铁碳相图分析及应用

1.铁碳合金中的基本相

铁碳相图主要部分是碳的质量分数小于6.69%的部分，图中包含铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe₃C）。

（1）纯铁 纯铁的一个重要特征是同素异构转变。图1-17是纯铁的冷却曲线及同素异构转变示意图。铁在1538℃时结晶为δ-Fe，具有体心立方晶格。温度继续冷却到1394℃时，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe，称为A₄转变，转变点是A₄。温度下降到912℃，又由γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe，称为A₃转变。在912℃以下，铁再没有晶格转变，但当在770℃时，发生磁性转变，即由高温的顺磁性转变为低温的铁磁性，这种转变称为A₂转变。这个磁性温度转变点称为铁的居里点。在发生磁性转变时铁的晶格不发生转变，所以磁性转变不属于相变。

铁的这种同素异构转变也是形核与长大过程，称为重结晶。铁的重结晶是钢铁合金化和热处理的理论依据。控制重结晶的温度和冷却速度，可以获得细小的α-Fe晶粒，当然α-Fe晶粒的大小与γ-Fe的晶粒大小有关。

实际上，纯铁中总是含有微量的碳，w（C）一般小于0.0218%，习惯上把纯铁称为工业纯铁。

（2）铁素体 铁素体是碳溶解于α-Fe中形成的固溶体，是体心立方晶格，用符号“F”表示。虽然α-Fe的原子排列没有γ-Fe紧密，但是由于其晶格的空隙分散，几乎不能溶解碳，在727℃时的碳的溶解度最大，w（C）只有0.0218%，在铁碳相图中可见，温度下降，碳的溶解度减少。室温铁素体的w（C）为0.006%，所以可以把铁素体看成纯的α-Fe。在770℃以下具有（铁）磁性，高于这个温度磁性就消失了（具有顺磁性）。以铁素体为主要基体组织的铁碳合金适用于塑性变形加工。

铁素体的鉴别：①显微硬度法鉴别，根据铁素体的硬度，在200HV以下的白色组织，可以判定为铁素体，适用于碳钢中白色网状分布的组织；②铁素体晶粒呈明亮的多边形特征；③淬火钢中的未溶铁素体，具有明显的边界，存在于马氏体的相界边缘上，显微镜下与马氏体在同一焦距上。

图1-17 纯铁冷却曲线及同素异构转变示意

（3）奥氏体 奥氏体是碳溶解于γ-Fe晶格中形成的间隙固溶体，是面心立方晶格，用符号“A”表示。由于晶格中空隙较大而且集中，所以有利于碳的溶入，在1148℃时的溶解度最大，w（C）为2.11%，比铁素体的溶碳能力强。由于奥氏体是高温相，最低存在温度是727℃，在这个温度下，奥氏体的溶碳量是一个固定值，w（C）为0.77%。由于奥氏体的溶碳量比铁素体高，虽然是高温组织，但是它的硬度仍然比铁素体的高。奥氏体是单相组织，强度、硬度低，塑性较好，是锻造的加热温度选择区间。奥氏体是无磁性相。

奥氏体的鉴别：①奥氏体晶粒组织中往往出现孪晶，可以利用这个特征来判定；②在淬硬钢中，残留奥氏体由于软的特性，和硬相马氏体组织不在同一焦距上，与马氏体的边界不明显，分布在马氏体针叶的夹角处。

（4）渗碳体 碳和铁相互作用形成的间隙化合物称为渗碳体。渗碳体的晶体结构复杂，一般用分子式Fe₃C表示。渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1330℃。渗碳体的硬度很高，塑性、韧性几乎为零，所以不能单独使用。渗碳体在铁碳合金中与其他相共同构成机械混合物时，以片状、网状、颗粒状或板条状形态存在。

一次渗碳体：在铁碳相图中，过共晶成分从液体中经过CD线冷却时析出的碳化物称为一次渗碳体。由于一次渗碳体从液态析出，温度高，容易长大，长大时受阻碍小，所以一般都比较粗大。

二次渗碳体：铁碳合金冷却时经过A_cm温度线后，从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体。在极缓慢冷却后得到的二次渗碳体呈网状分布在晶界。

三次渗碳体：铁碳合金冷却时经过PQ温度线后，从铁素体中析出渗碳体称为三次渗碳体。三次渗碳体一般形成量较少，但是对于亚共析钢，在680℃左右长时间退火处理时，容易形成三次渗碳体影响的“宽”晶界。

渗碳体的鉴别：①显微硬度法，在600HV以上的白色组织，可以判定为渗碳体；②着色法，硝酸酒精腐蚀时是白色组织，苦味酸或高锰酸钾、氢氧化钠侵蚀时为黑色。

2.铁碳合金状态特性曲线及特性点

在热处理过程中，相图中的左上角的ABN的实际运用意义不大，可以不考虑组织。但是GPQ相区有实际意义，不要忽视。(https://www.xing528.com)

（1）相图中的特性线 相图中不同成分的合金具有相同意义的临界的连接线称为特性线，铁碳相图中的特性线有7条。

1）ACD线：铁碳合金的液相线。此线以上的合金是液体状态，用L表示。在ACD线以下，从液相中析出的渗碳体是一次渗碳体。

2）AECF线：铁碳合金的固相线。此线以下均为固相区。

3）GS线：冷却时奥氏体析出铁素体的开始转变线，用A₃表示。

4）ES线：碳在奥氏体中溶解度线，用A_cm表示。当温度在1148～727℃时，从奥氏体中沿晶界析出的渗碳体是二次渗碳体。

5）ECF水平线：共晶转变线。L_4.3→A_0.77+Fe₃ C，转变温度为1148℃。6）PSK水平线：共析转变线，用A₁表示。，转变温度为727℃。

7）PQ线：碳在铁中的溶解度变化曲线，727℃时，碳在铁中的溶解度最大，w（C）为0.0218%，至600℃，降低为0.008%，碳从铁中沿晶界析出的渗碳体是三次渗碳体。

（2）相图中的特性点 相图中的特性点见表1-3。

表1-3 铁碳相图中特性点

3.相区

相图的相区及组成见表1-4，每个两相区都与单相区相邻。

表1-4 铁碳相图的相区及组成

铁碳合金按不同的碳含量可以分为工业纯铁[w（C）≤0.0218%]、钢[w（C）为0.0218%～2.11%]、铸铁[w（C）为2.11%～6.69%]。

分析不同成分的合金平衡冷却及转变过程，了解其组织形成规律，便于掌握相图不同相区的组织组成，为使用相图打好基础。