鐵碳合金相圖分類分析*

彭德春，楊趙宇，陳年升，周章慶，王 朝，汪湘粵

（蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠233030）

1 概述

鐵碳合金相圖是《工程材料及熱處理》課程中的重要內(nèi)容。同時(shí)，它也是研究鐵碳合金最主要的工具。鐵碳合金相圖，顧名思義就是Fe-Fe3C 相圖，純鐵與碳作為基礎(chǔ)元素合成鐵碳合金[1]。其中，純鐵在固體狀態(tài)下，具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在不同狀態(tài)下的純鐵與碳，可以形成不一樣的固溶體，對(duì)于Fe-Fe3C 相圖上的間隙固溶體主要包括鐵素體（符號(hào)F 或α-Fe），奧氏體（符號(hào)A 或γ-Fe），鐵素體與奧氏體是碳分別溶于α-Fe、γ-Fe 中形成的間隙固溶體[2]。而滲碳體（符號(hào)Fe3C 或Cm）并沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，屬于金屬化合物。由于許多學(xué)生沒有真正掌握鐵碳合金相圖，容易記混，本文從相區(qū)、組織、特殊線及相關(guān)點(diǎn)出發(fā)，對(duì)鐵碳相圖進(jìn)行系統(tǒng)性的分類分析。

圖1 鐵碳合金相圖

2 相區(qū)

圖1 為鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖共有五個(gè)單相區(qū)、七個(gè)兩相區(qū)、三個(gè)三相區(qū)、五個(gè)單相區(qū)分別為：液相區(qū)（L）、鐵素體區(qū)（α）、奧氏體區(qū)（γ）、固溶體區(qū)（δ）、滲碳體區(qū)（Fe3C）。七個(gè)兩相區(qū)分別為：ABH 相區(qū)（L+δ）、HJN相區(qū)（δ+）、BCEJ 相區(qū)（L+γ）、CDF 相區(qū)（L+Fe3C）、GSP 相區(qū)（L+α）、ECFKS 相區(qū)（γ+Fe3C）、PSKQ 相區(qū)（α+Fe3C）。三個(gè)三相區(qū)分別為：SA 點(diǎn)相區(qū)（α+γ+Fe3C）、C 點(diǎn)相區(qū)（L+γ+Fe3C）、J 點(diǎn)相區(qū)（L+δ+γ）。

3 組織

按照含碳量，鐵碳合金分為：工業(yè)純鐵（Wc＜0.0218%）、鋼（0.0218%＜Wc＜2.11%）和白口鑄鐵（2.11%＜Wc＜6.69%）。如圖2 所示。其中，鋼又可以分為：亞共析鋼（0.0218%＜Wc＜0.77%）、共析鋼（Wc=0.77%）和過共析鋼（0.77%＜Wc＜2.11%）三種不同類型；白口鑄鐵又可分為：亞共晶白口鑄鐵（2.11%＜Wc＜4.3%）、共晶白口鑄鐵（Wc=4.3%）和過共晶白口鑄鐵（4.3%＜Wc＜6.69%）三種不同類型[3]。

圖2 鐵碳合金相圖分類圖

表1 鐵碳合金相圖中的特殊點(diǎn)

4 轉(zhuǎn)變

鐵碳相圖共有三個(gè)轉(zhuǎn)變，如圖1 所示，分別為包晶轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變。

包晶轉(zhuǎn)變：在1495℃時(shí)，固相δ 在H 點(diǎn)，它與周圍成分為B 點(diǎn)的液相L，固相δ 與液相L 相互發(fā)生轉(zhuǎn)變，成分為J 點(diǎn)的另一新相γ 固溶體，這種轉(zhuǎn)變叫包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)[4]。

共晶轉(zhuǎn)變：在特殊的溫度下，特定成分的液體同時(shí)結(jié)晶出兩種特定成分的固相的反應(yīng)。例如：含碳量為2.11%-6.69%的鐵碳合金，在1148℃的溫度下（C 點(diǎn)）出現(xiàn)共晶反應(yīng)，產(chǎn)物是奧氏體（固態(tài)）和滲碳體（固態(tài)）的機(jī)械混合物，稱為“萊氏體”。在此點(diǎn)的左側(cè)為亞共晶白口鑄鐵，右側(cè)為過亞共晶白口鑄鐵。共晶反應(yīng)生成的是微觀結(jié)構(gòu)為萊氏體的白口鑄鐵。合金系列中某特定化學(xué)成分的合金，在特定的溫度下，同時(shí)由液相中結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體結(jié)構(gòu)的固相的過程稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)[5]。

