铁碳合金相图
刘伟 张宜峰
（四川理工学院 机械工程系，四川 自贡 643000）
摘要：钢和铸铁是工业上应用最多 ,用途最广的金属材料 ,它们都是铁碳合金 ,而铁碳合金相图则是钢和铸铁的重要理论基础 ,用 Fe- Fe3C 相图对典型成分的铁碳合金结晶过程进行分析 ,可进一步掌握铁碳合金成分—组织— 性能之间的关系 ,对钢铁材料的研究和应用、各种热加工工艺的制定具有很重要的指导意义。
关键字：铁碳合金、相图、结晶过程
引言：铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具, 是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基拙, 也是制定各种热加工工艺的依据。铁碳合金相图实际上是Fe-Fe 3C 相图, 铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe 3C 。铁存在着同素异晶转变, 即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体,Fe-Fe 3C 相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于。α-Fe 和γ-Fe 晶格中的孔隙特点不同, 因而两者的溶碳能力也不同。间隙固溶体主要包括铁素体、奥氏体以及渗碳体。如图1所示。铁碳相图是制定各种热加工及热处理工艺的依据, 利用它还可以分析钢铁材料的性能, 从而作为选材的理论根据, 它是学习铁碳合金的一个重要工具。
图1
1、铁碳合金相图简介 1.1、铁碳合金相图
1600A
δ1400
℃温 度 /℃
L+δ
L
1148℃
D
L+Fe3C Ⅰ
[1**********]600Q 400200
A
F
E
G 912℃P
S P+Fe3C Ⅱ
P+Fe3C Ⅱ+L" d A+Fe3C Ⅱ+Ld
3C Ⅱ
727℃
C L d
Fe 3C Ⅰ+Ld
K
F +P
L" d
Fe 3C Ⅰ+L" d
F+Fe3C Ⅲ
Fe
2.0
3.0
Fe 3C
4.0w c (%)
5.0
6.06.69
铁碳合金相图2
注：表示在平衡条件下，不同成分的铁碳合金、在不同温度下与组织或状态之间关系的图形。
铁和碳可以形成一系列的化合物，铁碳合金相同是研究铁碳 合金的基础。当铁碳合金的含碳量超过 6．69％时，脆性极大 ，没 有实用价值，因此本文讨论的铁碳合金相图，实际是简化后的铁 碳合金相图，相图的两个组元是 Fe和 Fe3C 。如图 2所示，铁碳合金相图中各点的温度、含碳量及含义见表 1。
表1
1.3、主要相区
（1）单相区：简化的Fe-Fe 3C 相图中有F ，A,LFe 3C 四个单相区。
（2）两相区：简化的Fe-Fe3C 相图中有五个两相区，即L+A两相区、L+Fe3C 两相区、A+Fe3C 两相区、A+F两相区和F+Fe3C 两相区。
每个两相区都与相应的两个单相区相邻：两条三相共存线，即共晶线ECF ，L 、A 和Fe 3C 三相共存，共析线PSK ，A 、F 和Fe 3C 三相共存。
2、铁碳合金分类：
铁碳合金按碳的质量分数的不同可分为三大类：工业铁、钢和白口铸铁 工业纯铁： C
亚共析钢: 0.0218%≤C
过共析钢: 0.77%
亚共晶铁: 2.11%
过共晶铁: 4.3%
3、典型铁碳合金的平衡结晶过程 3.1、工业纯铁（ωc ≦0.0218%）
结晶过程：L →L+δ→δ+A→A →A+F→F →F+Fe3C III ；
室温组织：F+Fe3CIII , 即Fe 3C III 呈条片状或半网络状分布于F 晶界处。 3.2、共析钢（ωc=0.77%）
图
3
共析钢的冷却曲线和平衡结晶过程如图3所示。合金达到1点之前为均匀的液相L ，与1点起从L 中结晶出A ，至2点L 全部转变为A 。合金继续冷却，在到达3点之前为A 不变。至3点时，具有共析成分（ωc=0.77%）的铁碳合金冷却至共析反应温度（727）而发生共析反应（即A 0.77→F 0.0218+Fe3C ），生成共析组织P 。合金从3’点至4点，由于P 中的F 的成分沿着PQ 线变化，所以要析出Fe 3C III ，但此Fe 3C III 常与共析Fe 3C 连在一起，不易分辨且数量极少，因此，Fe 3C III 可以忽略不计。
结晶过程：L →L →A →A 0.77→P(F0.0218+Fe3C) ；
室温平衡组织：P ，即片层状的F 和Fe 3C 相间排列。 3.3亚共析钢(0.0218%
合金的碳含量低于共析成分，合金冷却至GS 线时发生先共析转变析出铁素体：A →A+F,此后A 的成分沿着GS 线变化，F 的成分沿着GP 线变化。直到727℃时，剩余A （此时成分正好为ωc=0.77%，即具有共析成分）发生发生共析反应转变为P ，而F 不变化。
结晶过程：L →L+A→A →A+F→P （F0.0218+Fe3C ）+F； 室温平衡组织：F+P，即块状F 和片状P 的混合物。 3.4过共析钢（0.77%
合金的含碳量高于共析成分，冷却至ES 线时发生共析转变，沿奥氏体晶界上开始析出（网状）渗碳体：A →A+Fe3C II ，此后A 的成分沿着ES 线变化，Fe 3C 的成分不变化但数量增加。直到727℃时，剩余A （此时成分正好为ωc=0.77%，即具有共析成分）发生共析反应转变为P ，而Fe 3C II 不变化。 结晶过程：L →L+A→A →A+Fe3C II →Fe 3C II +P（F 0.0218+Fe3C ）；
室温平衡组织：Fe 3C II +P，即（原A 晶界上分布的）网状Fe 3C II 和片状P 的混合物。
3.5共晶白口铸铁（ωc=4.3%）
图4
含碳量为4.3%铁碳合金为共晶白口铸铁，其冷却曲线和平衡结晶过程如图4所示。将此合金进行冷却，在达到1点之前为均匀的液相L ，至1点（1148℃）发生共晶反应(即L 4.3→A 2.11+Fe3C) ，得到高温莱氏体组织（即A+Fe3C ）。继续冷却，Ld 中的A 不断析出Fe 3C II ，至2点时，A 的成分变化为ωc=0.77%（即共析成分），因此，剩余A 发生共析反应得到共析组织P ，此时合金中的组织为P+Fe3C II +Fe3C ，即低温莱氏体Ld ’。
结晶过程：L 4.3→L d （A 2.11+Fe3C ）→Ld ’（P+Fe3C II +Fe3C ）； 共晶白口铸铁室温平衡组织为：Ld ’（P+Fe3C II +Fe3C ）。 3.6亚共晶白口铸铁（2.11%
