铁碳合金状态图

2.3.1 铁碳合金的基本组织

1.铁素体（F）

碳溶于α－Fe中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用符号F表示。其晶粒在显微镜下呈现均匀明亮、边界平缓的多边形特征。由于α－Fe具有体心立方晶格，原子间隙较小，所以溶碳能力很小，在727℃时溶碳最多为w（C）=0.021 8％，室温下约为0.008％，铁素体的性能与纯铁相近，强度、硬度较低（ReL=180MPa～280MPa，50HBW～80HBW），而塑性、韧度较高（A=30％～50％，KU=128J～160J）。以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性变形成形加工。

2.奥氏体（A）

奥氏体是碳溶于γ－Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。其显微组织为边界比较平直的多边形晶粒。γ－Fe的溶碳能力较强，在727℃时碳的溶解度可达w（C）=0.77％，随着温度的升高，溶解度增加，到1 148℃时达到最大，w（C）=2.11％。奥氏体的强度、硬度较高（Rm≈400MPa，160HBW～200HBW），塑性、韧度也较高（A=40％～50％）。在生产中，钢材大多数要加热至高温奥氏体状态进行压力加工，因其塑性好而便于成形。

3.渗碳体（Fe3C）

铁与碳形成的金属化合物称为渗碳体，用符号Fe3C表示。渗碳体w（C）=6.69％，是一种具有复杂晶格结构的化合物。渗碳体硬度很高（约800HV），脆性很大，几乎没有塑性，不能单独使用。通常以片状、粒状、网状、带状等形态分布于铁碳合金中，对铁碳合金的性能有着很大的影响。

通常把铁碳合金中的渗碳体分为：一次渗碳体Fe3CⅠ（由液体中直接结晶出来的）、二次渗碳体Fe3CⅡ（由奥氏体中析出）、三次渗碳体Fe3CⅢ（由铁素体中析出）、共晶渗碳体Fe3C共晶（共晶转变形成）、共析渗碳体Fe3C共析（共析转变形成）。它们的来源和形态虽有所不同，但本质并无区别，其含碳量、晶体结构和本身性质完全相同。

4.珠光体（P）

由铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号P表示。其显微组织为铁素体与渗碳体层片相间。珠光体的平均含碳量w（C）=0.77％，力学性能介于渗碳体与铁素体之间，强度、硬度较高（Rm=770MPa，180HBW），具有一定塑性和韧度（A=20％～35％，KU=24J～32J），是一种综合力学性能较好的组织。

5.莱氏体（Ld）

莱氏体是铁碳合金中的共晶混合物。其平均含碳量w（C）=4.3％，当w（C）=4.3％的铁碳合金从液态缓冷至1 148℃时，将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，也称为高温莱氏体。高温莱氏体缓慢冷却至727℃时，其中的奥氏体将转变为珠光体，形成了珠光体与渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号L′d表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，韧度极低。

2.3.2 简化后的Fe－Fe3C相图

Fe－Fe3C相图是指在极其缓慢冷却的条件下，铁碳合金（w（C）＜6.69％）的组织状态随温度变化的图解。实际研究和分析时，为了简明实用，常将图中左上角部分简化，即得到简化后的Fe－Fe3C相图，如图2－16所示。

2.3.3 Fe－Fe3C相图分析

1.坐标

Fe－Fe3C相图中纵坐标为温度，横坐标为成分（碳的质量分数）。横坐标的左端表示碳的质量分数为零，即100％的纯铁，右端w（C）=6.69％，即100％的Fe3C。横坐标上的任何一点，均表示一种成分的铁碳合金。

2.特性点

相图中具有特殊意义的点称为特性点。简化Fe－Fe3C相图中的各特性点见表2－2。

图2－16 简化的Fe－Fe3C相图

表2－2 简化的Fe－Fe3C相图中的特性点

3.特性线

相图中各不同成分的合金具有相同意义的临界点的连接线称为特性线。简化的Fe－Fe3C相图中各特性线的符号、位置和意义介绍如下。

（1）ACD线。液相线，在此线以上合金处于液体状态，用符号“L”表示。铁碳合金冷却到此线时开始结晶，在AC线下从液相中结晶出奥氏体，在CD线下从液体中结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示。

