鐵碳合金相圖的教學分析

◆王彩霞

(衡水學院分院)

鐵碳合金相圖的教學分析

◆王彩霞

(衡水學院分院)

對Fe－Fe3C相圖進行了全面分析，闡述了鐵碳合金基本相鐵素體、奧氏體和滲碳體的定義、力學性能、特點等，用鐵碳合金基本相和相圖的規律來分析鐵碳合金相圖的點、線和各區域組織。

鐵碳合金 教學過程 重點難點

一、鐵碳合金中的基本相

1.鐵素體(F)

鐵素體是碳在α－Fe中的間隙固溶體，體心立方晶格，雖然BCC的間隙總體積較大，但單個間隙體積較小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃時)，室溫時幾乎為0，因此鐵素體的性能與純鐵相似，硬度低而塑性高，并有鐵磁性。

鐵素體的顯微組織與純鐵相同，用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈現明亮的多邊形等軸晶粒，在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布，但當含碳量接近共析成分時，鐵素體因量少而呈斷續的網狀分布在珠光體的周圍。

2.奧氏體(A)

奧氏體是碳在γ－Fe中的間隙固溶體，面心立方晶格，雖然FCC的間隙總體積較小，但單個間隙體積較大，所以它的溶碳量較大，最多有2.11%(1148℃時)，727℃時為0.77%。在一般情況下，奧氏體只存在于高溫時，即727℃以上，故奧氏體的硬度低、塑性較高，通常在對鋼鐵材料進行熱變形加工，如鍛造、熱軋等時，都應將其加熱成奧氏體狀態，所謂“趁熱打鐵”正是這個意思。

3.滲碳體(Fe3C)

滲碳體是鐵和碳形成的具有復雜結構的金屬化合物，含碳量為6.69%，熔點1227℃。質硬而脆，耐腐蝕。用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蝕，滲碳體呈暗黑色。

滲碳體按含碳量和形成條件不同而形態各異。從鐵素體中析出的Fe3CⅢ由于很少而呈斷續的薄片狀分布于鐵素體的晶界上(在分析鐵碳合金的平衡組織時Fe3CⅢ可以忽略不計);從奧氏體中析出的Fe3CⅡ呈網狀分布于珠光體的晶界上;從液體中直接析出的Fe3CⅠ則呈白色板條狀;珠光體中的共析滲碳體呈層片狀;萊氏體中的滲碳體由于量多以基體形式出現。

以相組成物標注的鐵碳合金相圖

二、鐵碳合金相圖的分析

Fe－Fe3C相圖如圖所示。可以看出，Fe－Fe3C相圖由三個基本相圖(包晶相圖、共晶相圖和共析相圖)組成。相圖中有五個基本相:液相L，高溫鐵素體相(，鐵素體相(，奧氏體相(和滲碳體相Fe3C。這五個基本相構成五個單相區(其中Fe3C為一條垂線)，并由此形成七個兩相區:L+δ、L+(、L+Fe3C、δ +(、(+Fe3C、(+(和(+Fe3C。

在Fe－Fe3C相圖中，ABCD為液相線，AHJECF為固相線。相圖中各特征點的溫度、成分及其含義如下表所示。

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Fe－Fe3C相圖中有三條水平線(三相區):

HJB水平線(1495℃)為包晶線，與該線成分(0.09%～0.53%C)對應的合金在該線溫度下將發生包晶轉變:L0.53+(0.09((0.17(式中各相的下角標為相應的含碳量)，轉變產物為奧氏體。

ECF水平線(1148℃)為共晶線，與該線成分(2.11%～6.69%C)對應的合金在該線溫度下將發生共晶轉變:L4.3((2.11+Fe3C。轉變產物為奧氏體和滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體，用符號“Le”表示。萊氏體的組織特點為蜂窩狀，以Fe3C為基，性能硬而脆。

PSK水平線(727℃)為共析線，與該線成分(0.0218%～6.69%C)對應的合金在該線溫度下將發生共析轉變:(0.77((0.0218+Fe3C。轉變產物為鐵素體和滲碳體的機械混合物，稱為珠光體，用符號“P”表示。珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布，性能介于兩相之間。共析線又稱為A1線。

三、結合相圖使學生靈活掌握

當學生對相圖的“形”有了認識之后，再從學生已比較熟悉的點開始，將相圖上點、線、面的意義進一步介紹給學生，并應特別注意共析與共晶的講解，因為要想更深入的分析講解相圖，就應從不同成份的合金的結晶過程分析入手。在分析結晶的過程中重點是分析它們的結晶順序及結晶過程和重結晶過程時各相中含碳量的變化與相圖中溫度的對應關系。即要以共析與共晶為基礎，在共晶溫度以上時，先結晶出的相要使用權剩余的液相成份向共晶成分(4.3%C)轉化;在共晶與共析溫度之間的奧氏體中析出的相要使未轉化的奧氏體中的含水量碳量向共析成份(0.77%C)轉化。當余下的液相或奧氏體溫度降到共晶或共析成份時，便會發生共晶或共析反應。只要學生掌握了這一規律，學生就很容易掌握相圖中各相的分布規律及成分、溫度與組織三者間的關系。

[1]董秀琦.消失模鑄造實用技術.機械工藝出版社，2005.

[2]李鵬志.鐵碳合金相圖[J].石家莊職業技術學院學報，2006，(4).

[3]張琳.鐵碳合金相圖的實踐與探索[J].中國科技信息網，2008.