铁碳合金的平衡图

铁碳合金平衡图是表示在极其缓慢的加热或冷却条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形。它是表示铁碳合金的成分、温度和组织三者之间在平衡条件（极其缓慢的加热或冷却）下相互关系的图形，是认识铁碳合金性能、正确选用钢铁材料和制定铁碳合金的热加工工艺（如热处理、铸造、锻造）的重要依据。

图1-14　简化的Fe-Fe3C平衡图

由于含碳量wC＞6.69%的铁碳合金力学性能极差，工业上无实用价值。所以，目前应用的铁碳合金相图只是含碳0%～6.69%的部分，即以Fe作为一组元，以Fe3C作为另一组元的Fe-Fe3C二元合金平衡图。图1-14为简化的Fe-Fe3C平衡图。

1）Fe-Fe3C平衡图的分析

Fe-Fe3C平衡图的纵坐标表示温度，横坐标表示成分（含碳量）。平衡图中的每个点表示某种成分的铁碳合金在某个温度时的组织、状态或相。

（1）Fe-Fe3C平衡图的主要特性点。平衡图主要特性点的温度、成分、含义如表1-2所示。

表1-2　Fe-Fe3C平衡图的主要特性点

（2）Fe-Fe3C平衡图的主要特性线。

①ACD线——液相线。在此线以上合金处于液体状态，用L表示。冷却时含碳量小于4.3%的合金在AC线开始结晶出奥氏体；大于4.3%的合金在CD线开始结晶出一次渗碳体Fe3CⅠ。

②AECF线——固相线。在此线下方，铁碳合金全部结晶为固相。其中AE段为钢的固相线。

③ECF线——共晶线，也是生铁的固相线。液态合金冷却到此线都会发生共晶转变，形成莱氏体。

共晶转变是指一定成分的液相在恒温下同时结晶出两个固相的转变。其转变式为：

④GS线——A3线。它是含碳量小于0.77%的奥氏体和铁素体的相互转变线。在冷却过程中从奥氏体中析出铁素体。

⑤ES线——Acm线。它是碳在γ-Fe中的溶解度曲线，在1 148℃时，奥氏体的溶碳能力最大为2.11%，随温度降低，溶解度沿此曲线降低，到727℃时，奥氏体的含碳量为0.77%。在冷却过程中从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ。

⑥PSK线——共析线，又称A1线。奥氏体冷却到此线时发生共析转变，形成珠光体。

共析转变是指一定成分的固溶体在恒温下同时结晶出两种新固相的转变。其转变式为：(www.xing528.com)

2）铁碳合金的分类

根据铁碳合金中的含碳量不同，可将铁碳合金分为以下三类：

（1）工业纯铁。其成分在P点的左边，即wC＜0.021 8%的铁碳合金。在冷却过程中不发生共析转变，室温组织为铁素体。

（2）钢。钢的含碳量在P点和E点之间。其中，含碳量在S点的钢称为共析钢；含碳量在S点以左的钢称为亚共析钢；含碳量在S点以右的钢称为过共析钢。

此外，常根据含碳量把钢分为低碳钢（wC＜0.25%）、中碳钢（0.25%≤wC≤0.6%）和高碳钢（0.6%＜wC＜2.11%）。

（3）白口铁。白口铁的含碳量大于E点成分。白口铁在冷却过程中都要发生共晶转变，室温组织中都有低温莱氏体。

白口铁以C点为界又可分为三类：亚共晶白口铁（2.11%＜wC＜4.3%）、共晶白口铁（wC＝4.3%）、过共晶白口铁（4.3%＜wC＜6.69%）。

3）钢的结晶过程和组织转变

（1）钢的结晶过程。钢在AC线以上为液相。冷却到AC线开始结晶出奥氏体。结晶过程中的AC线和AE线之间，液相和奥氏体共存。随着温度下降，液相减少，奥氏体增多。冷却到AE线，结晶完毕。AE线以下，GS和ES线以上，钢的组织为单相奥氏体。

（2）钢的组织转变。

①共析钢的组织转变。共析钢组织在AE线到A1线之间为单相奥氏体，冷却到A1线时发生共析转变，形成珠光体。在A1线以下，共析钢的组织为珠光体。

②亚共析钢的组织转变。亚共析钢组织在AE线到A3线之间为单相奥氏体，冷却到A3线时开始出现铁素体。随着温度下降，铁素体逐渐增多，奥氏体逐渐减少。冷却到A1线，剩余的奥氏体全部转变为珠光体。在A1线以下，亚共析钢的组织为铁素体和珠光体。亚共析钢中含碳量越高，组织中珠光体越多，铁素体越少。亚共析钢的显微组织如图1-15所示。

图1-15　亚共析钢在室温下的平衡组织

③过共析钢的组织转变。过共析钢组织在AE线到Acm线之间为单相奥氏体，冷却到Acm线时开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体。随着温度下降，二次渗碳体逐渐增多，奥氏体逐渐减少。冷却到A1线，剩余的奥氏体全部转变为珠光体。在A1线以下，过共析钢的组织为二次渗碳体和珠光体。过共析钢中含碳量越高，组织中二次渗碳体越多，珠光体越少。当wC＞0.9%后，二次渗碳体呈网状分布。过共析钢的显微组织如图1-16所示。

图1-16　过共析钢在室温下的平衡组织