（2）AECF线。固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。

（3）ECF水平线。共晶线，在此线上的液态合金冷却时将发生共晶转变，其反应式为

共晶转变是在恒温下进行的，其产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。凡w（C）＞2.11％的铁碳合金冷却至1 148℃时，均将发生共晶转变而形成莱氏体。

（4）PSK水平线。共析线又称A1线。在这条线上，固态奥氏体将发生共析转变，其反应式为

共析转变也是在恒温下进行的，反应产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号P表示。凡是w（C）＞0.021 8％的铁碳合金冷却至727℃，奥氏体必将发生共析转变而形成珠光体组织。

（5）GS线。GS线又称A3线，是w（C）＜0.77％的铁碳合金冷却时，由奥氏体中开始析出铁素体的转变线。随着温度的下降，析出的铁素体量增多，奥氏体的含量减小。

（6）ES线。ES线又称Acm，是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线。奥氏体在1 148℃时的溶碳量为w（C）=2.11％，随着温度的下降，奥氏体的溶碳量逐渐减小，当温度为727℃时，溶碳量成为w（C）=0.77％。因此，凡是w（C）＞0.77％的铁碳合金，当温度由1 148℃降到727℃，均会由奥氏体中沿晶界析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体，用符号Fe3CⅡ表示。

（7）PQ线。碳在铁素体中的溶解度变化曲线，碳在铁素体中的溶解度在727℃时达到最大w（C）=0.021 8％，至600℃时降为w（C）=0.008％。因此铁素体从727℃冷却下来时，将会从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称为三次渗碳体，用符号Fe3CⅢ表示。由于Fe3CⅢ数量极少，故一般在讨论中予以忽略。

2.3.4 铁碳合金的分类

铁碳合金相图中的各种合金，按含碳量和室温组织的不同，一般分为以下三类。

1.工业纯铁

w（C）＜0.021 8％，其显微组织为单相铁素体。

2.钢

w（C）=0.021 8％～2.11％，其特点是高温固态组织为具有良好塑性的奥氏体，因而适宜于锻造。根据含碳量和室温组织不同，钢可分为三类。

（1）亚共析钢：0.021 8％≤w（C）＜0.77％，室温组织为铁素体+珠光体。

（2）共析钢：w（C）=0.77％，室温组织为珠光体。

（3）过共析钢：0.77％＜w（C）＜2.11％，室温组织为珠光体+渗碳体。

3.白口铁

w（C）=2.11％～6.69％，其特点是液态结晶时都有共晶转变，因而有较好的铸造性能。根据含碳量和室温组织的不同，白口铁又分为三类。

（1）亚共晶白口铁：2.11％≤w（C）＜4.3％，显微组织为珠光体+渗碳体+莱氏体。

（2）共晶白口铁：w（C）=4.3％，其显微组织为莱氏体。

（3）过共晶白口铁：4.3％＜w（C）＜6.69％，显微组织为莱氏体+一次渗碳体。

2.3.5 典型铁碳合金的结晶过程

1.共析钢的结晶过程

图2－16中合金Ⅰ表示共析钢（w（C）=0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），奥氏体的数量随温度的下降而增多。温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。2～S点之间，合金是单一奥氏体相。继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。727℃以下，珠光体基本上不发生变化。故室温下共析钢的组织为珠光体。共析钢的结晶过程如图2－17所示。

图2－17 共析钢结晶过程示意图

2.亚共析钢的结晶过程

图2－16中合金Ⅱ表示亚共析钢。合金在1点以上为液体。缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，而剩余奥氏体量逐渐减少。由于铁素体的溶碳量很小，所以铁素体析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加，沿着GS线变化。当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体的含碳量增加到了w（C）=0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。原铁素体不变保留在基体中。4点以下不再发生组织变化。故亚共析钢的室温组织为铁素体+珠光体。亚共析钢的结晶过程如图2－18所示。

必须指出，所有w（C）＜0.77％的亚共析钢，缓冷后的室温组织都是由铁素体和珠光体组成。但是由于它们的含碳量不同，所以组织中铁素体和珠光体量也不同。随着合金中含碳量增多，组织中铁素体量减少，而珠光体量增多。当含碳量增加到共析成分时，组织全部是珠光体。

