磷共晶和渗碳对比图

第3章　铁碳相图

铁碳合金主要是由铁和碳两种元素组成的合金，它是现代工业中应用最广泛的金属材料。钢和铁（生铁、铸铁）均属铁碳合金范畴。不同成分的铁碳合金，在不同的温度下，具有不同的组织，因而表现出不同的性能。为了铁碳合金的成分、组织和性能的关系，必须研究铁碳合金相图。

3.1　铁碳合金的基本组织与性能

铁是具有同素异构的金属。低于912℃时，Fe呈体心立方晶格（α-Fe），在912～1 394℃时，Fe呈面心立方晶格（γ-Fe），在1 394～15 383℃时，Fe又呈体心立方晶格（δ-Fe）。

铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时碳能溶于铁的晶格中，形成间隙固溶体。当含碳量超过铁的溶解度时，多余的碳便与铁形成化合物Fe3 C。此外，还可以形成固溶体与Fe3 C组成的机械混合物。铁碳合金的基本组织有5种。

（1）铁素体

碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号α或F表示。它仍保持α-Fe的体心立方晶格。因为α-Fe的间隙半径很小，所以溶碳能力很小，在727℃时最大w C仅为0.021 8%，室温时降至0.000 8%。

由于铁素体的溶碳能力小，所以它的性能几乎与纯铁相同，即强度、硬度低，塑性较好。在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒。铁素体在770℃以下具有铁磁性，而在770℃以上则失去铁磁性。

（2）奥氏体

碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A或γ表示。它仍保持γ-Fe的面心立方晶格。由于γ-Fe的间隙半径较大，所以溶碳能力比α-Fe强，在727℃时w C为0.77%；1 148℃时w C达到2.11%的最大值。

奥氏体的强度、硬度较低，并具有良好的塑性和较低的变形抗力，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工的理想组织。稳定的奥氏体在钢中存在的最低温度是727℃。在显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多边形，其晶界较铁素体平直。

（3）渗碳体

铁与碳形成的稳定化合物Fe3 C称为渗碳体，它是一种具有复杂晶体结构的金属化合物。

渗碳体的含碳量为6.69%，硬度很高（＞800 HB），塑性和韧性几乎为零，脆性很大。渗碳体不能单独使用，在钢中总是与铁素体混合在一起，是钢中的主要强化相，它的数量、形态（片状、粒状、网状等）、大小和分布对钢的性能有很大影响。渗碳体在一定条件下可以分解成铁和石墨。

（4）珠光体

珠光体是铁素体薄层（片）与碳化物（包括渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的共析组织。珠光体平均含碳量为0.77%。由于细晶强化和第二相强化作用，珠光体组织具有较高的强度和硬度（σb= 770 MPa，180 HB），又具有一定的塑性和韧性（δ= 20%～35%，A KU= 24～32 J），是一种综合力学性能较好的组织。

珠光体适于压力加工及切削加工。

（5）莱氏体

含碳量为4.3%的液态合金，当温度缓慢冷却到1 148℃时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶体，称为高温莱氏体，用符号Ld表示。冷却到727℃是奥氏体转变为珠光体，所以室温下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体，或变态莱氏体，用符号L′d表示。

莱氏体含Fe3 C 64%以上，硬度很高（＞700 HB），塑性很差，脆性很大，是白口铁的基本组织。

在铁碳合金5种基本组织中，铁素体、奥氏体、渗碳体都是单相组织，是基本相，而珠光体、莱氏体是由基本相混合组成的两相组织。

3.2　铁碳合金相图

铁碳合金相图是研究钢、生铁（铸铁）的基本工具。钢的含碳量小于2.11%，生铁（铸铁）的含碳量为2.11%～6.69%，大于6.69%的铁碳合金工业上没有使用价值。因此，目前铁碳合金相图的含碳量不是0～100%的完整的图形，而只研究0～6.69% C的部分，即Fe作为一个组元，含碳量6.69%的Fe3 C作为另一组元的Fe-Fe3 C二元合金相图。Fe-Fe3 C相图的左上角部分为包晶相图，生产中使用意义不大，为便于研究分析，将其进行简化，便得到简化后的Fe-Fe3 C相图，如图1.3.1所示。

3.2.1　Fe-Fe3 C相图分析

Fe-Fe3 C相图与其他二元合金相图一样，纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分，含碳量为0～6.69%，其中包含共晶和共析两种典型反应。

Fe-Fe3 C相图中各特性点的含义见表1.3.1，Fe-Fe3 C相图中特性线见表1.3.2。应当指出，相图中各特性点的符号是国际通用的，不能随便更换。

图1.3.1　简化后的Fe-Fe3 C相图

表1.3.1　Fe-Fe3 C相图中的主要特性点

表1.3.2　简化的Fe-Fe3 C相图中的特性线

根据特性点和特性线的分析，简化Fe-Fe3 C相图主要有4个单相区：L，A，F，Fe3 C；5个双相区：L+ A，A+ F，L+ Fe3 C，A+ Fe3 C，F+ Fe3 C。

