鐵碳合金相圖研究*

張紅昆，張 延，陳 磊，張申奧，邢雯婧，尹明恩，汪湘粵

（蚌埠學院 機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠233030）

在鐵碳合金相圖中存在著許多豐富而又重要的知識區域，能夠明白這些知識對于深入學習工程材料有很大的幫助。鐵碳合金相圖是指在極其緩慢或冷卻的條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同溫度下所處狀態的圖形，如圖1所示。

圖1 鐵碳合金相圖

1 相圖中的基本組織

純鐵：鐵的熔點和凝固點均為1535℃，沸點2750℃，純鐵具有銀白色金屬光澤。純鐵的塑性和韌性好，但強度、硬度很低，在機械零件制造中很少直接使用。同時它具有三種同素異構晶格形式。純鐵在1538℃結晶后，具有體心立方晶格，稱為δ-Fe；當冷卻到1394℃時發生同素異構轉變，由體心立方晶格的δ-Fe轉變為面心立方晶格的γ-Fe；繼續冷卻至912℃時，再次發生同素異構轉變，又由有面心立方晶格的γ-Fe轉變成了具有體心立方晶格的α-Fe；再繼續冷卻時晶格類型不再發生變化。

鐵素體：鐵素體是α-Fe內固溶有一種或數種其他元素、晶體點陣為體心立方的固溶體。符號F、α或α-Fe表示。鐵素體晶界圓滑，晶體內很少見孿晶或滑移線，顏色淺綠、發亮，深腐蝕后發暗，鋼中鐵素體以片狀、塊狀、針狀和網狀存在。由于α-Fe是體心立方晶格結構，它的晶格間隙很小，因此溶碳能力極差，在727℃時溶碳量最大，可達0.0218%，隨著溫度的下降溶碳量逐漸減小，在600℃時溶碳量約為0.0057%，在室溫時溶碳量約為0.0008%。性質與純鐵相同：強度、硬度低，塑性好。

奧氏體：奧氏體是鋼鐵的一種層片狀的顯微組織，通常是γ-Fe中固溶少量的碳或其他元素、晶體結構為面心立方的無磁性固溶體，也稱為沃斯田鐵、γ-Fe或A。奧氏體的名稱是來自英國的冶金學家羅伯茨·奧斯汀（William Chandler Roberts-Austen）。奧氏體強度較低，但其溶碳能力較大，在1146°C時可以溶進2.04%的碳，奧氏體的點陣排列特殊，因此奧氏體的在塑性方面很好，但屈服強度低，易于加工塑性成形，所以工業上，一般把鋼材加熱到1100°C以上奧氏體化，然后進行鍛軋，塑性加工成材或加工成零部件。

滲碳體：滲碳體的分子式為Fe3C（碳化三鐵），常用Cm或Fe3C表示，它是一種具有復雜晶格結構的間隙化合物。它的含碳量為6.69%；熔點為1227℃左右，滲碳體的硬度很高，脆性很大，強度和塑性很差。經過不同的熱處理，滲碳體可以成片狀、粒狀或斷續網狀。在一定條件下（如高溫長期停留或緩慢冷卻），滲碳體可以分解而形成石墨狀的自由碳：Fe3C＝3Fe＋C石墨，這一過程對于鑄鐵和石墨鋼具有重要意義。滲碳體的顯微組織形態很多，在鋼和鑄鐵中與其他組織相互共存時呈片狀、粒狀、網狀或板狀。由于其特殊的經理化性質，3%～5%硝酸酒精溶液侵蝕后呈白亮色，若用苦味酸鈉溶液熱侵蝕，則被染成黑褐色，而鐵素體仍為白色。

珠光體：珠光體其實就是鐵素體和滲碳體組成的混合物，因其金相似珍珠光澤而得名，用符號“P”表示。碳素鋼中珠光體組織的平均碳含量約為0.77%，由于是兩者的混合物，性能介于鐵素體和滲碳體之間，強韌性較好，硬度適中，塑性較好。

萊氏體：萊氏體是以白亮的滲碳體為基體，上面分布著許多粒狀、條狀或不規則形狀的黑色珠光體。常溫下為珠光體、滲碳體和共晶滲碳體的混合物，用符號Ld表示，其平均含碳量為ωc=4.3%。當溫度高于727℃時，萊氏體由奧氏體和滲碳體組成，稱為高溫萊氏體；在低于727℃時，萊氏體是由珠光體和滲碳體組成，稱為變態（低溫）萊氏體。因為萊氏體的基體為滲碳體，所以在性能上表現出硬度高，塑性很差。

