铁碳合金相图研究*

张红昆，张 延，陈 磊，张申奥，邢雯婧，尹明恩，汪湘粤

（蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠233030）

在铁碳合金相图中存在着许多丰富而又重要的知识区域，能够明白这些知识对于深入学习工程材料有很大的帮助。铁碳合金相图是指在极其缓慢或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所处状态的图形，如图1所示。

图1 铁碳合金相图

1 相图中的基本组织

纯铁：铁的熔点和凝固点均为1535℃，沸点2750℃，纯铁具有银白色金属光泽。纯铁的塑性和韧性好，但强度、硬度很低，在机械零件制造中很少直接使用。同时它具有三种同素异构晶格形式。纯铁在1538℃结晶后，具有体心立方晶格，称为δ-Fe；当冷却到1394℃时发生同素异构转变，由体心立方晶格的δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe；继续冷却至912℃时，再次发生同素异构转变，又由有面心立方晶格的γ-Fe转变成了具有体心立方晶格的α-Fe；再继续冷却时晶格类型不再发生变化。

铁素体：铁素体是α-Fe内固溶有一种或数种其他元素、晶体点阵为体心立方的固溶体。符号F、α或α-Fe表示。铁素体晶界圆滑，晶体内很少见孪晶或滑移线，颜色浅绿、发亮，深腐蚀后发暗，钢中铁素体以片状、块状、针状和网状存在。由于α-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因此溶碳能力极差，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218%，随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600℃时溶碳量约为0.0057%，在室温时溶碳量约为0.0008%。性质与纯铁相同：强度、硬度低，塑性好。

奥氏体：奥氏体是钢铁的一种层片状的显微组织，通常是γ-Fe中固溶少量的碳或其他元素、晶体结构为面心立方的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁、γ-Fe或A。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀（William Chandler Roberts-Austen）。奥氏体强度较低，但其溶碳能力较大，在1146°C时可以溶进2.04%的碳，奥氏体的点阵排列特殊，因此奥氏体的在塑性方面很好，但屈服强度低，易于加工塑性成形，所以工业上，一般把钢材加热到1100°C以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材或加工成零部件。

渗碳体：渗碳体的分子式为Fe3C（碳化三铁），常用Cm或Fe3C表示，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。它的含碳量为6.69%；熔点为1227℃左右，渗碳体的硬度很高，脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网状。在一定条件下（如高温长期停留或缓慢冷却），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。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他组织相互共存时呈片状、粒状、网状或板状。由于其特殊的经理化性质，3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色，若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色。

珠光体：珠光体其实就是铁素体和渗碳体组成的混合物，因其金相似珍珠光泽而得名，用符号“P”表示。碳素钢中珠光体组织的平均碳含量约为0.77%，由于是两者的混合物，性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性较好，硬度适中，塑性较好。

莱氏体：莱氏体是以白亮的渗碳体为基体，上面分布着许多粒状、条状或不规则形状的黑色珠光体。常温下为珠光体、渗碳体和共晶渗碳体的混合物，用符号Ld表示，其平均含碳量为ωc=4.3%。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，称为高温莱氏体；在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，称为变态（低温）莱氏体。因为莱氏体的基体为渗碳体，所以在性能上表现出硬度高，塑性很差。

2 相图分析

铁碳合金相图如图1所示，相图中点、线及相区的含义如下。

2.1 点的含义

C、J、S点，这三个点分别代表共晶点、包晶点、共析点。C点，碳的百分含量为4.3%，温度大致在1148℃左右，曲线ABCD线的上方是液相区，下方是双相区（一液相生两固相，即是成分为C的液相冷却到此温度时，发生共晶反应Lc→A+Fe3C），随着温度的降低（从铁的沸点）液态合金析出两固相合金反应的最低位置，在这一点发生共晶反应且在此碳含量一定的条件下，过了这一点反应的温度后反应将转变，C点即是临界点-共晶点。J点，碳的百分含量为0.17%，温度在1495℃，曲线ALJECF为固相线，线的上方是金属溶液结晶的固相态区和原有的液相区，下方是另一固相（一固相和一液相生成另一固相），而J点是此界线上温度下降后发生反应最先开始的一点，J点即是——包晶点。S点，碳的百分含量为0.77%，温度为700℃上下，结晶的新固相在适当的温度和碳含量重新生成新的两种不同的固相（一固生两固，即是成分为S点的奥氏体冷却到此温度时，发生共析反应：As→P（F+Fe3C）），S点所在的那一点是进行反应的最先发生点，所以S点是共析点。P点，碳在α-Fe中的最大溶解度。E点，碳在γ-Fe中的最大溶解度。H点，碳在δ-Fe中的最大溶解度。Q点，室温下，碳在α-Fe中的溶解度。