3.2.2　典型铁碳合金结晶过程分析

（1）铁碳合金分类

根据含碳量和室温组织特点，铁碳合金可分为3类：

①工业纯铁　w C≤0.021 8%，组织为F。

②钢　0.021 8%≤w C≤2.11%，特点是高温固态组织为奥氏体，根据室温组织特点不同，又可分为3种：

a.亚共析钢　0.021 8%＜w C＜0.77%，组织为F+ P；

b.共析钢　w C= 0.77%，组织为P；

c.过共析钢　0.77%＜w C＜2.11%，组织为P+ Fe3 C。

③白口铸铁　2.11%＜w C＜6.69%，特点是高温均发生共晶反应生成莱氏体。按白口铸铁室温组织特点，也可分为3种：

a.亚共晶白口铁　2.11%＜w C＜4.3%，组织为P+ Fe3 CⅡ+ L′d；

b.共晶白口铁　w C= 4.3%，组织为L′d；

c.过共晶白口铁　4.3%＜w C＜6.69%，组织为Fe3 CⅠ+ L′d。

（2）典型铁碳合金结晶过程分析

为了进一步了解铁碳合金的结晶过程及合金组织形成的规律，取几个典型成分的铁碳合金进行分析。

1）共析钢（w C= 0.77%）

图1.3.2中合金Ⅰ为共析钢，其冷却时组织转变过程如图1.3.3所示。当温度冷却到1点时，开始从液相中结晶出奥氏体，降至2点时液体全部转变为奥氏体，合金冷却到3点时，奥氏体将发生共析反应，即A0.77→P（F+ Fe3 C）。温度继续下降，珠光体不再发生变化，其室温组织为珠光体。

图1.3.2　典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析

珠光体的典型组织是铁素体和渗碳体呈层片相间组成，其显微组织如图1.3.4所示。

2）亚共析钢

图1.3.3　共析钢组织转变过程示意图

图1.3.4　共析钢的显微组织

图1.3.2中合金Ⅱ（w C= 0.45%）为亚共析钢。合金在3点以上冷却过程与合金Ⅰ相似，缓冷至3点时，从奥氏体中开始析出铁素体。随着温度降低，铁素体量不断增多，成分沿GP线变化，奥氏体量不断减少，成分沿GS线变化。温度降到PSK线时，剩余的奥氏体含碳量达到共析成分0.77%，即发生共析反应，转变为珠光体。4点以下冷却过程中，组织不再发生变化。因此，亚共析钢的室温显微组织是铁素体和珠光体，其冷却过程组织转变过程如图1.3.5所示。

图1.3.5　亚共析钢组织转变过程示意图

由于含碳量不同，亚共析钢组织中铁素体和珠光体的相对量不同。随着含碳量的增加，珠光体量增多，铁素体量减少。亚共析钢的显微组织如图1.3.6所示。

3）过共析钢

图1.3.2中合金Ⅲ（w C= 1.2%）为过共析钢。合金Ⅲ在3点以上的冷却过程与合金Ⅰ相似，当合金缓冷至3点时，奥氏体中含碳量达到饱和，继续冷却时，从奥氏体晶界中析出二次渗碳体，呈网状分布。随温度下降，Fe3 C不断增多，奥氏体成分沿ES线变化，温度降至PSK线时，奥氏体含碳量达到0.77%，即发生共析反应，转变成珠光体。4点以下至室温，组织不再发生变化。过共析钢的组织转变过程如图1.3.7所示，其室温组织是珠光体和网状二次渗碳体。

所有过共析钢的结晶过程均与合金Ⅲ相似，只是随着含碳量不同，最终组织中珠光体和二次渗碳体的相对量也不同，图1.3.8为过共析钢在室温时的显微组织。

图1.3.6　亚共析钢的显微组织

图1.3.7　过共析钢组织转变过程示意图

图1.3.8　过共析钢的显微组织

4）共晶白口铁

图1.3.2中合金Ⅳ（w C= 4.3%）为共晶白口铁。合金Ⅳ在1点以上是液相，当温度降至ECF（1 148℃）线时，液态合金发生共晶反应，即LC→Ld（A2.11+ Fe3 C），结晶出莱氏体。在1点以下，碳在奥氏体中的溶解度不断下降，二次渗碳体从共晶奥氏体中析出，但因共晶奥氏体的颗粒细小，并且被共晶渗碳体包围，因此所析出的二次渗碳体依附在共晶渗碳体上而无法分辨。当温度降至2点时，共晶奥氏体的含碳量降至0.77%，奥氏体发生共析转变，形成珠光体。因此，共晶白口铁室温组织是由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成的混合物，称为变态莱氏体（低温莱氏体），用L′d表示。其结晶过程如图1.3.9所示。