2 相圖分析

鐵碳合金相圖如圖1所示，相圖中點、線及相區的含義如下。

2.1 點的含義

C、J、S點，這三個點分別代表共晶點、包晶點、共析點。C點，碳的百分含量為4.3%，溫度大致在1148℃左右，曲線ABCD線的上方是液相區，下方是雙相區（一液相生兩固相，即是成分為C的液相冷卻到此溫度時，發生共晶反應Lc→A+Fe3C），隨著溫度的降低（從鐵的沸點）液態合金析出兩固相合金反應的最低位置，在這一點發生共晶反應且在此碳含量一定的條件下，過了這一點反應的溫度后反應將轉變，C點即是臨界點-共晶點。J點，碳的百分含量為0.17%，溫度在1495℃，曲線ALJECF為固相線，線的上方是金屬溶液結晶的固相態區和原有的液相區，下方是另一固相（一固相和一液相生成另一固相），而J點是此界線上溫度下降后發生反應最先開始的一點，J點即是——包晶點。S點，碳的百分含量為0.77%，溫度為700℃上下，結晶的新固相在適當的溫度和碳含量重新生成新的兩種不同的固相（一固生兩固，即是成分為S點的奧氏體冷卻到此溫度時，發生共析反應：As→P（F+Fe3C）），S點所在的那一點是進行反應的最先發生點，所以S點是共析點。P點，碳在α-Fe中的最大溶解度。E點，碳在γ-Fe中的最大溶解度。H點，碳在δ-Fe中的最大溶解度。Q點，室溫下，碳在α-Fe中的溶解度。

2.2 重要特征線及其相區

在合金相圖中，分為幾個區域——五個單相區（ABCD線的上方的液相區L，AHNA區的δ固相區，NJESGN區為奧氏體（A或γ）相區；GPQG區為鐵素體（F或α）相區；DFK線為滲碳體（Fe3C或Cm）相區），七個兩相區（L+δ、L+A、L+Fe3C、δ+A、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C。字母可能有些許不同，只是表示方法不同），三個三相區（三條水平線HJB、ECF、PSK）。

位于最上面的液相線ABCD，從左往右來看是隨著碳的百分含量的增長，從上而下是隨著溫度的下降，因此在A點（Fe的熔點），是單獨Fe這種物質的液態相，而隨著碳含量的增長，鐵碳合金的熔點不斷地降低（合金的性質：多數合金熔點低于其組分中任一種組成金屬的熔點），直到碳含量達到此合金的純點-D點Fe3C的熔點（鐵碳合金的含碳量當達到6.69%的時候就是純Fe3C了，再增加的話，合金的脆性變大，強度等性質變低，對于實際工程材料無太大用處，不再研究）；于是在這個碳含量區間之內各點相連組成的線——ABCD線，便是液相線。

固相線AHJECF。在液相線下，隨著溫度降低，先是結晶出δ-Fe，L與δ-Fe共存；之后在1495℃，碳含量為：0.09%-0.53%時，發生包晶反應

包晶反應是在恒溫下進行，產物為奧氏體，在條件下均將進行包晶轉換，可能會有殘余的δ-Fe，但會在溫度下降時轉變為奧氏體，但并不屬于包晶偏析（注：在高溫度時，碳原子的運動劇烈不會給包晶反應帶來嚴重偏析，但在高合金中會因原子的慢運動中會產生此結果）。在此過程中，有三種物質，液相合金L相、新生成的奧氏體相和δ-Fe相，所以在這條HJB線水平線上存在著三種相-三相區。在此部分亦發生了勻晶反應生成δ-Fe（ALN區）和奧氏體相（JES區）；再往后看，碳的含量小于4.3%時，先結晶出奧氏體，含量高于4.3%時結晶出一次滲碳，往這條線AHJECF下看則全部轉換成固體，因此，此分界線為固相線。

NH線。線上為δ-Fe相線下為δ-Fe和奧氏體相，再看NJ線下的奧氏體相可知，此處發生了勻晶反應，全部轉變成了奧氏體相，而從N點開始，隨著碳含量的升高，NH線升高最后達到H點后水平不變，這條線我們可以理解為碳在δ-Fe相中的溶解度曲線，溶碳含量從0增至0.09%，部分溶解形成奧氏體，達到H點時到達飽和點，于是不再增加呈水平狀態，H點便是碳在δ-Fe中最大的溶解度。

SE線，又稱Acm線。從圖1可知，隨著溫度的下降，δ-Fe相全部轉化為奧氏體相（γ-Fe）。在SE線上，是溶解度較大的奧氏體，線下則是由多余的碳插在γ-Fe空間結構中形成并析出的二次滲碳體相和奧氏體相組成的雙相區，所以SE線也可看做碳在γ-Fe相中的溶解曲線圖，S點后，碳的溶解度不斷增大，到E點后不再變化，E點則是最大溶解度點（2.11%）。

GS線，又稱A3線。從圖1中不難發現這是奧氏體開始析出鐵素體的分界線，在鐵碳合金冷卻過程中，隨著溫度的降低達到γ-Fe?α-Fe的反應溫度912℃，于是不斷的有鐵素體析出，鐵的同素異構反應使得奧氏體不斷轉換為鐵素體。G點不難看出是轉變溫度點——912℃。

