铁碳合金相图及其结晶组织演变

铁碳合金相图，是用实验数据绘制而成的。通过实验，对一系列不同碳含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-碳含量坐标图中。然后把相应的温度转折点连接成线，就成为铁碳合金相图。图4.3为简化的铁碳合金相图，略去了α-Fe的转变和铁素体的成分变化。此外，因为碳含量大于6.69%的铁碳合金在工业上没有实用意义，所以铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C状态图。

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

1.铁碳合金相图中点和线的意义

①ACD——液态线：合金熔液冷却到此线时开始结晶，此线以上为液态区。

②AECF——固态线：合金熔液冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固态区。

图4.3　简化的铁碳合金相图

③GS——代号A3：奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体，使奥氏体的碳含量沿此线向0.77%递增。

④ES——代号Acm：奥氏体冷却到此线时，开始析出二次渗碳体，使奥氏体的碳含量沿此线向0.77%递减。

⑤PSK——共析线：代号A1。各种成分的合金冷却到此线时，其中奥氏体的碳含量都达到0.77%并分解成为珠光体。

⑥S——共析点：碳含量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。

⑦C——共晶点：碳含量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.铁碳合金结晶过程分析

铁碳合金按其成分和组织不同，可分为以下几类。

为了认识工业纯铁、碳钢和白口铸铁组织的形成规律，现选择几种典型的合金，分析其平衡结晶过程及组织变化。图4.4中标有①～⑦的7条垂直线（即成分线），分别是工业纯铁、钢和白口铸铁3类铁碳合金中的典型合金所在的位置。

图4.4　简化的Fe-Fe3C相图

（1）ωC＝0.01%的工业纯铁

此合金为图4.4中的①，结晶过程如图4.5所示。合金在1点以上为液态，在1～2点间，按匀晶转变结晶出铁素体。铁素体冷却到3～4点发生同素异构转变δ-γ，这一转变在4点时结束，合金全部转变成单相奥氏体γ。冷却到5～6点间又发生同素异构转变γ-α，6点以下全部是铁素体。冷却到7点时，碳在铁素体中的溶解量达到饱和。在7点以下，随着温度的下降，从铁素体中析出三次渗碳体。工业纯铁的室温组织为铁素体和少量三次渗碳体。其显微组织如图4.1、图4.2所示。

图4.5　ωC＝0.01%的工业纯铁结晶过程示意图

（2）ωC＝0.77%的共析钢

此合金为图4.4中的②，结晶过程如图4.6所示。5点的液态钢合金缓冷至1点时，其成分垂线与液相线相交，于是从液体中开始结晶出奥氏体。在1～2点温度间，随着温度的下降，奥氏体量不断增加，其成分沿JE线变化，而液相的量不断减少，其成分沿BC线变化。当温度降至2点时，合金的成分垂线与固相线相交，此时合金全部结晶成奥氏体，在2～3点之间是奥氏体的简单冷却过程，合金的成分、组织均不发生变化。当温度降至3点（727℃）时，将发生共析反应，即

图4.6　ωC＝0.77%的共析钢结晶过程示意图

随着温度的继续下降，铁素体的成分将沿着溶解度曲线PQ变化，并析出三次渗碳体（数量极少，可忽略不计，对此问题，后面各合金的分析处理皆相同）。因此，共析钢的室温平衡组织全部为珠光体，其显微组织如图4.7所示。

图4.7　ωC＝0.77%的共析钢的显微组织（500×）

（3）ωC＝0.4%的亚共析钢

此合金为图4.4中的③，结晶过程如图4.8所示。亚共析钢在1～2点间按匀晶转变结晶出铁素体。冷却到2点（1495℃）时，在恒温下发生包晶反应。包晶反应结束时还有剩余的液相存在，冷却至2～3点间液相继续变为奥氏体，所有的奥氏体成分均沿JE线变化。3～4点间，组织不发生变化。当缓慢冷却至4点时，此时由奥氏体析出铁素体。随着温度的下降，奥氏体和铁素体的成分分别沿GS和GP线变化。当温度降至5点（727℃）时，铁素体的成分变为P点成分（0.0218%），奥氏体的成分变为S点成分（0.77%），此时，奥氏体发生共析反应转变成珠光体，而铁素体不变化。从5点继续冷却至室温，可以认为合金的组织不再发生变化。因此，亚共析钢的室温组织为铁素体和珠光体（F+P）。图4.9是ωC＝0.4%的亚共析钢的显微组织，其中白色块状为F，暗色片层状为P。