图1.3.9　共晶白口铁组织转变过程示意图

室温下共晶白口铁显微组织如图1.3.10所示。图中黑色部分为珠光体，白色部分为渗碳体。

图1.3.10　共晶白口铁的显微组织

5）亚共晶白口铁

2.11%＜w C＜4.3%，结晶过程与共晶白口铁基本相同，区别是共晶转变之前有先结晶相A形成，因此其室温组织为P+ Fe3 CⅡ+ L′d。结晶过程如图1.3.11所示，显微组织如图1.3.12所示，图中黑色点状、树枝状为珠光体，黑白相间的为莱氏体，二次渗碳体与共晶渗碳体在一起，难于分辨。

图1.3.11　亚共晶白口铁组织转变过程示意图

图1.3.12　亚共晶白口铁的显微组织

6）过共晶白口铁

4.3%＜w C＜6.69%，结晶过程同合金Ⅳ基本相似，只是在共晶转变前从液体中先结晶出一次渗碳体，其室温组织为：Fe3 CⅠ+ L′d。结晶过程如图1.3.13所示，显微组织如图1.3.14所示，图中白色板条状为一次渗碳体，基体为变态莱氏体。

图1.3.13　过共晶白口铁组织转变过程示意图

图1.3.14　过共晶白口铁的显微组织

3.3　铁碳合金相图的应用

3.3.1　含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律

（1）含碳量对平衡组织的影响

通过对铁碳合金结晶过程分析，铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，随着含碳量的增加，铁素体不断减少，而渗碳体逐渐增加，并且由于形成条件不同，渗碳体的形态和分布状态有所变化。

室温下随着含碳量增加，铁碳合金平衡组织变化规律如下：

F→F+ P→P→P+ Fe3 CⅡ→P+ Fe3 CⅡ+ L′d→L′d→L′d+ Fe3 CⅠ

可见，随着含碳量增加，不仅渗碳体数量增加，而且，渗碳体形态也在发生变化。在亚共析钢和共析钢中，渗碳体呈片状或粒状（球状）形式分布在铁素体基体上（珠光体），含碳量超过0.77%时，渗碳体呈网状分布在晶界上，当形成莱氏体时，渗碳体又成为基体。

（2）含碳量对力学性能的影响

在铁碳合金中，渗碳体是强化相，当合金基体为铁素体时，渗碳体数量越多，合金的强度和硬度越高，但塑性和韧性有所下降。当渗碳体明显地以网状形态分布在珠光体边界上，尤其是作为基体或以条状形态存在时，铁碳合金的塑性和韧性急剧下降，强度也随之降低，这是高碳钢和白口铸铁脆性高的原因。

含碳量对碳钢的力学性能的影响如图1.3.15所示。随着含碳量增加，钢的强度、硬度增大，而塑性和韧性下降，这是组织中渗碳体量不断增多，铁素体量不断减少的缘故。当w C＞0.9%时，钢的硬度不断增加，但由于二次网状渗碳体的存在，其强度明显下降。

图1.3.15　含碳量对钢的力学性能影响

为保证工业上应用的钢具有足够的强度并具有一定的塑性和韧性，其含碳量一般都不超过1.3%～1.4%。含碳量大于2.11%的白口铸铁又硬又脆，难以进行切削加工，应用较少，绝大多数作为炼钢原料。

3.3.2　铁碳相图的应用

相图是分析钢铁材料平衡组织和制订钢铁材料各种热加工工艺的基础资料，在生产实践中具有重大的现实意义。

（1）合理选材

相图表明了钢铁材料成分、组织变化规律，据此可判断出力学性能变化特点，从而为选材提供可靠的依据。例如，要求塑性、韧性好、焊接性能良好的材料，应选低碳钢；而要求硬度高、耐磨性好的各种工具钢，应选含碳量较高的钢。

（2）制订各种热加工工艺

1）铸造生产

相图可估算钢铁材料的浇注温度，一般在液相线以上50～100℃；由相图可知，共晶成分的合金结晶温度较低，结晶温度区间最小，流动性好，体积收缩小，易获得组织致密的铸件，通常选择共晶成分的合金作为铸造合金。

2）锻造工艺

相图可作为确定钢的锻造温度范围依据。通常把钢加热到奥氏体单相区，塑性好，变形抗力小，易于成形。一般始锻温度控制在固相线以下100～200℃范围内，而终锻温度亚共析钢控制在GS线以上，过共析钢应在稍高于PSK线以上。

3）焊接工艺

焊接时焊缝及热影响区受到不同程度的加热和冷却，组织和性能会发生变化，相图可作为研究其变化规律的理论依据。

4）热处理工艺

相图是制订各种热处理工艺加热温度的重要依据。

（3）Fe-Fe3 C相图的局限性

①相图只反映了平衡条件下组织转变规律，它没有体现出时间的作用，因此实际生产中，冷却速度较快时不能用此相图分析问题。

②相图只反映了铁碳二元合金中相平衡的关系，若钢中有其他合金元素，其平衡关系会发生变化。

③相图不能反映实际组织状态，它只给出了相的成分和相对量的信息，不能给出形状、大小、分布等特征。