ的不断析出，奥氏体的含碳量沿着ES线不断降低，当温度降到3点，奥氏体的成分也到达了S点，在恒温 （共析温度）下发生共析反应全部转变为珠光体。亚共晶白口铁室温组织为P＋Fe3C＋L′e。由初晶奥氏体析出的Fe3CⅡ与共晶Fe3C连成一片，不易分辨。
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过共晶白口铸铁结晶过程示意图如图3-20所示。
图3-20 过共晶白口铸铁结晶过程示意图
过共晶白口铸铁的结晶过程？其室温组织是？
7.过共晶白口铸铁的结晶过程
如图3-20所示，合金在1～2点间从液相L中析出Fe3C，这种渗碳体称为一次渗碳体，用Fe3CΙ表示，呈粗条片状。随着Fe3CΙ的增多，液相L成分沿着DC线变化。温度降到2点，余下的液相成分变到共晶点 （C点），并在恒温 （共晶温度）下发生共晶反应转变为Le（或Ld）。2点以下，共晶奥氏体先析出Fe3CⅡ，然后在恒温（共析温度）下发生共析反应转变为珠光体。Fe3CΙ成分重量不再发生变化，室温组织为Fe3CΙ＋L′e（图3-21）。
图3-21 室温组织Fe3CΙ＋L′e
8.组织组成物在铁碳合金相图上的标注
铁碳合金相图中主要有A＋Fe3C和F＋Fe3C两个相区，A＋Fe3C相区中有4个组织组成物区，F＋Fe3C相区中有4个组织组成物区（图3-22）。
图3-22 组织组成物在铁碳合金相图上的标注
9.含碳量对铁碳合金组织、性能的影响
1）含碳量对组织的影响
铁碳合金的室温组织随着含碳量的增加，组织的变化规律如下：
F＋P→P→P＋Fe3CⅡ→P＋Fe3CⅡ＋L′d→L′d＋Fe3CΙ
铁碳合金室温组织随着含碳量的增加，铁素体的相对量会减少，而渗碳体的相对量会增加。具体如下：对碳钢部分而言，随着含碳量的增加，亚共析钢中的铁素体减少，过共析钢的二次渗碳体反而增加；对铸铁部分来说，随着含碳量的增加，亚共晶白口铸铁珠光体和二次渗碳体减少，而高温莱氏体增加，过共晶白口铸铁中一次渗碳体增加而高温莱氏体减少 （图3-23）。
图3-23 铁碳合金中相与组织的变化规律
2）含碳量对力学性能的影响
亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降（图3-24）。
当含碳量为0.77％时，组织为100％P，钢的性能即P的性能。当含碳量大于0.9％时，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降，但硬度仍上升。当含碳量大于2.11％时，组织中有以Fe3C为基的L′e，合金太脆。
图3-24 含碳量对力学性能的影响
10.铁碳合金相图的应用
铁碳合金相图在钢铁材料选择方面起指导作用，因为它反映了铁碳合金的组织随成分变化的规律，从而可判断钢铁材料的力学性能。
铁碳合金相图在制定热加工工艺方面有一定的应用，具体如下。
（1）铸造方面。从铁碳合金相图可得知共晶成分的铁碳合金的熔点为最低，结晶范围最小，具有优良的铸造性能，因此选用接近共晶成分的铸铁在铸造生产中是常用的。根据铁碳合金相图，一般液相线以上50℃～100℃是铸造的合理浇铸温度。
（2）锻压方面。钢材的锻压、轧制等均选择在单相奥氏体区，因为根据铁碳合金相图可得钢在高温时处于奥氏体态，奥氏体的强度低、塑性好，有利于进行塑性变形。
（3）热处理方面。热处理的退火、正火和淬火的加热温度都是根据铁碳合金相图来确定的，因此它对于热处理工艺的制定有着重要的作用，具体情况在 “钢的热处理”这一章中会详细地阐述。
练习与实践
一、名词解释
珠光体 高温莱氏体 低温莱氏体
二、填空题
1.珠光体的本质是__________。
2.在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe3CⅡ最多的合金成分点为__________点，含
最多的是合金成分点为__________点。
三、简述与实践题
1.珠光体、高温莱氏体和低温莱氏体的结构、组织形态、性能各有什么特点？
2.为什么碳钢进行热锻、热轧时都要加热到奥氏体区？
3.默画出铁碳合金相图，标明C、S、B、E、F点的含碳量和ECF线、PSK线的温度，并标明各相区。
4.写出铁碳合金相图中E点、S点进行相变的反应式，指出反应的类型，说明其相变特点。
5.分析含碳量为0.5％、1.0％、3％和5％的铁碳合金的结晶过程。
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