图4.8　ωC＝0.4%的亚共析钢的结晶过程示意图

图4.9　ωC＝0.4%的亚共析钢的显微组织（500×）

（4）ωC＝1.2%的过共析钢

此合金为图4.4中的④，结晶过程如图4.10所示。过共析钢在1～3点间的结晶过程与共析钢相似。当缓慢冷却至3点时，合金的成分垂线与ES线相交，此时由奥氏体开始析出二次渗碳体。随着温度的下降，奥氏体成分沿ES线变化，且奥氏体的数量越来越少，二次渗碳体的相对量不断增加。当温度降至4点（727℃）时，奥氏体的成分变为S点成分（0.77%），此时，剩余奥氏体发生共析反应转变成珠光体，而二次渗碳体不变化。从4点继续冷却至室温，合金的组织不再发生变化。因此，过共析钢的室温组织为二次渗碳体和珠光体（Fe3CⅡ+P）。

图4.11是ωC＝1.2%的过共析钢的显微组织，其中Fe3CⅡ呈白色的细网状，它分布在片层状的P周围。

（5）ωC＝4.3%的共晶白口铸铁

此合金为图4.4中的⑤，结晶过程如图4.12所示。

图4.10　ωC＝1.2%的过共析钢的结晶过程示意图(www.xing528.com)

图4.11　ωC＝1.2%的过共析钢的显微组织（400×）

图4.12　ωC＝4.3%的共晶白口铸铁的结晶过程示意图

共晶铁碳合金冷却至1点共晶温度（1148℃）时，将发生共晶反应，生成莱氏体L。在1～2点间，随着温度降低，莱氏体中的奥氏体的成分沿ES线变化，并析出二次渗碳体（它与共晶渗碳体连在一起，在金相显微镜下难以分辨）。随着二次渗碳体地析出，奥氏体的碳含量不断下降，当温度降至2点（727℃）时，莱氏体中的奥氏体的碳含量达到0.77%，此时，奥氏体发生共析反应转变为珠光体，于是莱氏体也相应转变为低温莱氏体（P+Fe3CⅡ+Fe3C）。因此，共晶白口铸铁的室温组织为低温莱氏体（）。

图4.13是ωC＝4.3%的共晶白口铸铁的显微组织，其中P呈黑色的斑点状或条状，Fe3C呈白色的基体。

（6）ωC＝3.0%的亚共晶白口铸铁

此合金为图4.4中的⑥，结晶过程如图4.14所示。1点以上为液相，当合金冷却至1点时，从液体中开始结晶出初生奥氏体。在1～2点间，随着温度的下降，奥氏体不断增加，液体的量不断减少，液相的成分沿BC线变化。奥氏体的成分沿JE线变化。当温度下降至2点（1148℃）时，剩余液体发生共晶反应，生成Ld（A+Fe3C），而初生奥氏体不发生变化。从2～3点间，随着温度降低，奥氏体的碳含量沿ES线变化，并析出二次渗碳体。当温度降至3点（727℃）时，奥氏体发生共析反应转变为珠光体（P），从3点冷却至室温，合金的组织不再发生变化。因此，亚共晶白口铸铁室温组织为P+Fe3CⅡ+，如图4.15所示。图中黑色带树枝状特征的是P，分布在P周围的白色网状的是Fe3CⅡ，具有黑色斑点状特征的是。

图4.13　ωC＝4.3%的共晶白口铸铁的显微组织（250×）

图4.14　ωC＝3.0%的亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图

图4.15　ωC＝3.0%的亚共晶白口铸铁的显微组织（200×）

（7）ωC＝5.0%的过共晶白口铸铁

此合金为图4.4中的⑦，结晶过程如图4.16所示。1点以上为液相，当合金冷却至1点时，从液体中开始结晶出一次渗碳体。

在1～2点间，随着温度的下降，一次渗碳体不断增加，液体的量不断减少，当温度下降至2点（1148℃）时，剩余液体的成分变为C点成分（4.3%），发生共晶反应，生成Ld（A+Fe3C），而一次渗碳体不发生变化。从2～3点间，莱氏体中的奥氏体的碳含量沿ES线变化，并析出二次渗碳体。当温度降至3点（727℃）时，奥氏体的碳含量达到0.77%，发生共析反应转变为珠光体（P）。从3点冷却至室温，合金的组织不再发生变化。因此，过共晶白口铸铁的室温组织为Fe3C+。图4.17是过共晶白口铸铁的显微组织，图中白色带状的是Fe3CⅡ，具有黑色斑点的特征。

