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铁碳相图知识

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。
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%。

纯铁
纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。

图2 工业纯铁的显微组织 图3 奥氏体的显微组织
铁的固溶体
碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）
碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。

图4 碳在γ－Fe晶格中的位置 图5 渗碳体的晶格
渗碳体(Fe3C)
渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。

单相区——5个
相图中有5个基本的相，相应的有5个相区：
液相区(L)——ABCD以上区域
δ固溶体区——AHNA
奥氏体区(γ)——NJESGN
铁素体区(α)——GPQ(Fe3C)——DFK直线以左
渗碳体区
两相区——7个
7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间：
L+δ——AHJBA
Lγ——BJECB
L——DCFD
δ+γ——HNJH
γ+α——GPSG
γ+ Fe3C——ESKFCE
α+ Fe3C——PQLKSP+ Fe3C+
三相区——3个
包晶线——水平线HJB(Lδ+γ)
共晶线——水平线ECF(Lγ+Fe3C)
共析线——水平线PSK(γ+α+ Fe3C)++

相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表1。
表1 Fe-Fe3C相图中的特性点
符号
T /℃
C %
说明
A
1538
0
纯铁的熔点
B
1495
0.53
包晶转变时液相成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.67
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
碳在γ-Fe中的最大溶解度
F
1148
6.67
渗碳体的成分
G
912
0
纯铁α↔γ转变温度
H
1495
0.09
碳在δ-Fe中的最大溶解度
J
1495
0.17
包晶点
K
727
6.67
渗碳体的成分
N
1394
0
纯铁γ↔δ转变温度
P
727
0.0218
碳在α-Fe中的最大溶解度
S
727
0.77
共析点
Q
600
0.0057
600˚C碳在α-Fe中的溶解度
200
7×10-7
200˚C碳在α-Fe中的溶解度

Fe-Fe3C相图包含三个恒温转变：包晶、共晶、共析。
包晶转变发生在1495℃（水平线HJB），反应式为：

式中 L0.53——含碳量为0.53%的液相；
δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；
γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。
含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。
共晶转变发生在1148℃（水平线ECF），反应式为：

共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体Ld表示。凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。，用符号
共析转变发生727℃（水平线PSK），反应式为：

共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727℃ 时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。

Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：
ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。而在727℃时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。
PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。727℃时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃仅可以溶解7×10-7%C。所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。
GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。

根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可以分为纯铁、钢和白口铁三类。

图7 Fe-Fe3C合金分类
1.纯铁——含碳量<0.0218%，显微组织为铁素体。
2.钢——含碳量0.0218%～2.11%，特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。根据室温组织的不同，钢又可以分为：
亚共析钢(Hypo-eutectoidsteel)：含碳量0.0218%~0.77%，具有铁素体α+珠光体P的组织，且含碳量越高（接近0.77%）,珠光体的相对量越多，铁素体量越少。
共析钢(Eutectoid)：含碳0.77%，组织是全部珠光体P。
过共析钢(Hyper-eutectoid)：含碳量0.77%～2.11%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C。
3.白口铁——含碳量2.11%～6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。但是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。根据室温组织不同，白口铁又分为：
亚共晶白口铁(Hypo-eutecticwhiteiron)：含碳2.11%～4.30%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C+莱氏体Ld'。
共晶白口铁(Eutecticwhiteiron)：含碳4.30%，组织是莱氏体Ld'。
过共晶白口铁(Hyper-eutecticwhiteiron)：含碳4.3%~6.69%，组织是渗碳体Fe3C+莱氏体Ld'。

工业纯铁在缓慢冷却过程中发生的组织转变主要是同素异晶转变和Fe3CIII的析出。在冷却过程中合金的组织转变情况见动画演示。室温下工业纯铁的组织为铁素体以及分布在晶界处极少量的三次渗碳体(Fe3CIII)。工业纯铁实际室温组织的照片见图2。工业纯铁冷却过程中的组织转变
工业纯铁冷却过程中的组织转变

根据Fe-Fe3C相图，共析钢从液态冷却到室温要发生三次组织转变：匀晶转变L→γ（奥氏体），共析转变γ→(α+Fe3C)（珠光体P）,α中析出三次渗碳体(Fe3CIII)。具体转变过程见动画演示。室温下共析钢的组织组成全部为珠光体（可以忽略Fe3CIII）。图8是共析钢室温组织（珠光体）的金相照片。

共析钢冷却过程中的组织转变 图8 共析钢的室温组织(P)
共析钢只有一种组织（忽略Fe3CIII），即珠光体P，珠光体由α和Fe3C两个相组成。应用杠杆定律可以计算出α和Fe3C两个相的相对量。
例题
计算珠光体中α和Fe3C两个相的相对量。
解：应选择α+Fe3C二相区，共析温度（727℃）

