铁碳合金的相图及其应用

铁碳合金相图是用实验数据绘制而成的。通过实验对一系列不同含碳量的合金进行热分析，测出其在缓慢冷却过程中熔液的结晶温度和固态组织的转变温度，并标入温度—含碳量坐标图中。然后再把相应的温度转折点连接成线，就成为铁碳合金相图（或铁碳合金状态图）。图1－7为简化了的铁碳合金相图，略去了δ－Fe的转变和铁素体的成分变化。此外，因为碳的质量分数大于6.69%的铁碳合金，在工业上没有实用意义，铁碳合金相图成分轴仅标出碳的质量分数小于6.69%的合金部分，所以其实际上是Fe－Fe3 C合金相图。

图1－7　Fe－Fe3 C合金相图

从铁碳合金相图中可以了解到含碳量、温度和结晶组织之间的关系。它是研究铁碳合金和制订热加工工艺的重要工具。

1.铁碳合金相图中点和线的意义

（1）ACD——液相线。合金熔液冷却到此线时开始结晶，此线以上为液相区。

（2）AECF——固相线。合金体冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固相区。

（3）GS——代号A3。奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体，使奥氏体的碳的质量分数沿此线向0.77%递增。

（4）ES——代号Acm。奥氏体冷却到此线时，开始析出二次渗碳体（Fe3 CⅡ），使奥氏的碳的质量分数沿此线向0.77%递减。

（5）PSK——共析线，代号A1。各种成分的合金冷却到此线时，其中奥氏体的碳的质量分数都达到0.77%并分解成珠光体。

（6）S——共析点。碳的质量分数为0.77%的奥氏体冷却到此点时，在恒温下分解成为渗碳体与铁素体所组成的混合物，即珠光体。

（7）C——共晶点。碳的质量分数为4.3%的合金熔液冷却到此点时，在恒温下结晶成为奥氏体与渗碳体所组成的混合物，即莱氏体。

2.缓慢冷却过程中不同成分铁碳合金组织的转变

铁碳合金相图中，碳的质量分数低于2.11%的部分属于钢，碳的质量分数为2.11%～6.69%的部分属于铸铁。

1）钢的组织转变

任何一种成分的钢液冷却到AC线时，就开始结晶出奥氏体。随温度的下降，奥氏体不断增加，钢液逐渐减少。当冷却到AE线时，结晶完毕，全部成为均匀的奥氏体。由此可见，不同成分的钢液是在不同的温度范围内凝固的。在AC线至AE线的温度区间内同时存在熔液和奥氏体。

在AE线到GSE线的温度区间，含碳量不同的奥氏体不发生组织变化。当冷却到GSE线时，根据奥氏体含碳量的不同才分别发生不同的组织转变：

（1）共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数为0.77%，当冷却到S点时，就全部转变为珠光体P。

（2）亚共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数低于0.77%，当冷却到GS线时，开始析出铁素体。随着温度下降，铁素体不断增加，奥氏体逐渐减少。当冷却到PS线时，铁素体析出完毕，剩余的奥氏体碳的质量分数变为0.77%，就转变为珠光体。因此，GS线与PS线之间的结晶组织为铁素体和奥氏体，PS线以下的结晶组织为铁素体和珠光体。这种组织的钢称为亚共析钢。

（3）过共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数为0.77%～2.11%，当冷却到ES线时，开始析出二次渗碳体Fe3 CⅡ。随着温度下降，二次渗碳体不断增加，奥氏体逐渐减少。当冷却到SK线时，二次渗碳体析出完毕；剩余的奥氏体碳的质量分数变为0.77%，就转变为珠光体。因此，ES线与SK线之间的结晶组织是二次渗碳体和奥氏体，SK线以下的结晶组织是二次渗碳体和珠光体。这种组织的钢称为过共析钢。

2）铁碳合金相图中的铸铁组织(www.xing528.com)