图4.16　ωC＝5.0%的过共晶白口铸铁的结晶过程示意图

图4.17　ωC＝5.0%的过共晶白口铸铁的显微组织（400×）

3.铁碳合金的成分、组织和性能的变化规律

（1）碳对平衡组织的影响

由上面的讨论可知，随碳的质量分数增高，铁碳合金的组织发生如下变化：根据杠杆定律可以计算出铁碳合金中相组成物（相组分）和组织组成物（组织组分）的相对质量与碳的质量分数的关系。图4.18为铁碳合金的成分—组织—性能的对应关系。

图4.18　铁碳合金的成分—组织—性能的对应关系

当碳的质量分数增高时，不仅其组织中的渗碳体数量增加，而且渗碳体的分布和形态发生如下变化。

Fe3CⅡ（沿铁素体晶界分布的薄片状）→共析Fe3C（分布在铁素体内的片层状）→Fe3CⅡ（沿奥氏体晶界分布的网状）→共晶Fe3C（为莱氏体的基体）→Fe3CⅠ（分布在莱氏体上的粗大片状）

（2）碳对力学性能的影响

室温下铁碳合金由铁素体和渗碳体两个相组成。铁素体为软、韧相；渗碳体为硬、脆相。

当两者以层片状组成珠光体时，则兼具两者的优点，即珠光体具有较高的硬度、强度和良好的塑性、韧性。

图4.19是碳的质量分数对缓冷碳钢力学性能的影响。由图可知，随碳的质量分数增加，缓冷碳钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当ωC＞0.9%时，由于网状FP+Fe3CⅡ出现，导致缓冷碳钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度和适宜的塑性、韧性，其ωC一般不超过1.3%～1.4%。ωC＞2.11%的铁碳合金（白口生铁），由于其组织中存在大量渗碳体，具有很高的硬度，但韧性低，难以切削加工，已不能锻造，故除作少数耐磨零件外，很少应用。

图4.19　碳的质量分数对缓冷碳钢力学性能的影响

4.铁碳合金相图的应用

（1）选材方面的应用

根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律，可以根据零件的工作条件来选择材料。

如果要求有良好的焊接性能和冲压性能的机件，则应选用组织中铁素体较多、塑性好的低碳钢（ωC＜0.25%）制造，如冲压件、桥梁、船舶和各种建筑结构；对于一些要求具有综合力学性能（强度、硬度和塑性、韧性都较高）的机器构件，如齿轮、传动轴等应选用中碳钢（0.25%＜ωC＜0.6%）制造；高碳钢（ωC＞0.6%）主要用来制造弹性零件及要求高硬度、高耐磨性的工具、刀具、量具等；对于形状复杂的箱体、机座等可选用铸造性能好的铸铁来制造。

（2）制订热加工工艺方面的应用

在铸造生产方面，根据Fe-Fe3C相图可以确定铸钢和铸铁的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上150℃左右。另外，从相图中还可看出接近共晶成分的铁碳合金，其熔点低、结晶温度范围窄，因此它们的流动性好，分散缩孔少，可以得到组织致密的铸件。所以，铸造生产中，接近共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。

在锻造生产方面，钢处于单相奥氏体时，其塑性好，变形抗力小，便于锻造成形。因此，钢材的热轧、锻造时要将钢加热到单相奥氏体区。始轧和始锻温度不能过高，以免钢材氧化严重和发生奥氏体晶界熔化（称为过烧），一般控制在固相线以下100～200℃。而终轧和终锻温度也不能过高，以免奥氏体晶粒粗大，但又不能过低，以免塑性降低，导致产生裂纹。一般对亚共析钢的终轧和终锻温度控制在稍高于GS线即A3线；过共析钢控制在稍高于PSK线即A1线。实际生产中各种碳钢的始轧和始锻温度为1150～1250℃，终轧和终锻温度为750～850℃。

在焊接方面，由焊缝到母材其在焊接过程中处于不同温度条件，因而整个焊缝区会出现不同组织，引起性能不均匀，可以根据Fe-Fe3C相图来分析碳钢的焊接组织，并用适当的热处理方法来减轻或消除组织不均匀性和焊接应力。

对热处理来说，Fe-Fe3C相图更为重要。热处理的加热温度都以相图上的A1、A3、Acm线为依据，这将在第5章中详细讨论。