铁碳相图在金属学与热处理课程中的地位

刘慧敏 张瑞英 许 萍 刘军

内蒙古工业大学 内蒙古呼和浩特 010051

实验教学与课程建设

铁碳相图在金属学与热处理课程中的地位

刘慧敏 张瑞英 许 萍 刘军

内蒙古工业大学 内蒙古呼和浩特 010051

为加强学生对金属学与热处理课程整体内容的理解和掌握，以铁碳相图为例，由相图横坐标(组元)引出“纯金属→合金”的材料体系的变化；从相图纵坐标(温度)的变化，引出“高温→室温(凝固/结晶)→高温(保温)→室温(热处理)”的相变规律。引入平面几何中的“点线面”的变化规律和“量变引起质变”的哲学思想，理解铁碳相图的形成规律，找到了材料科学与数学及哲学之间的交叉点，为学习金属学与热处理课程全部内容，提供一条简单而有效的归纳方法。

铁碳相图；铁碳合金；金属学；热处理

铁碳合金是金属学与热处理课程的一章内容，而铁碳相图是学习铁碳合金的重点内容。对于不同层次的学生，不同学校选用的教材及对应的教学内容有所不同[1-5]。本文针对一些地方院校的本科生所使用的教材[6]，结合多年的教学过程，分析铁碳相图与金属学与热处理课程之间的关系，旨在突出铁碳相图在金属学与热处理课程中的地位，增强金属学与热处理课程知识的系统性。

1 纯Fe及Fe-C相图的形成

纯铁在固态下具有两次同素异构转变(A4转变和A3转变)和一次磁性转变(A2转变)。A4转变和A3转变属于一级相变，新相的形核往往在晶界等缺陷处，所以相变前晶界越多、最后形成的晶粒越细小。可理解为纯Fe自身就有固态下的两次细化过程。加上A点对应的凝固(结晶)转变，共有3次形核及其长大过程。如图1纯Fe及Fe3C的冷却曲线相变点示意图所示。

A转变：L-Fe←→δ-Fe，熔点：1 538 ℃，固态←→液态

A4转变：δ-Fe←→γ-Fe，A4点：1 394 ℃，BCC←→FCC

A3转变：γ-Fe←→α-Fe，A3点：912 ℃，FCC←→BCC

图1 纯Fe及Fe3C的冷却曲线相变点示意图

众所周知，细晶强化对于金属结构材料来讲是最完美的强化方法，既能提高强度、硬度，又能少量提高塑性和韧性。如果在纯铁的凝固过程中采取变质处理等细化晶粒的措施，待其温度降到室温时，共有3次细晶强化效果出现。纯铁中加入少量的碳，形成固溶体后，依然保持溶剂(纯铁)的同素异构转变特征，构成了多形性转变。所以，铁碳合金在凝固及后续的冷却过程中依然具有与纯铁相似的细晶强化过程，从而具有优质的力学性能，成为用途最广泛的结构材料。

由图2 Fe–C双重相图可知，还有两个(A2和A0)磁性转变：

A2转变：α-Fe的磁性转变，顺磁性(高温)←→铁磁性(低温)，A2点(居里点温度)：770 ℃。

A0转变：Fe3C的磁性转变，顺磁性(高温)←→铁磁性(低温)，A0点(居里点温度)：230 ℃。

磁性转变前后没有体积和熵值的突变，即没有晶体结构的变化，属于二级相变。这一特点使得铁碳合金作为磁性材料已经成为功能材料家族的一个重要的组成部分。所以，铁碳合金具有双重身份，既是结构材料又是功能材料。

同理，A2和A0点铁碳相图(如图2所示)中也分别形成的一条磁性转变线，对应770℃和230℃的两条虚线。前者是铁素体(α相)的、后者是Fe3C的磁性转变线。表明对应的合金也具有磁性转变特征。Fe3C是溶质含量超过极限后形成的金属间化合物，有趣的是，不仅由α-Fe和碳形成的固溶体(铁素体)具有铁磁性，而且由纯Fe和C形成的金属间化合物Fe3C也具有铁磁性，只是二者的居里点温度不同而已，前者的居里点温度与α-Fe的居里点温度相同(均为A2点)。

