铁碳平衡图

研究铁碳合金在加热和冷却时的结晶过程和组织转变的图解

铁碳平衡图是研究铁碳合金在加热和冷却时的结晶过程和组织转变的图解。熟悉和掌握铁碳平衡图是研究钢铁的铸造、锻造和热处理的重要依据之一。

简介

铁碳平衡图（iron-carbon equilibrium diagram ），又称铁碳相图或铁碳状态图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。

释义

纯铁有两种同素异构体,在912℃以下为体心立方的α－Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔点)又呈体心立方结构,即δ－Fe。当碳溶于α－Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于γ-Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)，碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体(Fe3C)形式存在。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。但这过程在室温下是极其缓慢的；即使加热到700℃，Fe3C分解成稳定相也需几年(合金中含有硅等促进石墨化元素时,Fe3C稳定性减弱)，石墨虽然在铸铁(2～4%C)中大量存在,但在一般钢(0.03～1.5%C)中却较难形成这种稳定相。Fe－Fe3C平衡图有重要的意义并得到广泛的应用。图1中的实线绘出亚稳的 Fe-Fe3C系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe-C（石墨）系；平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。

理论发展

早在 1868 年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）等利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的温度视加热或冷却 (分别以Ac和Ar表示)过程而异。奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即Ar1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，Ar3下降而与Ar2相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9%时与Ar1合为一点。1904年又发现A4至熔点间为δ铁。以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本 (H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律,于1900年制定出较完整的铁碳平衡图。随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。目前采用的铁碳平衡图示于图3，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。

基本组成

Fe-Fe3C平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成（见相图）。

① 在1495℃（HJB线）发生包晶反应,LB+δH匊AJ。此时液相LB(0.53%C)，δ铁素体δH(0.09%C)，奥氏体AJ(0.17%C)三相共存。冷凝时反应的结果形成奥氏体。 ② 在1148℃(ECF线)发生共晶反应,LC匊AE+Fe3C。此时液相LC(4.30%C)，奥氏体AE（2.11%C）。渗碳体(6.69%C)三相共存。冷凝时反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物，通称为莱氏体。

③ 在727℃(PSK线)发生共析反应,AS匊FP+Fe3C,此时奥氏体As(0.77%C)，铁素体FP(0.0218%C)，渗碳体(6.69%C)三相共存。冷却时反应的结果形成铁素体与渗碳体的混合物，通称珠光体。共析反应温度常标为A1温度。

线条说明

其他几条线的含义如下:①GS线,奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线,称A3温度。②ES线,碳在奥氏体中的溶解限度线,称Acm温度。在1148℃时，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%,而在727℃时只为0.77%。所以凡是碳含量大于0.77%的铁碳合金，在Acm温度以下时，奥氏体中将析出渗碳体,称为二次渗碳体,以区别于从液态中析出的一次渗碳体。③PQ线,碳在铁素体中的溶解限度线。在727℃时,碳在铁素体中最大溶解度为0.0218%，600℃时为0.0057%，400℃时为0.00023%,200℃以下时小于0.0000007%。碳含量大于0.0057%的合金，在PQ线以下均有析出渗碳体的可能性。通常称此类渗碳体为三次渗碳体。④NJ线，奥氏体转变为δ铁素体，称A4温度，纯铁为1394℃，随碳含量增加而提高。⑤ABCD线，合金的液相线。⑥AHJE线，合金的固相线。

此外，770℃水平线表示铁素体的磁性转变温度,常称为A2温度。在此温度以下,铁素体呈铁磁性。230℃水平线表示渗碳体的磁性转变温度。磁性转变时不发生晶体结构的变化，渗碳体在230℃以下呈铁磁性。

用途

铁碳平衡图是研究碳钢和铸铁的基础，也是研究合金钢的基础，它的许多基本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意义，如在简单二元Fe-C系中出现的各种相，往往在复杂合金钢中也存在。当然，需要考虑到合金元素对这些相的形成和性质的影响，因此研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳平衡图开始。工程上依据Fe-Fe3C平衡图把铁碳合金分为三类,即工业纯铁(C≤0.021%)、钢(0.021～2.11%C)和铸铁(2.11～6.69%C)。其他在制定钢铁材料的铸造、锻轧和热处理工艺等方面，也常以铁碳平衡图为依据。实际加热时钢铁的临界点往往高于Fe-Fe3C平衡图上的临界点,冷却时则低于平衡图的临界点。如图6所示，习惯上以A表示平衡图上的临界点,沿用奥斯蒙以法文加热的首字母c及冷却的首字母r分别标志加热和冷却，Ac表示加热时的临界点,Ar表示冷却时的临界点。

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