铁碳合金相图分类分析*

彭德春，杨赵宇，陈年升，周章庆，王 朝，汪湘粤

（蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠233030）

1 概述

铁碳合金相图是《工程材料及热处理》课程中的重要内容。同时，它也是研究铁碳合金最主要的工具。铁碳合金相图，顾名思义就是Fe-Fe3C 相图，纯铁与碳作为基础元素合成铁碳合金[1]。其中，纯铁在固体状态下，具有同素异构转变。在不同状态下的纯铁与碳，可以形成不一样的固溶体，对于Fe-Fe3C 相图上的间隙固溶体主要包括铁素体（符号F 或α-Fe），奥氏体（符号A 或γ-Fe），铁素体与奥氏体是碳分别溶于α-Fe、γ-Fe 中形成的间隙固溶体[2]。而渗碳体（符号Fe3C 或Cm）并没有同素异构转变，属于金属化合物。由于许多学生没有真正掌握铁碳合金相图，容易记混，本文从相区、组织、特殊线及相关点出发，对铁碳相图进行系统性的分类分析。

图1 铁碳合金相图

2 相区

图1 为铁碳合金相图。铁碳合金相图共有五个单相区、七个两相区、三个三相区、五个单相区分别为：液相区（L）、铁素体区（α）、奥氏体区（γ）、固溶体区（δ）、渗碳体区（Fe3C）。七个两相区分别为：ABH 相区（L+δ）、HJN相区（δ+）、BCEJ 相区（L+γ）、CDF 相区（L+Fe3C）、GSP 相区（L+α）、ECFKS 相区（γ+Fe3C）、PSKQ 相区（α+Fe3C）。三个三相区分别为：SA 点相区（α+γ+Fe3C）、C 点相区（L+γ+Fe3C）、J 点相区（L+δ+γ）。

3 组织

按照含碳量，铁碳合金分为：工业纯铁（Wc＜0.0218%）、钢（0.0218%＜Wc＜2.11%）和白口铸铁（2.11%＜Wc＜6.69%）。如图2 所示。其中，钢又可以分为：亚共析钢（0.0218%＜Wc＜0.77%）、共析钢（Wc=0.77%）和过共析钢（0.77%＜Wc＜2.11%）三种不同类型；白口铸铁又可分为：亚共晶白口铸铁（2.11%＜Wc＜4.3%）、共晶白口铸铁（Wc=4.3%）和过共晶白口铸铁（4.3%＜Wc＜6.69%）三种不同类型[3]。

图2 铁碳合金相图分类图

表1 铁碳合金相图中的特殊点

4 转变

铁碳相图共有三个转变，如图1 所示，分别为包晶转变、共晶转变和共析转变。

包晶转变：在1495℃时，固相δ 在H 点，它与周围成分为B 点的液相L，固相δ 与液相L 相互发生转变，成分为J 点的另一新相γ 固溶体，这种转变叫包晶转变或包晶反应[4]。

共晶转变：在特殊的温度下，特定成分的液体同时结晶出两种特定成分的固相的反应。例如：含碳量为2.11%-6.69%的铁碳合金，在1148℃的温度下（C 点）出现共晶反应，产物是奥氏体（固态）和渗碳体（固态）的机械混合物，称为“莱氏体”。在此点的左侧为亚共晶白口铸铁，右侧为过亚共晶白口铸铁。共晶反应生成的是微观结构为莱氏体的白口铸铁。合金系列中某特定化学成分的合金，在特定的温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变或共晶反应[5]。

共析转变：共析，顾名思义，即两种或以上的固相（新相），从同一固相（母相）中一起析出，而发生的相变，称为共析转变，有时也称共析反应。例如：在727℃恒温下、碳浓度为0.76%-0.78%附近时（S 点），发生共析转变，其原相为奥氏体，共析相分别为左端的铁素体和右端的渗碳体，这一由温度与浓度确定的点称为共析点，在此点左侧为亚共析区，右侧为过共析区。共析反应生成的是微观结构为珠光体的碳钢[6]。

5 相图中的特殊点

铁碳相图中特殊点的含义如表1 所示。

6 特殊线

如图1 铁碳合金相图所示，HJB 三点水平线（1495℃）为包晶线，与此线成分（0.09%-0.53%C）相对应的基本元素在此线温度下出现包晶转变，转变产物为奥氏体；ECF 三点水平线（1148℃）为共晶线，与此线成分（2.11%-6.69%C）相对应的合金元素在此线温度下出现共晶转变，转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，并称为莱氏体，用符号“L”表示；PSK 三点水平线（727℃）为共析线，与此线成分（0.0218%-6.69%C）相对应的合金元素在此线温度下出现共析转变，转变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示，共析线又名为A1 线[7]。

