簡析鐵碳合金相圖的教學

尹麗萍

摘?要：由于鋼鐵材料的成分（含碳量）不同，因此組織和性能也不相同，應用場合也不一樣。在材料學中，相圖已成為研究合金組織形成和變化規律的有效工具；在生產實踐中，鐵碳合金相圖可作為制訂鋼材冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依據。故鐵碳合金相圖是金屬材料與熱處理課程教學的一個重點內容，由于其理論抽象、概念繁雜，對于中技生而言要學好這門課有一定的難度。本文根據筆者教學實踐，就如何提高課堂教學效果展開探討。

關鍵詞：鐵碳合金相圖?教學方法?教學效果

鋼鐵是現代工業中應用最為廣泛的金屬材料，其基本組元是鐵和碳兩種元素，故統稱為鐵碳合金。普通碳鋼和鑄鐵均屬鐵碳合金范疇，合金鋼和合金鑄鐵實際上是有意加入了合金元素的鐵碳合金。鐵碳合金因鐵、碳含量的不同，形成一個復雜的合金系，不同成分的合金，其組織不同，即使是同一成分的合金，其組織也隨溫度變化而變化。因此，為了掌握鐵碳合金的成分、組織與性能之間的關系，必須了解鐵碳合金相圖。

鐵碳合金相圖是反映“成分—溫度—組織”三者之間關系的圖解。它是一個以含碳量為橫坐標、溫度為縱坐標的坐標系，坐標系內的平面區域反映不同成分和溫度條件下的合金組織。鐵碳合金相圖的建立，為分析合金成分和溫度對其組織的影響，繼而推斷其力學性能，確定其應用范圍和加工方法等，提供了直觀手段。

一、鐵碳合金相圖分析

在鐵碳合金相圖中，Fe和Fe3C是組成鐵碳合金的兩個基本組元，故又稱為Fe－Fe3C相圖（圖1）。由于鐵與碳之間相互作用不同，鐵碳合金固態下的相結構形成固溶體和金屬化合物兩類，屬于固溶體相有鐵素體F和奧氏體A，屬于金屬化合物相有滲碳體Fe3C。與絕大多數合金的組織一樣，鐵碳合金也是固溶體和少量金屬化合物組成的混合物。組成鐵碳合金的混合物有珠光體P（F+Fe3C）和萊氏體Ld（A+Fe3C）兩種。

圖1?簡化后的Fe－Fe3C相圖

1.鐵碳合金相圖中包含有三方面內容

一是鐵的同素異構轉變。純鐵在固態下，隨溫度的改變由一種晶格轉變為另一種晶格的現象稱為同素異構轉變。純鐵的同素異構轉變表達式為：

液態Fe1538℃δ—Fe1394℃γ—Fe 912℃α—Fe

（體心立方晶格）（面心立方晶格）（體心立方晶格）

二是鐵碳合金在高溫液態下的共晶轉變。一定成分的液態合金，在某一恒溫下同時結晶出兩種均勻混合固相的轉變稱為共晶轉變，共晶轉變由液相發生生成共晶體。鐵碳合金共晶轉變的表達式為：

Lc（A+Fe3C），即萊氏體Ld。

三是鐵碳合金在中溫固態下的共析轉變。一定成分的固溶體，在某一恒溫下同時析出兩種均勻混合固相的轉變稱為共析轉變，共析轉變與共晶轉變很相似，不同的是由固相發生生成共析體。鐵碳合金共析轉變的表達式為：

As（F+Fe3C），即珠光體P。

2.將鐵碳合金相圖歸納為六點六線上下兩部分進行分析

特性點 含義 溫度/℃ 含碳量/%

A

E

G

C

S

D

（1）上半部分圖形——由液態變為固態的一次結晶（912℃以上部分）。

圖2?Fe－Fe3C相圖上半部分圖形

如圖2所示，A點為純鐵的熔點，D點為滲碳體的熔點，C點為共晶點，含碳量為4.3%的液態合金在1148℃時發生共晶轉變，生成奧氏體和滲碳體均勻混合的萊氏體Ld。ACD為液相線，液相線以上各種成分的合金均為液相L。含碳量＜4.3%的液態合金在液相線下，過飽和的鐵逐漸以先析相奧氏體的形式從液相中先結晶出來，使剩余液體的含碳量趨近4.3%，1148℃時亦發生共晶轉變而生成萊氏體Ld；同理，含碳量＞4.3%的液態合金在液相線下，過飽和的碳逐漸以先析相一次滲碳體（Fe3CⅠ）的形式從液相中先結晶出來，使剩余液體的含碳量趨近4.3%，1148℃時亦發生共晶轉變而生成萊氏體Ld。AECF為固相線，固相線以下各種成分的合金均結晶為固相，E點成分以左是固溶體單一奧氏體區，E—C成分之間是先析相奧氏體+萊氏體區，C—F成分之間是先析相一次滲碳體+萊氏體區。ECF又稱為共晶線，該線以下所有液體合金均結晶為萊氏體。