2.2 重要特征线及其相区

在合金相图中，分为几个区域——五个单相区（ABCD线的上方的液相区L，AHNA区的δ固相区，NJESGN区为奥氏体（A或γ）相区；GPQG区为铁素体（F或α）相区；DFK线为渗碳体（Fe3C或Cm）相区），七个两相区（L+δ、L+A、L+Fe3C、δ+A、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C。字母可能有些许不同，只是表示方法不同），三个三相区（三条水平线HJB、ECF、PSK）。

位于最上面的液相线ABCD，从左往右来看是随着碳的百分含量的增长，从上而下是随着温度的下降，因此在A点（Fe的熔点），是单独Fe这种物质的液态相，而随着碳含量的增长，铁碳合金的熔点不断地降低（合金的性质：多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点），直到碳含量达到此合金的纯点-D点Fe3C的熔点（铁碳合金的含碳量当达到6.69%的时候就是纯Fe3C了，再增加的话，合金的脆性变大，强度等性质变低，对于实际工程材料无太大用处，不再研究）；于是在这个碳含量区间之内各点相连组成的线——ABCD线，便是液相线。

固相线AHJECF。在液相线下，随着温度降低，先是结晶出δ-Fe，L与δ-Fe共存；之后在1495℃，碳含量为：0.09%-0.53%时，发生包晶反应

包晶反应是在恒温下进行，产物为奥氏体，在条件下均将进行包晶转换，可能会有残余的δ-Fe，但会在温度下降时转变为奥氏体，但并不属于包晶偏析（注：在高温度时，碳原子的运动剧烈不会给包晶反应带来严重偏析，但在高合金中会因原子的慢运动中会产生此结果）。在此过程中，有三种物质，液相合金L相、新生成的奥氏体相和δ-Fe相，所以在这条HJB线水平线上存在着三种相-三相区。在此部分亦发生了匀晶反应生成δ-Fe（ALN区）和奥氏体相（JES区）；再往后看，碳的含量小于4.3%时，先结晶出奥氏体，含量高于4.3%时结晶出一次渗碳，往这条线AHJECF下看则全部转换成固体，因此，此分界线为固相线。

NH线。线上为δ-Fe相线下为δ-Fe和奥氏体相，再看NJ线下的奥氏体相可知，此处发生了匀晶反应，全部转变成了奥氏体相，而从N点开始，随着碳含量的升高，NH线升高最后达到H点后水平不变，这条线我们可以理解为碳在δ-Fe相中的溶解度曲线，溶碳含量从0增至0.09%，部分溶解形成奥氏体，达到H点时到达饱和点，于是不再增加呈水平状态，H点便是碳在δ-Fe中最大的溶解度。

SE线，又称Acm线。从图1可知，随着温度的下降，δ-Fe相全部转化为奥氏体相（γ-Fe）。在SE线上，是溶解度较大的奥氏体，线下则是由多余的碳插在γ-Fe空间结构中形成并析出的二次渗碳体相和奥氏体相组成的双相区，所以SE线也可看做碳在γ-Fe相中的溶解曲线图，S点后，碳的溶解度不断增大，到E点后不再变化，E点则是最大溶解度点（2.11%）。

GS线，又称A3线。从图1中不难发现这是奥氏体开始析出铁素体的分界线，在铁碳合金冷却过程中，随着温度的降低达到γ-Fe⇌α-Fe的反应温度912℃，于是不断的有铁素体析出，铁的同素异构反应使得奥氏体不断转换为铁素体。G点不难看出是转变温度点——912℃。