图2 Fe–C双重相图

正因为纯金属Fe及Fe3C具有这些转变特征，在铁碳相图的左侧纵坐标轴上形成的A0，A2，A3，A4，A这5个特征点，并构成铁碳相图中相变线的起始点。由此可知，材料体系由纯金属Fe变为Fe-C二元合金时，由上述特征点引出相图中的多个线条，而这些线条围成的不同封闭区域构成不同的相区，而不同的相区意味着合金不同的晶体结构状态，而合金不同的晶体结构状态体现出不同的性能特点。铁碳相图与其他的二元合金相图相比，相图中的线条多，相区多，就是因为铁碳合金的基体纯铁本身的相变点(起点)多。相图的相区多，对应的材料的状态多，材料具有相对丰富的内涵(性能的多样性)，使其适应不同加工工艺要求和服役(使用)要求。

2 对铁碳相图不同角度的理解

2.1 从几何数学的角度理解铁碳相图

相图左侧的纵坐标表示100%的纯金属Fe，这条直线由多个点构成，其中如上所述有几个点(相变点)值得关注。当纯金属Fe中加入一定量的C(即合金化后)成为Fe-C合金的过程，若用几何数学的语言描述，可以理解为，当一维坐标轴变为二维坐标系时，点成为线，相变点变成相变线。就因为有了这几个相变点，才形成了对应的相变线，有了这些相变线，才把相图(二维平面区域)划分成不同的相区，使得材料的存在形式多样化，对应的组织与性能更加丰富多样，更容易多方位满足工艺和使用要求。遗憾的是很多常用金属(如铝、铜、镁等)不具备这样的同素异构转变/多形性转变特点，所以它们的二元合金相图构不成很多相区，显得很单调。

2.2 从哲学角度理解铁碳相图

溶解度(固溶度)曲线就能体现“量变引起质变”的哲学思想。合金元素C溶于Fe基体中的量是有限的，并且在不同的温度区间，溶解度也是不同的。因为在不同的温度区间，Fe基体的晶体结构不同，它们的间隙数量、间隙半径和分布不同，能够溶纳C原子的能力不同(如图2所示)。δ-Fe和α-Fe的溶解度很小，分别为0.09%和0.0218%，而γ-Fe的溶解度较大(2.11%)。一般来讲，合金元素C进入基体后，首先溶于基体晶格中，形成固溶体，如果含碳量超过对应的溶解度，则要发生相变，形成新相，也即量变引起了质变。由于溶解度与温度有关，因此固溶和脱溶也是随温度上升和降低而进行的可逆过程，期间伴随晶界和晶内浓度的平衡和非平衡状态相互交替出现，所以也可理解为一对辩证的过程。

2.3 从材料科学的角度理解铁碳相图

相图是以温度成分作为坐标系描述材料所处状态的图解，也是研究材料科学的一个参考工具。在相图中给出一个合金状态(表象点)，就应该得知其所处温度及成分，反之亦然。材料的状态是连续变化的，相图中的线条也是连续的、不能中断于相区内部，而且这些线条是不同相区的分界线。事实上，铁碳相图就是由包晶转变、共晶转变和共析转变三种转变(反应过程)有机结合而形成的。在已知的二元相图中，Fe-C相图的线条比较多，尤其是固相线以下的线条非常多，表明材料的固态相变多，即可热处理强化，由此也引出来钢的热处理知识。

图3为铁碳相图与金属学与热处理的分解图。由图可知，铁碳相图以图解的简单形式，能够基本覆盖金属学与热处理课程的全部内容，体现出铁碳相图在金属学与热处理课程中的重要地位和作用。最突出的特点是能够把金属学与热处理两大部分有机地衔接起来，具有承上启下的作用；此外，由铁碳相图引出的铁碳合金(黑色金属)，分为碳钢和铸铁两部分，合金化后的碳钢形成了工业用钢，与铸铁、有色金属及合金构成了金属材料体系的重要分支，也是本课程除了金属学与热处理以外，附带的常用金属材料的内容。

