铁碳合金相图的教学分析

◆王彩霞

(衡水学院分院)

铁碳合金相图的教学分析

◆王彩霞

(衡水学院分院)

对Fe－Fe3C相图进行了全面分析，阐述了铁碳合金基本相铁素体、奥氏体和渗碳体的定义、力学性能、特点等，用铁碳合金基本相和相图的规律来分析铁碳合金相图的点、线和各区域组织。

铁碳合金 教学过程 重点难点

一、铁碳合金中的基本相

1.铁素体(F)

铁素体是碳在α－Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格，虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。

铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。

2.奥氏体(A)

奥氏体是碳在γ－Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格，虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。在一般情况下，奥氏体只存在于高温时，即727℃以上，故奥氏体的硬度低、塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁”正是这个意思。

3.渗碳体(Fe3C)

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，含碳量为6.69%，熔点1227℃。质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。

渗碳体按含碳量和形成条件不同而形态各异。从铁素体中析出的Fe3CⅢ由于很少而呈断续的薄片状分布于铁素体的晶界上(在分析铁碳合金的平衡组织时Fe3CⅢ可以忽略不计);从奥氏体中析出的Fe3CⅡ呈网状分布于珠光体的晶界上;从液体中直接析出的Fe3CⅠ则呈白色板条状;珠光体中的共析渗碳体呈层片状;莱氏体中的渗碳体由于量多以基体形式出现。

以相组成物标注的铁碳合金相图

二、铁碳合金相图的分析

Fe－Fe3C相图如图所示。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。

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、成分及其含义如下表所示。

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Fe－Fe3C相图中有三条水平线(三相区):

HJB水平线(1495℃)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℃)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。

PSK水平线(727℃)为共析线，与该线成分(0.0218%～6.69%C)对应的合金在该线温度下将发生共析转变:(0.77((0.0218+Fe3C。转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。共析线又称为A1线。

三、结合相图使学生灵活掌握

当学生对相图的“形”有了认识之后，再从学生已比较熟悉的点开始，将相图上点、线、面的意义进一步介绍给学生，并应特别注意共析与共晶的讲解，因为要想更深入的分析讲解相图，就应从不同成份的合金的结晶过程分析入手。在分析结晶的过程中重点是分析它们的结晶顺序及结晶过程和重结晶过程时各相中含碳量的变化与相图中温度的对应关系。即要以共析与共晶为基础，在共晶温度以上时，先结晶出的相要使用权剩余的液相成份向共晶成分(4.3%C)转化;在共晶与共析温度之间的奥氏体中析出的相要使未转化的奥氏体中的含水量碳量向共析成份(0.77%C)转化。当余下的液相或奥氏体温度降到共晶或共析成份时，便会发生共晶或共析反应。只要学生掌握了这一规律，学生就很容易掌握相图中各相的分布规律及成分、温度与组织三者间的关系。

[1]董秀琦.消失模铸造实用技术.机械工艺出版社，2005.

[2]李鹏志.铁碳合金相图[J].石家庄职业技术学院学报，2006，(4).

[3]张琳.铁碳合金相图的实践与探索[J].中国科技信息网，2008.