（2）下半部分圖形——固態下的相變。

圖3?Fe－Fe3C相圖下半部分圖形

如圖3所示，G點為γ—Fe 912℃α—Fe的同素異構轉變點；E點為1148℃時，碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%，727℃時，該溶解度降為0.77%；S點為共析點，含碳量為0.77%的固態合金在727℃時發生共析轉變，生成鐵素體和滲碳體均勻混合的珠光體。GS（A3）線為冷卻時從奧氏體中析出鐵素體的開始線，含碳量＜0.77%的鐵碳合金在GS線下，過飽和的鐵逐漸以先析相鐵素體的形式從奧氏體中先結晶出來，使剩余奧氏體的含碳量趨近0.77%，727℃時亦發生共析轉變而生成珠光體；ES（ACm）線為碳在奧氏體中溶解度線，含碳量＞0.77%的鐵碳合金在ES線下，過飽和的碳逐漸以先析相二次滲碳體（Fe3CⅡ）的形式從奧氏體中先結晶出來，使剩余奧氏體的含碳量趨近0.77%，727℃時亦發生共析轉變而生成珠光體。PSK又稱為共析線，該線以下所有奧氏體均轉變為珠光體。同理，萊氏體中的奧氏體也轉變成珠光體，此時的萊氏體叫做低溫萊氏體Ld'。

二、鐵碳合金的成分、組織與性能的關系

根據對鐵碳合金相圖的分析，鐵碳合金在室溫的組織都是由鐵素體F和滲碳體Fe3C兩相組成的。隨著含碳量增大，鐵素體的量逐漸減小，滲碳體的量則有所增加，并且二者相互結合的形態也發生變化，即：

F→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII+Ld′→Ld′→Ld′+Fe3CII

鐵素體是碳溶解于α—Fe中形成的間隙固溶體，其溶碳量僅為0.0218%，室溫時幾乎為零。故性能近似于純鐵，強度、硬度低，塑性、韌性好。

滲碳體是碳在鐵碳合金中的存在形式，是碳鋼的主要強化物，它的形態（片狀、球狀、網狀或板狀）與分布對鋼的性能有很大影響。在一般情況下，鐵碳合金隨著含碳量增加，滲碳體增多，鋼的強度、硬度升高，而塑性、韌性降低。但當含碳量超過0.9%（即過共析鋼區域）時，由于二次滲碳體（Fe3CII）呈明顯網狀，除硬度繼續上升外，鋼的強度有所降低，塑性、韌性較差。為了保證工業上使用的鋼具有足夠的強度，并且有一定的塑性和韌性，鋼中的含碳量一般不超過1.4%。

三、鐵碳合金相圖的應用

1.作為選用鋼材的依據

（1）含碳量較低（C＜0.25%）的鋼。其成分為鐵素體F+珠光體P，鐵素體占主體，強度、硬度低，塑性、韌性好，用于制造要求塑性、韌性好，而強度要求不太高，焊接性能好的構件——普通碳素結構鋼。

（2）含碳量適中（0.3%～0.5%）的鋼。其成分為鐵素體F+珠光體P，珠光體占主體，強度較高，硬度適中，具有一定的塑性，用于制造要求強度、塑性和韌性等綜合性能較好的機械零件——優質碳素結構鋼。

（3）含碳量高的鋼（C＞0.70%）。其成分為珠光體P +滲碳體Fe3C，滲碳體使鋼的強度、硬度升高，而塑性、韌性降低，用于制造要求硬度高、耐磨性好的各種工具——碳素工具鋼。

2.作為制訂鑄、鍛和熱處理等熱加工工藝的依據

鐵碳合金相圖的內容、分析及應用，是金屬材料與熱處理課程的骨干內容。教師若能給學生講清楚了這個知識點，后續的熱處理和鋼材的應用知識、典型零件的選材及工藝路線的分析制訂學生就能理解與掌握得較好，從而為學生們今后工作中解決實際問題打下扎實的專業基礎。

（作者單位：中山市技師學院）