GP线和QP线。先是GP线，可以看出线上是奥氏体和铁素体双相区，由于铁素体是体心立方的固溶体，原子紧密度、利用度较高，因此对碳的溶解度较低最大才0.0218%，多余的碳原子与铁原子在空间上进行排列变成更脆的三次渗碳体并从铁素体晶界析出，因此，工业上可采用重新热处理法等消除。对于QP线，从线上下的产物和温度不难看出Q点是碳的600℃溶解度点，QP线则是碳在α-Fe中的溶解度曲线，在P点达到最大点。

共晶线ECF线。在温度为1148℃由含碳量为4.3%的液相转变为含碳量为2.11%的奥氏体和含碳量为6.69%的渗碳体组成的混合物。其反应式为：Lc⇌Ae+Fe3C共晶。

共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，称为莱氏体，用Ld表示。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈短棒状分布在渗碳体的基体上。莱氏体的产生可以从CD线看起，CD线在碳含量大于4.3%的区域（碳含量快接近于Fe3C分子式中碳含量），直接以一次渗碳体的形式从液相中直接结晶析出；然后在共晶温度，一部分液相通过共晶反应生成莱氏体。再随着温度的下降（727℃之下），生成低温莱氏体，C点则是在合适条件，全部生成两者的共晶体即是莱氏体。

共析线PSK线。在727°C恒温下，从水平线可知是由含碳量为0.77%的奥氏体转变为含碳量为0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物，其反应式：As⇌Fp+Fe3C共析(γ→α+β)。

共析转变的产物称为珠光体，用符号P表示。共析转变的水平线PSK，称为共析线或共析温度，常用符号A表示。凡是含碳量大于0.0218%的铁碳合金都将发生共析转变。经过共析转变形成的珠光体是层片状的。珠光体可以从GSP双相区开始分析，在共析温度下奥氏体生成铁素体和渗碳体即是珠光体，在反应进行和碳含量的增长下，两者含量达到珠光体中两者含量比，在S点完全转换成珠光体。

3 碳含量对组织的影响

从相图中不难发现，随着碳的质量分数的增加，铁碳合金组织中渗碳体的数量在增加，而且渗碳体的形态、分布也随着发生变化。渗碳体在一次渗碳体时是以长条状形式存在，而在珠光体中以层片状分布，继而以网状分布，最后在莱氏体组织中，有以点条状渗碳体均匀分布在奥氏体基体上的共晶渗碳体，也有最后莱氏体时渗碳体又变成主要成分且以针状分布。而引起组织的变化，显然这是由于成分的变化，使相发生变化而造成的。这表明，在铁碳合金中，碳含量对组织形式有着一定决定性的影响，而组织组分的不同形态，又决定了其性能变化的复杂性。不难知道碳含量在影响组织形态的同时，也在影响着合金的性能，因为物质的结构决定性质。

4 铁碳合金的应用

在相图的曲线给人带来的直观信息中，我们可以根据每点的信息去制备我们所需要的物质，并进一步制作完备工艺，提高效率，减少能源消耗。在设计零件时，可根据铁碳合金相图选择材料。如若需要割韧性高的材料，如建筑结构、各种容器和型材等，应选择低碳钢；若需要塑性、韧性和强度都相对较高的材料，如各种机器零件，应选择中碳钢。其在铸造和锻造工艺中提供理论基础。在铸钢生产中常选用碳的质量分数不高的中、低碳钢。在锻造工艺中，处于A状态的钢，其强度低，塑性好，可锻性好。因此，都要把钢加热到高温单相A区进行塑性变形，但是又由于锻造温度太高会对钢材进行强烈的氧化，太低的话，又会使得钢材塑性不够产生裂纹。在生活中还有许多的生产实际需要相图的帮助，比如热处理工艺、新型铁碳合金的制备和单一相的科学应用等诸多问题。但是相图还是存在一定的局限性。如：相图只反映了铁与碳两种元素的成分与组织的关系，而工业上应用的钢和铸铁，在冶炼过程中不可避免存在着多种杂质，这些杂质均在不同程度上影响着合金的组织与性能。相图是平衡条件下绘制的，在生产实践中对钢和铸铁的加热、冷却都具有一定的速度，因此，结晶温度及产物均有变化，于是就需要科学理论进行实际化的运用。