GP線和QP線。先是GP線，可以看出線上是奧氏體和鐵素體雙相區，由于鐵素體是體心立方的固溶體，原子緊密度、利用度較高，因此對碳的溶解度較低最大才0.0218%，多余的碳原子與鐵原子在空間上進行排列變成更脆的三次滲碳體并從鐵素體晶界析出，因此，工業上可采用重新熱處理法等消除。對于QP線，從線上下的產物和溫度不難看出Q點是碳的600℃溶解度點，QP線則是碳在α-Fe中的溶解度曲線，在P點達到最大點。

共晶線ECF線。在溫度為1148℃由含碳量為4.3%的液相轉變為含碳量為2.11%的奧氏體和含碳量為6.69%的滲碳體組成的混合物。其反應式為：Lc?Ae+Fe3C共晶。

共晶轉變形成的奧氏體與滲碳體的混合物，稱為萊氏體，用Ld表示。在萊氏體中，滲碳體是連續分布的相，奧氏體呈短棒狀分布在滲碳體的基體上。萊氏體的產生可以從CD線看起，CD線在碳含量大于4.3%的區域（碳含量快接近于Fe3C分子式中碳含量），直接以一次滲碳體的形式從液相中直接結晶析出；然后在共晶溫度，一部分液相通過共晶反應生成萊氏體。再隨著溫度的下降（727℃之下），生成低溫萊氏體，C點則是在合適條件，全部生成兩者的共晶體即是萊氏體。

共析線PSK線。在727°C恒溫下，從水平線可知是由含碳量為0.77%的奧氏體轉變為含碳量為0.0218%的鐵素體和滲碳體組成的混合物，其反應式：As?Fp+Fe3C共析(γ→α+β)。

共析轉變的產物稱為珠光體，用符號P表示。共析轉變的水平線PSK，稱為共析線或共析溫度，常用符號A表示。凡是含碳量大于0.0218%的鐵碳合金都將發生共析轉變。經過共析轉變形成的珠光體是層片狀的。珠光體可以從GSP雙相區開始分析，在共析溫度下奧氏體生成鐵素體和滲碳體即是珠光體，在反應進行和碳含量的增長下，兩者含量達到珠光體中兩者含量比，在S點完全轉換成珠光體。

3 碳含量對組織的影響

從相圖中不難發現，隨著碳的質量分數的增加，鐵碳合金組織中滲碳體的數量在增加，而且滲碳體的形態、分布也隨著發生變化。滲碳體在一次滲碳體時是以長條狀形式存在，而在珠光體中以層片狀分布，繼而以網狀分布，最后在萊氏體組織中，有以點條狀滲碳體均勻分布在奧氏體基體上的共晶滲碳體，也有最后萊氏體時滲碳體又變成主要成分且以針狀分布。而引起組織的變化，顯然這是由于成分的變化，使相發生變化而造成的。這表明，在鐵碳合金中，碳含量對組織形式有著一定決定性的影響，而組織組分的不同形態，又決定了其性能變化的復雜性。不難知道碳含量在影響組織形態的同時，也在影響著合金的性能，因為物質的結構決定性質。

4 鐵碳合金的應用

在相圖的曲線給人帶來的直觀信息中，我們可以根據每點的信息去制備我們所需要的物質，并進一步制作完備工藝，提高效率，減少能源消耗。在設計零件時，可根據鐵碳合金相圖選擇材料。如若需要割韌性高的材料，如建筑結構、各種容器和型材等，應選擇低碳鋼；若需要塑性、韌性和強度都相對較高的材料，如各種機器零件，應選擇中碳鋼。其在鑄造和鍛造工藝中提供理論基礎。在鑄鋼生產中常選用碳的質量分數不高的中、低碳鋼。在鍛造工藝中，處于A狀態的鋼，其強度低，塑性好，可鍛性好。因此，都要把鋼加熱到高溫單相A區進行塑性變形，但是又由于鍛造溫度太高會對鋼材進行強烈的氧化，太低的話，又會使得鋼材塑性不夠產生裂紋。在生活中還有許多的生產實際需要相圖的幫助，比如熱處理工藝、新型鐵碳合金的制備和單一相的科學應用等諸多問題。但是相圖還是存在一定的局限性。如：相圖只反映了鐵與碳兩種元素的成分與組織的關系，而工業上應用的鋼和鑄鐵，在冶煉過程中不可避免存在著多種雜質，這些雜質均在不同程度上影響著合金的組織與性能。相圖是平衡條件下繪制的，在生產實踐中對鋼和鑄鐵的加熱、冷卻都具有一定的速度，因此，結晶溫度及產物均有變化，于是就需要科學理論進行實際化的運用。