共析轉(zhuǎn)變：共析，顧名思義，即兩種或以上的固相（新相），從同一固相（母相）中一起析出，而發(fā)生的相變，稱為共析轉(zhuǎn)變，有時(shí)也稱共析反應(yīng)。例如：在727℃恒溫下、碳濃度為0.76%-0.78%附近時(shí)（S 點(diǎn)），發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其原相為奧氏體，共析相分別為左端的鐵素體和右端的滲碳體，這一由溫度與濃度確定的點(diǎn)稱為共析點(diǎn)，在此點(diǎn)左側(cè)為亞共析區(qū)，右側(cè)為過共析區(qū)。共析反應(yīng)生成的是微觀結(jié)構(gòu)為珠光體的碳鋼[6]。

5 相圖中的特殊點(diǎn)

鐵碳相圖中特殊點(diǎn)的含義如表1 所示。

6 特殊線

如圖1 鐵碳合金相圖所示，HJB 三點(diǎn)水平線（1495℃）為包晶線，與此線成分（0.09%-0.53%C）相對(duì)應(yīng)的基本元素在此線溫度下出現(xiàn)包晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體；ECF 三點(diǎn)水平線（1148℃）為共晶線，與此線成分（2.11%-6.69%C）相對(duì)應(yīng)的合金元素在此線溫度下出現(xiàn)共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，并稱為萊氏體，用符號(hào)“L”表示；PSK 三點(diǎn)水平線（727℃）為共析線，與此線成分（0.0218%-6.69%C）相對(duì)應(yīng)的合金元素在此線溫度下出現(xiàn)共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為珠光體，用符號(hào)“P”表示，共析線又名為A1 線[7]。

此外，鐵碳合金相圖中還存在六條固態(tài)轉(zhuǎn)變線：GS線、GP 線為αγ 固溶體轉(zhuǎn)變線，HN 線、JN 線為δγ 固溶體轉(zhuǎn)變線。例如，GS 線是慢慢降溫時(shí)鐵素體從奧氏體中分離開始，加熱時(shí)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變完成的溫度線。GS 線又稱為A3線，JN 線又名為A4線。ES 線為碳在δ-Fe 中的固溶線。在1148℃，碳的溶解度為最大值，是2.11%。隨著溫度的降低，溶解度也在下降，在727℃時(shí)溶解度只有0.77%。所以含碳量超過0.77%的鐵碳合金自1148℃降溫至727℃時(shí)，會(huì)從奧氏體中分離出滲碳體，又稱之為二次滲碳體，標(biāo)記為Fe3CII。二次滲碳體常常沿奧氏體的晶界呈網(wǎng)狀分布在其周圍。ES 線又稱為Acm線。PQ 線為碳在α-Fe 中的固溶線。在727℃時(shí)，碳的溶解度最大，為0.0218%，隨著溫度的降低，溶解度也在緩慢下降，達(dá)到室溫時(shí)溶解度僅為0.0008%。所以鐵碳合金自727℃向室溫冷卻的過程中，會(huì)從鐵素體中分離出滲碳體，并稱為三次滲碳體，標(biāo)記為Fe3CIII[8]。

另外，F(xiàn)e-Fe3C 相圖中有兩條特殊的物理性能轉(zhuǎn)變線：MO 線（770℃）是鐵素體磁性轉(zhuǎn)變線。在770℃以上，鐵素體為順磁性物質(zhì)，在770℃以下，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性物質(zhì)，此線又稱為A2線；UV 線（230℃）是滲碳體磁性轉(zhuǎn)變溫度，又稱為A0線。

