铁碳相图原理及应用

1 §5.6 铁碳相图和铁碳合金

钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。

Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C,

Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。

化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图5.6-1）。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。

图5.6-1 铁碳双重相图

【说明】 图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。 2 铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：

由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。【说明】

图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。

铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：

由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。

二、铁碳合金相图的分析

Fe-Fe3C相图如图3-25所示。可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相，铁素体相，奥氏体相和渗碳体相Fe3C。这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+、L+ Fe3C、δ+、+ Fe3C 、+和+ Fe3C。

图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图

在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。

表3-2 铁碳相图中各特征点的说明

点的符号 温度/℃ 含碳量/% 说明

A 1538 0 纯铁熔点

B 1495 0.53 包晶反应时液相的成分

C 1148 4.3 共晶点LC ⇄ E+ Fe3C

D 1227 6.69 渗碳体的熔点

E 1148 2.11 碳在-Fe中的最大溶解度

F 1148 6.69 渗碳体

G 912 0 -Fe ⇄ -Fe同素异构转变点

H 1495 0.09 碳在-Fe中的最大溶解度

J 1495 0.17 包晶点LB+H ⇄ J

K 727 6.69 渗碳体

N 1394 0 -Fe⇄-Fe同素异构转变点

P 727 0.0218 碳在-Fe中的最大溶解度

S 727 0.77 共析点S ⇄ P+ Fe3C

Q 室温 0.0008 室温下碳在-Fe中的溶解度

Fe- Fe3C相图中有三条水平线（三相区）：

HJB水平线（1495C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53 + 0.09  0.17（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。

ECF水平线（1148C）为共晶线，与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.3  2.11 + Fe3C。转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号“Le”表示。莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：

⑴ 工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。

⑵ 碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析

钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。

⑶ 白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶

白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）

下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。

图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置

㈠ 工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程

合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。继续降温时，在2~3点之间，不

发生组织转变。温度降低到3点以后，开始从δ铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温

度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，δ铁素体全部转变为奥氏体。在4~5点之

间，不发生组织转变。冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体

全部转变为铁素体。在6-7点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7点，开始沿铁素体晶

界析出三次渗碳体Fe3CIII。7点以下，随温度下降，Fe3CIII量不断增加，室温下Fe3CIII的最大量为：%31.0%1000008.069.60008.00218.03=×−−=ⅢCFeQ。图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。

工业纯铁的室温组织为α+Fe3CIII，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3CIII。

图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400×

㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程

共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶

详解铁碳相图

（注：在解读上面铁碳相图之前，我们要明白纯铁在不同的温度下会发生同素异晶转变，这个对于我们解读上面相图很有用。）

1：ACD线：

ACD线上面完全是液相，没有固相产生。在温度1538℃时候，此时的液态铁的晶格类型为δ-Fe,如果此时的碳溶解在δ-Fe的晶格间隙中，那么就会产生一种新的相，即为铁素体相，为了区别碳溶解在α-Fe中的铁素体相，分别给它们前面加上一个δ或者α，即如果是碳溶解到晶格类型为δ-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为δ-铁素体或直接写δ，如果是溶解到晶格类型为α-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为α-铁素体或α或F。

伴随着温度的下降，组元----温度----成分三者是这个铁碳相图的核心理念。要看懂这个相图，弄明白组元----温度----成分关系，就能读懂这个相图。

从图中你可以看见，即便同一个温度，不同的碳含量，它的成分是不一样的，这就是为什么要提到组元----温度----成分这三者关系的原因。而铁碳相图会一直要用到这三者的关系来加以理解。

重点：铁素体就是碳溶解到δ-Fe和α-Fe的晶格间隙而形成的一种间隙固溶体相。

2：AEC区域和CDF区域

AEC和CDF区域有液相也有固相，但是，它们的成分是不一样的，AEC区域为什么是奥氏体+液相呢？为什么CDF区域是渗碳体+液相呢？首先，AEC区域之所以是奥氏体+液相，那是因为在1500℃---1148℃时候δ-Fe会转变成γ-Fe(转变温度为1394℃)，也就是说，当温度从1394℃再次冷却到1148℃的时候，这时候δ-Fe已经转变成了γ-Fe，此时的碳就会溶解到γ-Fe晶格中形成一种新的间隙固溶体相，即为奥氏体，由于受到温度原因，液相并没有全部结晶，所以在AEC区域中的成分就是奥氏体—液相。很有意思的如果碳含量达不到析出渗碳体的碳含量要求的话，液相是不会析出渗碳体，那么从图中可以看出，要从液相中析出渗碳体的的碳含量要求是必须大于或等于3.4%，即为图中的点C，而这个点也有意义的，它就是共晶点。由于它是第一次析出的，可以为之后析出的渗碳体加以区别可以称其为一次渗碳体。