图3 铁碳相图与金属学与热处理的分解图

如前所述，具有优质或独特的纯铁中加入碳元素而合成的Fe-C合金，比起纯金属Fe基体更具优质的性能，体现了有条件的“合作有利”现象，其条件就是溶剂(基体)本身的同素异构转变及磁性转变特点。Fe-C合金是是由碳钢和铸铁组成，所以也可称为钢铁材料。

碳钢的塑性变形能力强、塑性好。对碳钢进行压力加工时，一般加热至单相奥氏体(A)区(因此在图3中，由A区引出了金属的塑性变形内容。原因是单相区，成分相对均匀，性能均一，更重要的是A具有FCC结构，不仅滑移系多(4×3=12)，而且滑移方向也多，有利于塑性变形，易获得所设计的形状和尺寸，显示出材料的结构影响性能(工艺性能)的基本理论。钢在高温区变软，加工阻力小，由于上述晶体学的特点，其成形性也好，加工结束后的冷却过程中，材料本身就自带两次固态相变(细化过程)，如果有效地控制冷却工艺，会得到更佳效果。冷塑性变形后的工件，或多或少都残留一些应力，因此有必要进行退火，消除残留应力，所以在图3中由金属的塑性变形部分引出了回复与再结晶的内容。

铸铁由于其含碳量处于含碳量的较多(2.11%～6.69%)的范围，由于共晶点及其附近的Fe-C合金具有良好的流动性，所以其铸造工艺能很好，由此将这一成分范围的铁碳合金称为铸铁。由于含碳量继续增多，则硬而脆的Fe3C的量随之增多，影响了材料的压力加工性能。因此，目前使用的铁碳相图的横坐标就终止于6.69%，而与其他二元合金相图(横坐标值均为100%)，少了很多内容。如何开发应用C%＞6.69%的Fe-C合金、如何克服Fe3C的不足等问题可以留给学生，启发他们继续思考更加深层的材料科学的问题。

3 结束语

以铁碳相图作为金属学与热处理课程的总结与展开工具，不仅能够深入理解铁碳相图本身的含义，对钢铁材料形成较为系统的认识，并以铁碳合金为例，掌握金属学与热处理课程的基础知识和基本理论；为进一步学习其他金属材料及其热处理知识，提供一条有效而简单的方法。同时指出铁碳相图的不足，有助于启发学生的学习兴趣和方向。

[1] 范莉,于志生.金属学与热处理课程教学探讨[J].内蒙古教育:职教版,2013(7):40-41.

[2] 谢文玲,周顺勇.归类法讲解铁碳相图的点、线和相区[J].广州化工,2015,43(21):184-186.

[3] 严满清,徐更生,王海燕.《铁碳合金相图》的教学探究[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2010,9(4):48-49.

[4] 徐颖梅.关于铁碳合金相图的教学浅析[J].时代教育:教育教学版,2009(11):93,111.

[5] 黄立城.铁碳合金相图教学中重难点分析及化解[J].职业,2010(14):154-155.

[6] 崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理[M].第二版.北京:机械工业出版社,2007.

Status of Iron-carbon Phase Diagram in the Curriculum of Metallography & Heat Treatment

Liu Huimin, Zhang Ruiying, Xu Ping, Liu Jun
Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, 010051, China

In order to enhance the understanding and grasp of students on the whole course content of Metallurgy and Heat Treatment, our study taking iron carbon phase diagram as an example, by the abscissa (component) of the phase diagram educe "pure metal → alloy" material system change; introduce the changing regularity of the "points, lines, surface" in geometry and the philosophy thought that quantitative cause a qualitative change by the ordinate change (temperature) of the phase diagram, i.e. Phase changing regularity of "High temperature → room temperature (coagulation/crystal) →high temperature (heat preservation) →room temperature (heat treatment)", such transformation regularity make us understand the formation regularity of the iron carbon phase diagram and help us find out the intersection between material science ,mathematics and philosophy, afford us a simple and efficient inductive method to study the whole content of the metallography and heat treatment.

iron-carbon phase diagram; iron-carbon alloy; metallography; heat treatment

2016-05-01

刘慧敏，博士，教授。

内蒙古自治区“金属学与热处理”精品课程建设项目。