此外，铁碳合金相图中还存在六条固态转变线：GS线、GP 线为αγ 固溶体转变线，HN 线、JN 线为δγ 固溶体转变线。例如，GS 线是慢慢降温时铁素体从奥氏体中分离开始，加热时铁素体向奥氏体转变完成的温度线。GS 线又称为A3线，JN 线又名为A4线。ES 线为碳在δ-Fe 中的固溶线。在1148℃，碳的溶解度为最大值，是2.11%。随着温度的降低，溶解度也在下降，在727℃时溶解度只有0.77%。所以含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃降温至727℃时，会从奥氏体中分离出渗碳体，又称之为二次渗碳体，标记为Fe3CII。二次渗碳体常常沿奥氏体的晶界呈网状分布在其周围。ES 线又称为Acm线。PQ 线为碳在α-Fe 中的固溶线。在727℃时，碳的溶解度最大，为0.0218%，随着温度的降低，溶解度也在缓慢下降，达到室温时溶解度仅为0.0008%。所以铁碳合金自727℃向室温冷却的过程中，会从铁素体中分离出渗碳体，并称为三次渗碳体，标记为Fe3CIII[8]。

另外，Fe-Fe3C 相图中有两条特殊的物理性能转变线：MO 线（770℃）是铁素体磁性转变线。在770℃以上，铁素体为顺磁性物质，在770℃以下，铁素体转变为铁磁性物质，此线又称为A2线；UV 线（230℃）是渗碳体磁性转变温度，又称为A0线。

7 基本相

铁碳合金相图的基本相有铁素体、奥氏体，渗碳体，珠光体，莱氏体。

铁素体是指碳固溶在a-Fe 中形成的固溶体，性能接近纯铁，比较软，塑性、韧性好。从铁碳合金相图可知，铁素体在727℃时，其中含有0.0218%的碳，温度降低时，碳的溶解度发生下降，在室温时，仅为0.008%，几乎不含碳。铁素体的晶体结构为体心立方结构，结构图如图3 所示。晶胞中8 个原子位于立方体的8 个棱角上，与相邻其他8 个晶胞共用，中心1 个原子单独属于该立方结构，计算该立方体的中的原子数为8×1/8+1=2（个），晶格参数：a=b=c，α=β=γ=90°即晶胞结构的各个边长都相等，夹角为90°。

图3 体心立方晶体结构

通常采用工业纯铁试样观察铁素体的金相组织，图4 为工业纯铁试样经打磨抛光采用4%的硝酸酒精腐蚀后的形貌，铁素体呈现出白色，晶界为形状不规则的多边形，晶界呈现黑色。

图4 工业纯铁金相组织图

奥氏体是碳溶于γ-Fe 中形成的固溶体，强度和硬度比铁素体高，塑性，韧性好。从铁碳合金相图可知，奥氏体属于高温区，在1148℃时，奥氏体中含碳量为2.11%，温度下降时，碳含量也降低，在727℃是，含碳量为0.77%。奥氏体的晶体结构为面心立方结构，结构图如图5 所示。晶胞中8 个原子位于立方体的8 个棱角上，与相邻8 个晶胞共用，立方体6 个面，每个面各有一个原子，与周围相邻的6 个晶胞共用，计算该立方体的中的原子数为8×1/8+6×1/2=4（个），晶格参数：a=b=c，α=β=γ=90°即晶胞结构的各个边长都相等，夹角为90°。

图5 面心立方晶体结构

奥氏体的金相组织如图6 所示，奥氏体晶粒为多边形的形状，但晶界的多边形比铁素体晶界的平直。

图6 奥氏体金相组织

渗碳体的晶体结构属于正交系，化学式常用Fe3C 表示，硬度和脆性很大，塑性和韧性较差。图7 为渗碳体的金相组织结构，图中白色的条状组织为渗碳体组织。

珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，铁素体和渗碳体以薄层状交替重叠组成珠光体，珠光体的性能处于渗碳体和铁素体之间，有一定的强度、硬度和塑性。

莱氏体有高温莱氏体和低温莱氏体，高温莱氏体是奥氏体和渗碳体的共晶体，低温莱氏体是珠光体和渗碳体的复合物，也叫做“变态莱氏体”。莱氏体的含碳量为4.3%，莱氏体比较硬、脆，塑性差。

图7 渗碳体金相组织图

8 结束语

铁碳合金相图是《工程材料及热处理》课程的重要章节，拆分相图理解铁碳合金成分、温度、组织和性能之间的关系，应用相区、组织、特殊点、特殊线的含义来记忆铁碳合金的重难点，掌握铁碳相图的组成、分类、加热和冷却过程组织转变过程，能更好理解铁碳合金相图，为后续制定正确的热处理方案奠定理论基础。

铁碳合金相图是在理想化的状态下绘制的，与平面坐标相类似，在温度与铁碳合金组织变化的过程中，结合点、线、面分类分析从而达到理想的学习效果。