铁碳合金状态图的分析

任务2　铁碳合金状态图的分析

一、铁碳合金状态图中的共晶反应和共析反应

铁碳合金状态图是一个较复杂的状态图，目前只讨论简化后的铁碳合金状态图，如图4－3所示。

在Fe－Fe₃C状态图中，ACD线是液相线，此线以上合金处于液相，用符号L表示。AECF线为固相线，此线以下合金处于固相。液相线和固相线之间各区分别是液相与奥氏体（L＋A）和液相与渗碳体（L＋Fe₃C）。GS线是奥氏体开始析出铁素体的温度线（冷却时），或者铁素体全部转变为奥氏体的温度线（加热时），常称为A₃线。ES线是从奥氏体中开始析出渗碳体的温度线（冷却时），或者奥氏体中渗碳体（或碳）的溶解度线，超过奥氏体溶解能力析出的渗碳体称为二次渗碳体，用Fe₃C_I或C_mI表示，ES线常称为A_cm线。PQ线是铁素体中渗碳体（或碳）的溶解度线。从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体，用Fe₃C_Ⅱ或C_mⅡ表示。ECF线是共晶反应线，PSK线是共析反应线，常称为A₁线。

图4－3　简化后的Fe－Fe₃C状态图

1．共析反应

铁碳合金中碳的质量分数为0．77%的奥氏体，在缓慢冷却至PSK线（727℃）时，在恒温下将同时析出铁素体和渗碳体的共析混合物，即

这种反应称为共析反应，PSK线称为共析反应线，S点称为共析点，反应产物称为共析体。铁元素与渗碳体组成的共析体称为珠光体，一般用P表示。

珠光体是由强度低、塑性好的铁素体和硬度高、脆性大的渗碳体混合而成的，其性能介于铁素体与渗碳体之间，即强度较高，又有相当好的塑性、韧度和硬度，因此，其具有较好的综合力学性能。

2．共晶反应

碳的质量分数为4．3%的液态铁碳合金（状态图中C点），冷却时会同时结晶出奥氏体和渗碳体两相混合物，即这种反应称为共晶反应，ECF线称为共晶反应线，C点称为共晶点，反应产物称为共晶体。由奥氏体与渗碳体组成的共晶体称为莱氏体，一般用L_d表示。

铁碳合金状态图中主要点、线含义归纳在表4－1和表4－2中。

表4－1　铁碳状态图中各点的温度、碳的质量分数及含义

表4－2　铁碳状态图中各线的含义

二、钢中典型铁碳合金的平衡结晶过程

根据铁碳合金状态图，按其碳的质量分数和组织的不同，可将铁碳合金分为三类。

（1）工业纯铁（w_C≤0．021 8%）。含有C_mⅡ甚少，可忽略不计，性能与纯铁相似。

（2）钢（0．021 8%＜w_C＜2．11%）。

钢又可以根据室温组织的特点，以S点为界分为三类：①亚共析钢（0．021 8%＜w_C＜0．77%）；②共析钢（w_C＝0．77%）；③过共析钢（0．77%＜w_C＜2．11%）。

（3）白口铸铁（2．11%＜w_C≤6．69%）。

根据白口铸铁的特点，也可以C点为界分为三类：①亚共晶白口铸铁（2．11%＜w_C＜4．3%）；②共晶白口铸铁（w_C＝4．3%）；③过晶白口铸铁（4．3%＜w_C≤6．69%）。

下面分析钢中几种典型铁碳合金的结晶过程和室温组织，典型合金的成分如图4－4所示。

图4－4　铁碳合金状态图钢中的典型合金

1．共析钢（w_C＝0．77%）

共析钢结晶过程如图4－5所示。图4－4所示合金Ⅰ为共析钢，在1点温度以上为液相，温度低于1点开始析出奥氏体A，1～2点温度之间为液相L与奥氏体A共存，到2点温度全部转变为A_wC＝0．77%。2～3点温度间组织成分不变，冷却到3点温度后奥氏体A发生共析转变，在奥氏体A全部转变为珠光体P后，温度才会继续下降，之后如不考虑铁素体F析出的二次渗碳体，可认为组织不再发生变化。共析钢的平衡组织为珠光体P，珠光体呈片状，如图4－5所示。共析钢室温时平衡状态显微组织如图4－6所示。

珠光体P由铁素体F和渗碳体Fe₃C两相组成，根据计算铁素体约占88%，渗碳体约占12%。

图4－5　共析钢的结晶过程组织转变示意图

图4－6　共析钢室温时平衡状态显微组织

由此可知，珠光体中大部分是铁素体F，渗碳体Fe₃C呈白亮色薄片状，如图4－6所示，当放大倍数较低时，渗碳体Fe₃C薄片层难以辨认，只能看到在灰白色的铁素体F基体上，分布着黑色线条的渗碳体（黑色线条实质上是F和Fe₃C的相界），当放大倍数足够大时，就能观察到白亮色的渗碳体Fe₃C。

2．亚共析钢（0．021 8%＜w_C＜0．77%）

图4－7所示为亚共析钢的结晶过程组织转变示意图。图4－4中所示Ⅱ为亚共析钢。在与GS线相交的3点温度以前，结晶过程与共析钢的结晶过程相似，转变为单相奥氏体A，到3点温度后奥氏体A开始析出铁素体F，该铁素体F称为先共析铁素体。奥氏体A和铁素体F的成分分别沿GS线和GP线变化。冷却到与PSK相交的4点温度时，铁素体F和奥氏体A中碳的质量分数分别为0．021 8%和0．77%。此时，奥氏体A发生共析反应生成珠光体P，铁素体F不变。降至室温时的组织为白色块状铁素体F与黑色块状的珠光体P，如图4－8所示。在亚共析钢中，随着碳的质量分数的增加而珠光体P的数量也增加，当wC＞0．6%时，白色块状铁素体F呈白色网状，把黑色珠光体包围在其中。

图4－7　亚共析钢的结晶过程组织转变示意图

图4－8　亚共析钢的结晶过程组织转变示意图

如图4－8所示，根据亚共析钢的显微组织，可以近似估算出碳的质量分数，铁素体F中碳的质量分数极低，可忽略不计，设珠光体P在视场中所占面积百分比为P%，则亚共析钢中碳的质量分数可计算如下：

w_C＝P%×0．77%

3．过共析钢（0．77%＜w_C≤2．11%）

过共析钢结晶过程如图4－9所示。图4－4所示Ⅲ为过共析钢。在与ES线相交的3点温度前，结晶过程也与共析钢的结晶过程相似，转变为单相奥氏体A，到3点温度后奥氏体A开始析出二次渗碳体Fe₃C_Ⅱ；在3～4点间的组织是由奥氏体A与二次渗碳体Fe₃C_Ⅱ两相组成的，奥氏体A的成分随ES线变化，当冷却到4点温度时，奥氏体A中碳的质量分数为0．77%，发生共析转变生成珠光体P，其组织为白色网状二次渗碳体Fe₃C_Ⅱ分布在珠光体P周围形成，继续冷却时组织不再变化，如图4－10所示。

图4－9　过共析钢的结晶过程组织转变示意图

图4－10　过共析钢室温平衡状态显微组织

在共析钢中，随着碳的质量分数的增加，网状二次渗碳体Fe₃C_Ⅱ也增加，并逐步粗化。