图2－18 亚共析钢结晶过程示意图

3.过共析钢的结晶过程

如图2－16所示合金Ⅲ表示过共析钢。合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。在2～3点之间是含碳量为合金Ⅲ的奥氏体组织。缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。随着温度的不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳体愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。3～4点之间的组织为奥氏体+二次渗碳体。降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。在4点以下，合金的组织不再发生变化。故室温组织为珠光体+二次渗碳体。过共析钢结晶过程如图2－19所示。

图2－19 过共析钢结晶过程示意图

应当指出，凡是w（C）＞0.77％的过共析钢，缓冷后的室温组织是由珠光体和二次渗碳体组成。只是随着合金中含碳量的增加，二次渗碳体愈来愈多，珠光体愈来愈少。当w（C）=2.11％时，二次渗碳体的数量达到最大值。

2.3.6 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响

随着含碳量的增加，合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形式、分布也有变化，因此，合金力学性能也相应发生变化。

亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成，随含碳量的增加，其组织中珠光体的数量随之增加，因而强度、硬度逐渐升高，塑性、韧度不断下降。过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成，随含碳量的增加，其组织中珠光体的数量不断减少，而网状二次渗碳体的数量相对增加，因而强度、硬度上升，而塑性、韧度值不断下降。但是，当钢中w（C）＞0.9％时，二次渗碳体将沿晶界形成完整的网状形态，此时虽然硬度继续增高，但因网状二次渗碳体割裂基体，故使钢的强度呈迅速下降趋势。至于塑性和韧度，则随着含碳量的增加而不断降低。实际生产中，为了保证碳钢具有足够的强度，一定的塑性和韧度，w（C）一般不应超过1.3％～1.4％。

w（C）＞2.11％的铁碳合金，基本上都已成了硬脆的渗碳体，强度很低，塑性和韧度随渗碳体相对量的增加呈迅速下降趋势。

含碳量对碳钢力学性能的影响如图2－20所示。

图2－20 含碳量对碳钢力学性能的影响

2.3.7 Fe－Fe3C相图在工业中的应用

Fe－Fe3C相图从客观上反映了钢铁材料的组织随成分和温度变化的规律，因此在工程上为选材、用材及制订铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据，如图2－21所示。

1.在选材方面的应用

由Fe－Fe3C相图可见，铁碳合金中随着含碳量的不同，其平衡组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，就可以根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。例如，桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性好、韧度高的材料，可选用低碳的亚共析钢（w（C）=0.1％～0.25％）；对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，要求强度和韧度都比较高，可选用中碳的亚共析钢（w（C）=0.25％～0.6％）；制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、耐磨性，可选用高碳的共析、过共析钢（w（C）=0.77％～1.44％）。对于形状复杂的箱体、机器底座等可选选用熔点低、流动性好的铸铁材料。

图2－21 Fe－Fe3C相图与热加工工艺规范的关系

2.在铸造生产上的应用

参照Fe－Fe3C相图可以确定钢铁的浇注温度，通常浇注的温度应在液相线以上50℃～60℃为宜。在所有成分的合金中，以共晶成分的白口铁和纯铁铸造工艺性能最好。这是因为它们的结晶温度区间最小（为零），故流动性好，分散缩孔小，可使缩孔集中在冒口内，得到质量好的致密铸件。因此，在铸造生产中接近共晶成分的铸铁得到了较为广泛的应用。此外，铸钢也是常用的一种铸造合金，其含碳量为w（C）=0.2％～0.6％。由于其熔点高，结晶温度区间较大，故铸造工艺性能比铸铁差，常需经过热处理（退火或正火）后才能使用。铸钢主要用于制造一些形状复杂、强度和韧度要求较高的零件。

3.在锻压生产上的应用

钢在室温时的组织为两相混合物，塑性较差，变形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态，才具有较低的强度，较好的塑性和较小的变形抗力，易于锻压成型。因此，在进行锻压或热轧加工时，要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重。但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢较合适的锻轧加热温度范围是：变形开始温度为1 150℃～1 200℃；变形终止温度为750℃～850℃。

4.在焊接生产上的应用

焊接时，由于局部区域（焊缝）被快速加热，故从焊缝到母材各处的温度是不同的。根据Fe－Fe3C相图可知，温度不同，冷却后的组织性能就不同，为了获得均匀一致的组织性能，就需要通过焊后热处理来调整和改善。

5.在热处理生产上的应用

从Fe－Fe3C相图可知：铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。此外，奥氏体有溶解碳及其他合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其他化学热处理的缘故。