第三章 铁碳合金相图

3.1 基本概念

铁碳合金相图是表示在缓慢冷却（或缓慢加热）条件下，不同成分的铁碳合金的平衡状态或组织随温度变化的图形。它是研究钢铁材料的基础，是了解和掌握钢铁材料成分、组织、性能之间关系的理论依据，对材料选择、加工工艺制定具有重要指导意义。

3.2 研究范围与基本要素

通常研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe₃C相图，碳的质量分数范围为0～6.69%，主要研究工业用钢和铸铁的相变规律。相图以温度为纵坐标（℃），碳的质量分数为横坐标（%）。

3.3 Fe-Fe3C 相图的组成

3.3.0 铁碳合金相图完整视图

铁碳合金相图（Fe-Fe₃C相图）是研究钢铁材料的核心工具，它清晰展示了不同成分的铁碳合金在缓慢冷却（或加热）条件下的相变规律。

相图基本参数

• 温度范围：0℃ - 1538℃
• 碳含量范围：0% - 6.69%
• 纵坐标：温度（℃）
• 横坐标：碳的质量分数（%）

关键特征点

重要特性线

• ACD线（液相线）：液态合金开始凝固的温度线
• AECF线（固相线）：合金完全凝固的温度线
• PSK线（A₁线，共析线）：727℃，奥氏体发生共析转变的温度线
• GS线（A₃线）：奥氏体开始析出铁素体的温度线
• ES线（A_cm线）：奥氏体开始析出二次渗碳体(Fe₃C₂)的温度线
• ECF线（共晶线）：1148℃，液态合金发生共晶转变的温度线

相图分区

相图分为多个区域，每个区域对应不同的平衡组织：

• 单相区：L（液相）、A/γ（奥氏体）、F/α（铁素体）、δ（高温铁素体）
• 两相区：L+δ、L+A、L+Fe₃C、δ+A、A+F、A+Fe₃C等

3.3.1 相图结构与分区详解

单相区详细分析

• 液相区 (L)：

  • 位置：液相线以上温度
  • 结构：均匀的液态铁碳合金
  • 特点：流动性好，是铸造成型的基础

• 奥氏体区 (A/γ)：

  • 位置：分布于ECF线和NJ线之间的广大区域
  • 结构：碳在γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格
  • 特点：具有良好的塑性和韧性，是热处理的重要组织
  • 最大溶碳量：1148℃时为2.11%

• 铁素体区 (F/α)：

  • 位置：GPQ线以下的低温区域
  • 结构：碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格
  • 特点：塑性和韧性好，但强度、硬度低
  • 最大溶碳量：727℃时为0.0218%

• δ相区 (δ)：

  • 位置：AHN线以上的高温区域（1394℃-1538℃）
  • 结构：碳在δ-Fe中的高温间隙固溶体，体心立方晶格
  • 特点：高温稳定性好，在工业生产中较少单独应用

两相区分析

• L + δ区：液态合金与高温铁素体共存
• L + A区：液态合金与奥氏体共存
• L + Fe₃C区：液态合金与渗碳体共存
• δ + A区：高温铁素体与奥氏体共存
• A + F区：奥氏体与铁素体共存
• A + Fe₃C区：奥氏体与渗碳体共存

三相平衡反应

• 共晶反应（C点，1148℃，4.3%C）：L → A + Fe₃C

  • 产物：高温莱氏体(Ld)，是铸铁的主要组织

• 共析反应（S点，727℃，0.77%C）：A → F + Fe₃C

  • 产物：珠光体(P)，是钢铁材料的重要组织

• 包晶反应（J点，1495℃，0.17%C）：L + δ → A

  • 工业上较少利用此反应

3.4 基本相

• 铁素体(F/α)：碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格。特点：塑性和韧性好，强度、硬度低。727℃时最大溶碳量为0.0218%。
• 奥氏体(A/γ)：碳在γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格。特点：高温组织，具有良好的塑性和韧性。1148℃时最大溶碳量为2.11%。
• 渗碳体(Fe₃C/Cm)：铁与碳形成的间隙化合物。特点：硬而脆（～800HBW），是钢中的主要强化相。碳质量分数为6.69%。
• δ相(δ)：碳在δ-Fe中的高温间隙固溶体，体心立方晶格，存在于1394℃以上的高温区域。

3.5 基本组织

• 珠光体(P)：铁碳合金共析转变的产物，是铁素体和渗碳体的层片状机械混合物。特点：强度、硬度适中，具有良好的综合力学性能。
  • 组织表达式：P = F + Fe₃C
• 莱氏体：
  • 高温莱氏体(Ld/Le)：铁碳合金共晶转变的产物，由奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物。
  • 室温变态莱氏体(Ld‘)：高温莱氏体冷却至室温后，其中的奥氏体转变为珠光体，形成珠光体和渗碳体的混合物。
  • 组织表达式：Ld‘ = P + Fe₃C