行业小课堂搞热加工别跟我提不懂铁碳相图

首先，想要了解铁碳合金、铁碳相图，则需要一些准备知识，比如合金、相、组元成分的概念等，基本如下：

合金：一种金属元素与另外一种或几种元素，通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。

相：合金中同一化学成分、同一聚集状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分。

固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。

固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。

金属化合物：合金的组元间以一定比例发生相互作用儿生成的一种新相，通常能以化学式表示其组成。

铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。

在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。

1.铁素体

铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”(或α)表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.%(℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。

δ=30%~50%，AKU=~J，σb=~MPa，50~80HBS.

铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。

2.奥氏体

奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”(或γ)表示，面心立方晶格；虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%(℃时)，℃时为0.77%。

在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为~℃，故奥氏体的硬度低，塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造，热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁”正是这个意思。σb=MPa，~HBS，δ=40%~50%.

另外，奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。

奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。

3.渗碳体

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。它的碳质量分数Wc=6.69%，熔点为℃，质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。

渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响.

总结：

在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的。

铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C，Fe2C，FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和Fe3C。

由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分轴从0~6.69%。所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图。

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：

（1）工业纯铁（0.%C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。

（2）碳钢（0.%-2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.%-0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%-2.11%C）。

（3）白口铸铁（2.11%-6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%-4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3%—6.69%C）

相图分析

Fe—Fe3C相图看起来比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析。

共晶转变

在℃、4.3%C的液相发生共晶转变：Lc(AE+Fe3C)，转变的产物称为莱氏体，用符号Ld表示。

存在于℃~℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号Ld表示，组织由奥氏体和渗碳体组成；存在于℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号Ldˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。

低温莱氏体是由珠光体，Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上，Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起，一般无法分辨。

共析转变

在℃、0.77%的奥氏体发生共析转变：AS(F+Fe3C)，转变的产物称为珠光体。共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体。

特征点

相图中应该掌握的特征点有：A、D、E、C、G(A3点)、S(A1点)，它们的含义一定要搞清楚。根据相图分析如下点：

相图中重要的点(14个)：

1.组元的熔点:A(0，)铁的熔点；D(6.69，)Fe3C的熔点

2.同素异构转变点：N(0，)δ-Feγ-Fe；G(0，)γ-Feα-Fe

3.碳在铁中最大溶解度点:

P(0.，)，碳在α-Fe中的最大溶解度

E(2.11，)，碳在γ-Fe中的最大溶解度

H(0.09，)，碳在δ-Fe中的最大溶解度

Q(0.，RT)，室温下碳在α-Fe中的溶解度

三相共存点:

S(共析点，0.77，)，(A+F+Fe3C)

C(共晶点，4.3，)，(A+L+Fe3C)

J(包晶点，0.17，)，(δ+A+L)

其它点：

B(0.53，)，发生包晶反应时液相的成分

F(6.69，)，渗碳体

K(6.69，)，渗碳体

特性线

相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线，PSK线(A1线)，GS线(A3线)，ES线(ACM线)。

水平线ECF为共晶反应线

碳质量分数在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。

水平线PSK为共析反应线

碳质量分数为0.%～6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。

PSK线亦称A1线

GS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。

ES线是碳在A中的固溶线，通常叫做Acm线.由于在℃时A中溶碳量最大可达2.11%，而在℃时仅为0.77%，因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自℃冷至℃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线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线.

PQ线是碳在F中固溶线

在℃时F中溶碳量最大可达0.%，室温时仅为0.%，因此碳质量分数大于0.%的铁碳合金自℃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，往往予以忽略。

相图相区

1.单相区(4个+1个):L，δ，A，F，(+Fe3C)。

2.两相区(7个):L+δ，L+Fe3C，L+A，δ+A，A+F，A+Fe3C，F+Fe3C。

来源：材料科学与工程