典型铁碳合金的平衡结晶过程简析

根据Fe-Fe3C 相图，可以分析任意成分的铁碳合金组织在平衡条件下随温度变化的规律以及它们在室温下的平衡组织，从而可以判断其力学性能。由于白口铸铁的组织中存在大量的渗碳体和莱氏体，性能硬而脆，难以进行切削加工，在机械制造中极少直接用来制造零件。因此，只对钢的平衡结晶过程进行分析。

1.共析钢

根据Fe-Fe3C 相图，含碳量为0.77%的共析钢从液态冷却到和AC 线(液相线)相交的温度时，开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的降低，奥氏体不断增加，而剩余液相逐渐减少，当冷却到和AE 线(固相线)相交的温度时，结晶终了，此时合金全部转变为单相奥氏体组织并继续保持。然后继续冷却到S 点(727 ℃)时，奥氏体发生共析转变: A0.77%S→(F+Fe3C)，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。温度再继续下降，组织不再发生变化，室温下平衡组织为珠光体。共析钢结晶组织转变过程如图3-8 所示。

图3-8　共析钢结晶过程组织转变示意图

2.亚共析钢

根据Fe-Fe3C 相图，含碳量小于0.77%的亚共析钢从液态到结晶终了的结晶过程与共析钢相同，合金全部转变为单相奥氏体。当亚共析钢继续冷却到与GS 线相交的温度时，从奥氏体中开始析出铁素体，获得铁素体和奥氏体组织。由于铁素体只能溶解很少的碳，所以合金中大部分的碳留在了奥氏体中，使剩余奥氏体的溶碳量有所增加。随着温度的不断下降，析出的铁素体逐渐增多，剩余的奥氏体量逐渐减少，而奥氏体的溶碳量沿GS 线逐渐增加。当温度下降到与PSK 线相交的温度(727 ℃)时，奥氏体的溶碳量达到0.77%，此时剩余的奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。再继续冷却至室温，合金的组织不再发生变化。亚共析钢结晶组织转变过程如图3-9 所示。

图3-9　亚共析钢结晶过程组织转变示意图

亚共析钢的室温平衡组织由珠光体和铁素体组成。当亚共析钢中的含碳量增加时，钢中的珠光体数量增多。图3-10 所示为含碳量分别为0.15%、0.45%和0.65%的亚共析钢的显微组织(图3-10 中黑色为层片状的珠光体，浅色的为铁素体)。

图3-10　亚共析钢的显微组织(www.xing528.com)

(a)含碳量为0.15%； (b)含碳量为0.45%； (c)含碳量为0.65%

3.过共析钢

图3-11　含碳量为1.2%过共析钢的显微组织

当含碳量大于0.77%的过共析钢冷却到与AE 线相交的结晶终了温度时，获得单相奥氏体组织。继续冷却到与ES 线相交的温度时，由于温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度降低，过剩的碳以渗碳体(这种从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体)的形式从奥氏体中沿晶界析出，随着温度的下降，析出的Fe3CⅡ不断增多，并沿晶界呈网状分布，奥氏体中的溶碳量逐渐下降，当温度降低到727 ℃时，剩余奥氏体的溶碳量正好为0.77%，于是发生共析转变而形成珠光体。温度再继续下降，合金的组织基本不变，最终获得珠光体和二次渗碳体组织。图3-11 所示为过共析钢的显微组织(图3-11 中黑色为层片状的珠光体，白色为网状的二次渗碳体)。过共析钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体，但随着含碳量的增加，钢中的二次渗碳体量也逐渐增多。过共析钢结晶组织转变过程如图3-12 所示。

图3-12　过共析钢结晶过程组织转变示意图

4.含碳量对钢组织和性能的影响

由以上对钢的结晶过程分析可知，不同类型的钢其室温组织是不同的，并且在同一类的钢中，随着含碳量的增加，其组织之间的相对量也随之发生变化，因而造成钢组织和性能的差异。如图3-13 所示，随着含碳量的增加，在亚共析钢中，铁素体的量逐渐减少，珠光体数量逐渐增多； 到共析钢时，其组织全部是珠光体； 对含碳量超过0.77%的过共析钢，则珠光体数量逐渐减少，而渗碳体量逐渐增多。

由于钢的组织随含碳量而变化，这必然引起钢性能的变化。钢的力学性能与其含碳量的关系如图3-14 所示。从图3-14 中的曲线可总结出钢性能随含碳量的变化规律: 当钢的含碳量小于0.9%时，钢中含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性越低； 当钢的含碳量超过0.9%时，由于网状二次渗碳体的存在，随着含碳量的增加，除钢的硬度继续升高外，塑性、韧性进一步降低，强度也明显降低。为了保证钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中的含碳量一般不超过1.4%。

图3-13　含碳量对钢组织的影响