7 基本相

鐵碳合金相圖的基本相有鐵素體、奧氏體，滲碳體，珠光體，萊氏體。

鐵素體是指碳固溶在a-Fe 中形成的固溶體，性能接近純鐵，比較軟，塑性、韌性好。從鐵碳合金相圖可知，鐵素體在727℃時(shí)，其中含有0.0218%的碳，溫度降低時(shí)，碳的溶解度發(fā)生下降，在室溫時(shí)，僅為0.008%，幾乎不含碳。鐵素體的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。晶胞中8 個(gè)原子位于立方體的8 個(gè)棱角上，與相鄰其他8 個(gè)晶胞共用，中心1 個(gè)原子單獨(dú)屬于該立方結(jié)構(gòu)，計(jì)算該立方體的中的原子數(shù)為8×1/8+1=2（個(gè)），晶格參數(shù)：a=b=c，α=β=γ=90°即晶胞結(jié)構(gòu)的各個(gè)邊長(zhǎng)都相等，夾角為90°。

圖3 體心立方晶體結(jié)構(gòu)

通常采用工業(yè)純鐵試樣觀察鐵素體的金相組織，圖4 為工業(yè)純鐵試樣經(jīng)打磨拋光采用4%的硝酸酒精腐蝕后的形貌，鐵素體呈現(xiàn)出白色，晶界為形狀不規(guī)則的多邊形，晶界呈現(xiàn)黑色。

圖4 工業(yè)純鐵金相組織圖

奧氏體是碳溶于γ-Fe 中形成的固溶體，強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性，韌性好。從鐵碳合金相圖可知，奧氏體屬于高溫區(qū)，在1148℃時(shí)，奧氏體中含碳量為2.11%，溫度下降時(shí)，碳含量也降低，在727℃是，含碳量為0.77%。奧氏體的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。晶胞中8 個(gè)原子位于立方體的8 個(gè)棱角上，與相鄰8 個(gè)晶胞共用，立方體6 個(gè)面，每個(gè)面各有一個(gè)原子，與周圍相鄰的6 個(gè)晶胞共用，計(jì)算該立方體的中的原子數(shù)為8×1/8+6×1/2=4（個(gè)），晶格參數(shù)：a=b=c，α=β=γ=90°即晶胞結(jié)構(gòu)的各個(gè)邊長(zhǎng)都相等，夾角為90°。

圖5 面心立方晶體結(jié)構(gòu)

奧氏體的金相組織如圖6 所示，奧氏體晶粒為多邊形的形狀，但晶界的多邊形比鐵素體晶界的平直。

圖6 奧氏體金相組織

滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)屬于正交系，化學(xué)式常用Fe3C 表示，硬度和脆性很大，塑性和韌性較差。圖7 為滲碳體的金相組織結(jié)構(gòu)，圖中白色的條狀組織為滲碳體組織。

珠光體是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物，鐵素體和滲碳體以薄層狀交替重疊組成珠光體，珠光體的性能處于滲碳體和鐵素體之間，有一定的強(qiáng)度、硬度和塑性。

萊氏體有高溫萊氏體和低溫萊氏體，高溫萊氏體是奧氏體和滲碳體的共晶體，低溫萊氏體是珠光體和滲碳體的復(fù)合物，也叫做“變態(tài)萊氏體”。萊氏體的含碳量為4.3%，萊氏體比較硬、脆，塑性差。

圖7 滲碳體金相組織圖

8 結(jié)束語

鐵碳合金相圖是《工程材料及熱處理》課程的重要章節(jié)，拆分相圖理解鐵碳合金成分、溫度、組織和性能之間的關(guān)系，應(yīng)用相區(qū)、組織、特殊點(diǎn)、特殊線的含義來記憶鐵碳合金的重難點(diǎn)，掌握鐵碳相圖的組成、分類、加熱和冷卻過程組織轉(zhuǎn)變過程，能更好理解鐵碳合金相圖，為后續(xù)制定正確的熱處理方案奠定理論基礎(chǔ)。

鐵碳合金相圖是在理想化的狀態(tài)下繪制的，與平面坐標(biāo)相類似，在溫度與鐵碳合金組織變化的過程中，結(jié)合點(diǎn)、線、面分類分析從而達(dá)到理想的學(xué)習(xí)效果。