第三章 铁碳合金相图
非合金钢[（GB／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等。Fe3C的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe-Fe3C相图。相图的两个组元是Fe和Fe3C。
3.1 Fe-Fe3C系合金的组元与基本相
3.l.l 组元
⑴纯铁 Fe是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为7.87?103kg/m2。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：
?-Fe（体心） ?-Fe（面心）
工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度?b=180～230MPa，屈服强度?0.2＝100～
?-Fe（体心）
170MPa，伸长率??30～50％，硬度为50～80HBS。
可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵Fe3C Fe3C是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm表示。Fe3C具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV，抗拉强度
?b=30MPa，伸长率??0。
3.1.2 基本相
Fe-Fe3C相图中除了高温时存在的液相L，和化合物相Fe3C外，还有碳溶于铁形成的
几种间隙固溶体相：
⑴高温铁素体 碳溶于?-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号?表示。
⑵铁素体 碳溶于?-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号?或F表示。F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。
⑶奥氏体 碳溶于?-Fe的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号?或A表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。
3.2 Fe-Fe3C相图
3.2.1 Fe-Fe3C相图中各点的温度、含碳量及含义
Fe-Fe3C相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。
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图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。
C, ％(重量) →
图3.1 Fe-Fe3C相图
表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义
符号 A B C D E F G H J K N P S Q 温度（℃） 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727 1394 727 727 600 （室温） 含碳量[%（质量）] 0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.09 0.17 6.69 0 0.0218 0.77 0.0057 (0.0008) 含 义 纯铁的熔点 包晶转变时液态合金的成分 共晶点 Fe3C的熔点 碳在γ-Fe中的最大溶解度 Fe3C的成分 α-Fe→γ-Fe同素异构转变点 碳在δ-Fe中的最大溶解度 包晶点 Fe3C的成分 γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点 碳在α-Fe中的最大溶解度 共析点 600℃（或室温）时碳在α-Fe中的最大溶解度 3.2.2 Fe-Fe3C相图中重要的点和线 3.2.2.1 三个重要的特性点
⑴J点为包晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。B点成分的L与H点成分的? 发生包晶反应，生成J点成分的A。包晶反应在恒温下进行，反应过程中L、?、A三AJ 或 L0.53??0.09A0.17。 相共存，反应式为：LB??H⑵C点为共晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。共晶反应在恒温下进行，反应过程中L、A、Fe3C三相共AE?Fe3C 或 L4.3A2.11?Fe3C。 存，反应式为：LC共晶反应的产物是A与Fe3C的共晶混合物，称莱氏体，用符号Le表示，所以共晶反应Le4.3。 式也可表达为： L4.3莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状A（727℃时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。
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⑶S点为共析点 合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时S点成分的A发生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中A、F、Fe3C三相共存，反应式为：ASFP?Fe3C 或 A0.77F0.0218?Fe3C
共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用符号P表示，因而共析反应可简单表示为：A0.77P0.77
P中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下P的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。
P的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下：
抗拉强度（?b） 770MPa延伸率（?） 20～35％
冲击韧性（ak） 30～40J/cm2硬度（HB） 180kgf/mm2 3.2.2.2 相图中的特性线
相图中的ABCD为液相线；AHJECF为固相线。
⑴水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09～0.53％的铁碳含金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。⑵水平线ECF为共晶反应线。碳含量在2.11～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。⑶水平线PSK为共析反应线。碳含量0.0218～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线在热处理中亦称A1线。⑷GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。⑸ES线是碳在A中的固溶线，通常称Acm线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11％，而在727℃时仅为0.77％，因此碳含量大于0.77％的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CII）。Acm线亦是从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。⑹PQ线是碳在F中的固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218％，室温时仅为0.0008％，因此碳含量大于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CIII）。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。
Fe3CIII数量极少，往往可以忽略。下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽略这一析出过程。
3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程
根据Fe-Fe3C相图，铁碳含金可分为三类： ⑴ 工业纯铁?C?0.0218%?
?C?0.77%???亚共析钢?0.0218%?C?2.11%??共析钢?C?0.77%?⑵ 钢?0.0218%
????过共析钢0.77?C?2.11??亚共晶白口铸铁?2.11%?C?4.3%?⑶ 白口铸铁?2.11%?C?6.69%??共晶白口铸铁?C?4.3%? ??过共晶白口铸铁?4.3%?C?6.69%?下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。
3.3.1 工业纯铁
以含碳0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。
合金在1点以上为液相L。冷却至稍低于1点时，开始从L中结晶出?，至2点合金全 部结晶为?。从3点起，?逐渐转变为A，至4点全部转变完了。4-5点间A冷却不变。自5点始，从A中析出F。F在A晶界处生核并长大，至6点时A全部转变为F。在6-7点
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间F冷却不变。在7-8点间，从F晶界析出Fe3CIII。因此合金的室温平衡组织为F+Fe3CIII。
呈小白片状分布于F晶界处。若忽略Fe3CIII，则组织全为F。 F呈白色块状；Fe3CIII量极少，
图3.2工业纯铁结晶过程示意图
3.3.2 共析钢
其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。
合金冷却时，于1点起从L中结晶出A，至2点全部结晶完了。在2-3点间A冷却不变。至3点时，A发生共析反应生成P。从3′继续冷却至4点，P皆不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P，P呈层片状。
共析钢的室温组织组成物也全部是P，而组成相为F和Fe3C，它们的相对质量为：
6.69?0.77F%??100%?88%;Fe3C%?1?F%?12%
6.69图3.3 共析钢结晶过程示意图
3.3.3 亚共析钢
以含碳0.4％的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示。
?变为0.09％合金冷却时，从1点起自L中结晶出?，至2点时，L成分变为0.53％C，
C，发生包晶反应生成A0.17，反应结束后尚有多余的L。2′点以下，自L中不断结晶出A，至3点合金全部转变为A。在3-4点间A冷却不变。从4点起，冷却时由A中析出F，F在A晶界处优先生核并长大，而A和F的成分分别沿GS和GP线变化。至5点时，A的成分变为0.77％C，F的成分变为0.0218％C。此时A发生共析反应，转变为P，F不变化。从5′继续冷却至6点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为F+P。F呈白色块状；P呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于0.6％的亚共析钢，室温平衡组织中
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的F常呈白色网状，包围在P周围。
图3.4 亚共析钢结晶过程示意图
含0.4％C的亚共析钢的组织组成物（F和P）的相对质量为：
0.4?0.02P%??100%?51%；F%?1?51%?49%
0.77?0.02组成相（F和Fe3C）的相对质量为：
6.69?0.4F%??100%?94%;Fe3C%?1?94%?6%
6.69由于室温下F的含碳量极微，若将F中的含碳量忽略不计，则钢中的含碳量全部在P中，所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据P的含量可求出钢的含碳量为：C%?P%?0.77%。由于P和F的密度相近，钢中P和F的含量（质量百分数）可以近似用对应的面积百分数来估算。
图3.5 过共析钢结晶过程示意图
3.3.4 过共析钢
以碳含量为1.2％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示。 合金冷却时，从1点起自L中结晶出A，至2点全部结晶完了。在2-3点间A冷却不变，从3点起，由A中析出Fe3CII，Fe3CII呈网状分布在A晶界上。至4点时A的碳含量降为0.77％，4-4′发生共析反应转变为P，而 Fe3CII不变化。在4′-5点间冷却时组织不发生转变。因此室温平衡组织为Fe3CII+P。在显微镜下，Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。
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