或QFe3C=1-Qα=1-88.75%=11.25%

含碳0.45%的亚共析钢是应用十分广泛的一种钢，通常称为45号钢。45钢在液态到室温的冷却过程中将发生以下转变：匀晶转变L0.45→L0.53+δ，包晶转变L0.53+δ→γ0.45，同素异晶转变γ0.45→α+γ0.77，共析转变γ0.77→(α+Fe3C)。转变过程见动画演示。室温下45钢的组织为：铁素体α+珠光体P（α+Fe3C）。45钢的实际室温组织照片见图9。所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在于相对量的差别：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的量越少。图10和图11分别是20钢(0.20%C)和60钢(0.60%C)的组织照片，可以明显看出铁素体与珠光体的相对量随含碳量的变化。应用杠杆定律可以准确计算相对量的多少。

45钢冷却过程中的组织转变 图9 45钢的室温组织

图10 20钢的室温组织 图11 60钢的室温组织
例题
应用杠杆定律计算45钢中铁素体α和珠光体P的相对量。
解：应选择α+γ二相区，共析温度

或QP=1-Qα=1-42.77%=57.23%
同样可以计算出20钢：Qα=76.18%,QP=23.82%；
60钢：Qα22.72%,QP=77.28%。

过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体γ；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3CII），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光体P。因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(α+Fe3C)+Fe3CII。具体转变过程见动画演示。实际1.2%C（T12）钢的室温组织照片见图12。对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中Fe3CII的量增大。由于大量的Fe3CII会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe3CII的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe3CII网）或相应的热处理后才能使用。
过共析钢冷却过程中的组织转变演示

图12 1.2%C过共析钢的室温组织 图13 1.4%C过共析钢的室温组织
比较图12和图13，可以看出1.4%C钢中的Fe3CII的量比1.2%C中明显的多。

共晶白口铁在从液态缓慢冷却到室温的过程中，首先在1148℃进行共晶转变，液相全部凝固成为高温莱氏体Ld（共晶组织）：

在1148℃到727℃之间，莱氏体中的奥氏体γ将按照ES线的变化趋势析出二次渗碳体Fe3CII，而奥氏体在727℃时的含碳量降到0.77%；此时，奥氏体进行共析转变将全部转变成珠光体P：

以上转变过程见动画演示。经过共析转变的莱氏体，称为低温莱氏体，用符号Ld'表示，以区别Ld。珠光体中的渗碳体叫做共析渗碳体，共晶组织中的渗碳体叫做共晶渗碳体。
所以，共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体Ld'，其组织组成为：P+Fe3C 共晶+Fe3CII。图14是共晶白口铁的实际室温组织照片。

共晶白口铁(4.3%C)冷却过程中的组织转变 图14 共晶白口铁的室温组织

亚共晶白口铁冷却过程中组织转变与共晶白口铁类似，只是在共晶转变之前，液相中先结晶出奥氏体。到达1148℃时，剩余的液相成份为4.3%C，再往下面，液相的转变就与共晶白口铁一样了。先结晶出来的奥氏体和共晶奥氏体一样，在以后的冷却过程中依次析出二次渗碳体（难以明显看出）和进行共析转变（见下面动画演示）。室温下亚共晶白口铁的平衡组织为：P+Fe3CII+Ld'。图15为实际亚共晶白口铁的室温组织。

亚共晶白口铁(3.0%C)冷却过程中的组织转变 图15 亚共晶白口铁的室温组织，图中黑色
树枝状组织为珠光体，其余为共晶组织
（低温莱氏体Ld'）。

过共晶白口铁在从液态到室温的冷却过程中，先从液相中结晶出来的是一次渗碳体Fe3CI，剩余的液相在1148℃进行共晶转变。以下的过程与共晶白口铁相同（见下面动画演示）。因此，过共晶白口铁的室温组织为：Fe3CI+Ld’。见图16。

过共晶白口铁(5.0%C)冷却过程中的组织转变 图16 过共晶白口铁的室温组织
图中白色条状组织为一次渗碳体Fe3CI，
其余为共晶组织（低温莱氏体Ld’）。
所有白口铁因含有大量的渗碳体而具有很高的硬度，极低的塑性，属于脆性材料。在生产中白口铁主要用于抗磨件，如：轧辊、犁铧、抗磨衬板，等。另外，生产可锻铸铁也需要先生产出白口铸铁坯件，然后通过石墨化热处理得到可锻铸铁件。

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