含碳量低于共晶成分，合金冷却时先析出奥氏体：L →A+L，此后A 的成分沿着JE 线变化，L 的成分沿着BC 线变化。直到1148℃时剩余L （ωc=4.3%）共晶反应转变为Ld 。此后先共晶A 沿着ES 线变化析出Fe 3C II ，直至727℃时，剩余A 共析转变为P ，而L 转变为Ld ’。
结晶过程：L →A+L→A+Ld （A 2.11+Fe3C ）→P+Ld’； 室温平衡组织为：P+Fe3C II +Ld’。 3.7过共晶白口铸铁（4.3%
结晶过程：L →Fe 3C I +L→Fe 3C I +Ld（A 2.11+Fe3C ）→Fe 3C I +Ld’； 室温平衡组织：Fe 3C I +Ld’。 3.8质量分数计算中应用的杠杆定律
利用杠杆定律求解铁碳合金的相组分和组织组分的相对量 ，关键在于分清相组分和组织组分两个概念以及确定杠杆的支点和成分点。由于杠杆定律只适用于两相区，因此必须依据合金的平 衡结晶过程，找出对应的两相区，使组织组分与相应的相组分相对应 ，才能用杠杆定律计算组织组分和相组分的相对百分含量。
4 Fe -Fe 3C 相图的应用和局限性 4.1 Fe -Fe 3C 相图的应用
Fe -Fe 3C 相图在生产中具有重大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和
加工工艺的制订两个方面。
4.1.1在钢铁材料选用方面的应用
⑴Fe -Fe 3C 相图所表明的某些成分-组织-性能的规律，为钢铁材料选用提供了根据。
⑵建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材。
⑶各种机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的中碳钢。
⑷各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选用含碳量高的钢种。
⑸纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁芯等。
⑹白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
4.1.2 在铸造工艺方面的应用
根据Fe -Fe 3C 相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50～100℃。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中，碳含量规定在0.15～0.6％之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。 4.1.3 在热锻、热轧工艺方面的应用
钢处于马氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。
一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100～200℃范围内。温度高时，钢的变形抗力小，节约能源，设备要求的吨位低，但温度不能过高，防止钢材严重烧损或发生晶界熔化（过烧）。
终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。亚共析钢热加工终止温度多控制在GS 线以上一点，避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低。过共析钢变形终止温度应控制在PSK 线以上一点，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。终止温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大，使热加工后的组织也粗大。一般始锻温度为1150～1250℃，终锻温度为750～850℃。
4.1.4 在热处理工艺方面的应用
Fe -Fe 3C 相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe -Fe 3C 相图确定的。 4.1.5 生产实践中使用 Fe- Fe3C 相图应注意的问题
（1) 铁碳合金相图中唯有铁碳两种元素, 生产实践中使用的铁碳合金, 除含铁、碳两中元素外, 尚有其它多种杂质或合金元素, 这些元素对相图将有所有影响, 应予考虑。
(2)Fe-Fe3C 相图虽然表示了铁碳合金在不同温度下的组织状态, 但要特别注意, 这种组织是以极慢冷却速度冷却得到的平衡组织, 而生产实践中, 冷却速度不可能如此缓慢, 在冷却速度较快时, 合金的临界点及其冷却后的组织与相图中所表示的不同。
4.2 Fe -Fe 3C 相图的局限性
Fe -Fe 3C 相图的应用很广，为了正确掌握它的应用，必须了解其下列局限性。
⑴Fe -Fe 3C 相图反映的是平衡相，而不是组织。相图能给出平衡条件下的相、相的成分和各相的相对质量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。 ⑵Fe -Fe 3C 相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态。实际生产中应用的钢和铸铁，除了铁和碳以外，往往含有或有意加入其它元素。被加入元素的含量较高时，相图将发生重大变化。严格说，在这样的条件下铁碳相图已不适用。 ⑶Fe -Fe 3C 相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态。相的平衡只有在非常缓慢的冷却和加热，或者在给定温度长期保温的情况下才能达到。就是说，相图没有反映时间的作用。所以钢铁在实际的生产和加工过程中，当冷却和加热速度较快时，常常不能用相图来分析问题。
5总结
我们在理解和运用铁碳相图时，我们应根据铁碳合金成分，相和组织随温度的变化规律，来研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间的关系。利用铁碳合金相图可以对钢铁材料进行分类，确定在室温条件下合金的相和组织组成物的组成，熟练运用和结合工程实际在我们有利于我们对合金材料的处理和选材，并且 我们再设计时合理的选择对金属处理的方式。
参考文献
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作者简介：刘伟，男，四川理工学院。 张宜峰，男，四川理工学院。