铁碳相图：探究铁碳合金组织与性能之间的关系

纯铁中铁的质量分数在99.8%～99.9%，在1538℃结晶为δ-Fe，晶格为体心立方，在1394℃时晶体结构发生转变，变为γ-Fe，晶格为面心立方，在912℃时再次发生转变，变为α-Fe，晶格为体心立方，这是铁的三种同素异晶状态。这种固态下的同素异晶转变称之为重结晶，它与钢的合金化与热处理有密切关系。

碳可以溶于γ-Fe和α-Fe中，以间隙原子的形式存在。在1394℃时，碳溶于γ-Fe，称为奥氏体，这时碳一般存在于面心立方的8面体空隙中；在912℃时，碳溶于α-Fe，称为铁素体，碳存在于体心立方的8面体空隙中。其实碳也能溶于δ-Fe，碳的质量分数为0.09%。

纯铁的塑性和韧性很好，但是强度太低，所以工业上一般都是采用铁碳合金。碳可以溶于铁中，但是溶量有限，于是剩下的碳以两种形式存在：一种形式是与铁的间隙化合物Fe₃C，称为渗碳体；一种是石墨。

铁碳合金是现代工业中应用最广泛的金属材料。不同成分的铁碳合金，在不同温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。为了解铁碳合金成分、组织和性能之间的关系，我们需要认识Fe-Fe₃C相图。

1.铁碳相图

铁碳相图是表示在平衡条件（加热或冷却过程均极其缓慢）下，铁碳合金系的成分、温度和组织三者间关系的图形。因实际可用铁碳合金的w（C）＜6.69%，并可将渗碳体[w（C）=6.69%，且为稳定的金属化合物]视为组元，故对铁碳相图只需研究w（C）=0%～6.69%的部分，即Fe-Fe₃C相图，如图1-1所示。

相图的纵坐标表示温度，横坐标表示成分；图中各区域分别表示在相应的成分、温度条件下，铁碳合金所处的组织状态。

由图1-1我们可以看到碳的质量分数最高可以到6.69%，处于ABCD连线以上的部分为液相区，AHJECF连线以下为固相区，HJB线这一段发生了包晶转变，包晶转变是指在结晶过程中，已成为固相的部分被液相部分包围从而转变成另一种固相部分，液相的B和δ相的H转变为γ相的J，我们可以看到，这条线非常短，说明发生转变的区域碳的质量分数范围很窄，为0.09%～0.53%。ECF线发生了共晶转变，共晶转变是指某液相在结晶时同时转变为两种固相，液相C转变为γ相和Fe₃C，γ-Fe和Fe₃C的机械混合物称为莱氏体，这条线就比较长了，说明发生转变的碳的范围比较宽，质量分数为2.11%～6.69%。PSK线（A₁线）发生的是共析转变，共析转变是指由一种固相转变为两种固相的变化，γ-Fe转变为α-Fe和Fe₃C，α-Fe和Fe₃C的机械混合物称为珠光体，可以看到发生这个转变的碳的含量范围是相当宽了，超过0.0218%碳质量分数的合金都要发生这个转变。GS线（A₃线），这条线说明了碳质量分数的不同γ相中开始析出α相的温度是怎样变化的，我们可以看到，随着碳的质量分数从0%～0.77%不断升高，转变开始的温度在不断降低。ES线（A_cm线）是碳在γ-Fe中的溶解度线，当某浓度的碳在低于相应的这个温度时，开始析出Fe₃C，我们可以看到随着碳的含量在0.77%～2.11%不断升高时，开始析出Fe₃C的温度在不断升高。PQ线，碳在α相中的溶解度线，道理同ES线，当碳的质量分数在0%～0.0218%不断升高时，析出Fe₃C的温度不断升高。

图1-1 铁碳相图

通常按照会不会发生共晶转变来区分碳钢和铸铁，由相图我们可以看到，碳的质量分数小于2.11%时不发生共晶转变，那么碳质量分数小于2.11%的合金称为碳钢，大于的称为铸铁。根据相图，我们把铁碳合金按照碳的质量分数划分为7种类型：小于0.0218%为工业纯铁，0.77%为共析钢，0.0218%～0.77%为亚共析钢，0.77%～2.11%为过共析钢，4.30%为共晶白口铸铁，2.11%～4.30%为亚共晶白口铸铁，4.30%～6.69%为过共晶白口铸铁。

2.铁碳合金的基本相

在铁碳合金中，碳能分别溶入α-Fe和γ-Fe的晶格中而形成两种固溶体。当铁碳合金的碳质量分数超过固溶体的溶解度时，多余的碳与铁形成金属化合物Fe₃C。因此，铁碳合金有三种基本相：铁素体、奥氏体和渗碳体。

（1）铁素体 碳溶入体心立方晶格的α-Fe中形成的间隙固溶体（图1-2）称为铁素体（符号为F），其显微组织如图1-3所示。(www.xing528.com)

图1-2 铁素体晶体结构示意图

图1-3 铁素体显微组织示意图

由于体心立方晶格的空隙多而分散，每一个空隙容积很小，故铁素体的溶碳能力弱。在727℃时，碳在铁素体中的最大溶解度为w（C）=0.02%，随温度下降，其溶解度降低，600℃时，降至w（C）=0.008%。铁素体的性能近似于纯铁，即强度、硬度低，而塑性、韧性好（σ_b=180～230MPa，80HBW，δ=40%，A_K≈140J）。铁素体在768℃以下呈铁磁性。

（2）奥氏体 碳溶入面心立方晶格的γ-Fe中形成的固溶体（图1-4）称为奥氏体（符号为A），其显微组织如图1-5所示。

由于面心立方晶格的空隙少而集中，每一个空隙容积较大，故奥氏体的溶碳能力较强。在1148℃时，碳在奥氏体中的最大溶解度达w（C）=2.11%，而在727℃时降至w（C）=0.77%。奥氏体的强度、硬度不高，但塑性、韧性很好（σ_b≈400MPa，160～200HBW，δ=40%～50%），奥氏体呈非铁磁性。

（3）渗碳体 铁与碳形成的金属化合物Fe₃C称为渗碳体。渗碳体的成分固定不变[w（C）=6.69%]，硬度很高（860HV），但塑性、韧性极差（δ≈0，A_K≈0）。

图1-4 奥氏体晶体结构示意图

图1-5 奥氏体显微组织示意图

铁碳合金的室温组织，一般是在铁素体基体上分布着片状、粒状或网状渗碳体。由于渗碳体在合金中起第二相强化作用，故随碳的质量分数增高，铁碳合金中的渗碳体增多，而使其硬度强度增高、塑性韧性下降。当碳的质量分数高达6.69%时，铁碳合金的组织全部为硬而脆的渗碳体而无法使用。此外，渗碳体的大小、形状和分布对铁碳合金的性能也有很大的影响。