在铁碳合金相图中，铸铁的结晶组织有以下三种。

（1）亚共晶铸铁。亚共晶铸铁的碳的质量分数为2.11%～4.3%，结晶组织为奥氏体、二次渗碳体和莱氏体。

（2）共晶铸铁。共晶铸铁的碳的质量分数为4.3%，结晶组织为莱氏体。

（3）过共晶铸铁。过共晶铸铁的碳的质量分数为4.3%～6.69%，结晶组织为一次渗碳体（Fe3 CⅠ）和莱氏体。

铸铁组织的特点是都含有莱氏体。在ECF线与SK线之间的莱氏体是奥氏体与渗碳体组成的混合物；在SK线以下的莱氏体是珠光体与渗碳体组成的混合物。由于莱氏体中渗碳体占大多数，而且连成一片，奥氏体或珠光体则孤立地分布在渗碳体中，生产上把这三种铸铁统称为白口铸铁。在727℃以上的白口铸铁组织是由奥氏体和渗碳体组成的，727℃以下的白口铸铁组织是由珠光体和渗碳体组成的。

3.钢的含碳量对力学性能的影响

低碳钢的强度和硬度较低，而塑性和韧性则很高。原因是低碳钢的结晶组织大多数是铁素体。随着含碳量的增加，铁素体逐渐减少，而珠光体不断增加，因此，钢的塑性和韧性急剧下降，而强度和硬度直线上升。当碳的质量分数增加到0.9%时，钢的组织绝大多数是珠光体。并由尚未成为网状的微量二次渗碳体所强化，使钢的强度达到了最高值。随着含碳量的增加，网状的二次渗碳体也不断增加，钢的硬度继续上升，强度、塑性与韧性一起下降。这不仅会使得钢的使用性能不佳，而且锻压加工也较为困难。所以常用碳素钢的碳的质量分数不超过1.4%。

4.铁碳合金相图的应用

铁碳合金相图对工业生产具有指导意义，为选材，制订铸造、锻造、焊接、热处理等加工工艺提供了重要的理论依据，如图1－8所示。

图1－8　Fe－Fe3 C合金相图与热加工工艺规范的关系

1）在选择材料方面的应用

铁碳合金相图反映了合金的组织、性能随成分变化的规律，根据组织可以判断大致性能，从而合理选择材料。桥梁、船舶及各种建筑结构和各种型钢需要塑性、韧性好的材料，应选用碳的质量分数小于0.25%的钢材；对工作中需要承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，要求综合力学性能较高的材料，应选用碳的质量分数为0.30%～0.50%的钢材；制造各种切削刀具、模具及量具时，需要高的硬度、耐磨性，则应选用碳的质量分数为0.70%～1.2%的钢材。

对于白口铸铁来说，其耐磨性好，铸造性能优良，适用于不受冲击、耐磨、形状复杂的铸件，如冷轧辊、火车车轮等。除此之外，白口铸铁还用作生产可锻铸铁的毛坯。

2）制订热加工工艺方面的应用

（1）在铸造工艺方面，根据铁碳合金相图可以确定合金的浇注温度。一般在液相线以上50℃～100℃，合金的铸造性能取决于结晶温度范围的大小，结晶温度范围越大，铸造性能越差。由铁碳合金相图可知共晶成分的合金，其凝固温度的间隔最小（为零），故流动性好，分散缩孔较少，可以获得致密的铸件。因此，在铸造生产中，接近共晶成分的铸铁被广泛应用。此外，在铸钢生产中，碳的质量分数规定在0.15%～0.60%，因为在这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。

（2）在锻造工艺方面，钢在室温时组织为两相混合物，塑性差，变形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态才能有较好的塑性，因此，钢材的锻造或轧制应选择在具有单相奥氏体的温度范围内进行。一般始锻温度控制在固相线以下100℃～200℃，温度不宜太高，以免钢材氧化严重；而终锻温度对亚共析钢应控制在稍高于GS线以上，对于过共析钢应控制在稍高于PSK线以上，温度不能过低，以免使钢材塑性差而导致产生裂纹。一般始锻温度为1150℃～1250℃，终锻温度为750℃～850℃。

（3）在焊接工艺方面，焊接性能主要与钢的含碳量有关。含碳量越高，组织中渗碳体量越多，焊接性能越差。通常低碳钢与低合金钢焊接性能较好，高碳钢和白口铸铁焊接性能较差。

（4）在热处理工艺方面，各种热处理工艺与铁碳合金相图有密切关系，可以根据铁碳合金相图制订退火、正火、淬火的加热温度范围。

必须指出，铁碳合金相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律。相图上各相的相变温度都是在所谓的平衡（即极缓慢的加热和冷却）条件下得到的。另外，通常使用的铁碳合金中除含铁、碳两元素外，还有其他多种杂质或合金元素，这些元素对相图将有影响，应予以考虑。