鐵碳合金相圖分類分析*

彭德春，楊趙宇，陳年升，周章慶，王 朝，汪湘粵

（蚌埠學院 機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠233030）

1 概述

鐵碳合金相圖是《工程材料及熱處理》課程中的重要內容。同時，它也是研究鐵碳合金最主要的工具。鐵碳合金相圖，顧名思義就是Fe-Fe3C 相圖，純鐵與碳作為基礎元素合成鐵碳合金[1]。其中，純鐵在固體狀態下，具有同素異構轉變。在不同狀態下的純鐵與碳，可以形成不一樣的固溶體，對于Fe-Fe3C 相圖上的間隙固溶體主要包括鐵素體（符號F 或α-Fe），奧氏體（符號A 或γ-Fe），鐵素體與奧氏體是碳分別溶于α-Fe、γ-Fe 中形成的間隙固溶體[2]。而滲碳體（符號Fe3C 或Cm）并沒有同素異構轉變，屬于金屬化合物。由于許多學生沒有真正掌握鐵碳合金相圖，容易記混，本文從相區、組織、特殊線及相關點出發，對鐵碳相圖進行系統性的分類分析。

圖1 鐵碳合金相圖

2 相區

圖1 為鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖共有五個單相區、七個兩相區、三個三相區、五個單相區分別為：液相區（L）、鐵素體區（α）、奧氏體區（γ）、固溶體區（δ）、滲碳體區（Fe3C）。七個兩相區分別為：ABH 相區（L+δ）、HJN相區（δ+）、BCEJ 相區（L+γ）、CDF 相區（L+Fe3C）、GSP 相區（L+α）、ECFKS 相區（γ+Fe3C）、PSKQ 相區（α+Fe3C）。三個三相區分別為：SA 點相區（α+γ+Fe3C）、C 點相區（L+γ+Fe3C）、J 點相區（L+δ+γ）。

3 組織

按照含碳量，鐵碳合金分為：工業純鐵（Wc＜0.0218%）、鋼（0.0218%＜Wc＜2.11%）和白口鑄鐵（2.11%＜Wc＜6.69%）。如圖2 所示。其中，鋼又可以分為：亞共析鋼（0.0218%＜Wc＜0.77%）、共析鋼（Wc=0.77%）和過共析鋼（0.77%＜Wc＜2.11%）三種不同類型；白口鑄鐵又可分為：亞共晶白口鑄鐵（2.11%＜Wc＜4.3%）、共晶白口鑄鐵（Wc=4.3%）和過共晶白口鑄鐵（4.3%＜Wc＜6.69%）三種不同類型[3]。

圖2 鐵碳合金相圖分類圖

表1 鐵碳合金相圖中的特殊點

4 轉變

鐵碳相圖共有三個轉變，如圖1 所示，分別為包晶轉變、共晶轉變和共析轉變。

包晶轉變：在1495℃時，固相δ 在H 點，它與周圍成分為B 點的液相L，固相δ 與液相L 相互發生轉變，成分為J 點的另一新相γ 固溶體，這種轉變叫包晶轉變或包晶反應[4]。

共晶轉變：在特殊的溫度下，特定成分的液體同時結晶出兩種特定成分的固相的反應。例如：含碳量為2.11%-6.69%的鐵碳合金，在1148℃的溫度下（C 點）出現共晶反應，產物是奧氏體（固態）和滲碳體（固態）的機械混合物，稱為“萊氏體”。在此點的左側為亞共晶白口鑄鐵，右側為過亞共晶白口鑄鐵。共晶反應生成的是微觀結構為萊氏體的白口鑄鐵。合金系列中某特定化學成分的合金，在特定的溫度下，同時由液相中結晶出兩種不同成分和不同晶體結構的固相的過程稱為共晶轉變或共晶反應[5]。

共析轉變：共析，顧名思義，即兩種或以上的固相（新相），從同一固相（母相）中一起析出，而發生的相變，稱為共析轉變，有時也稱共析反應。例如：在727℃恒溫下、碳濃度為0.76%-0.78%附近時（S 點），發生共析轉變，其原相為奧氏體，共析相分別為左端的鐵素體和右端的滲碳體，這一由溫度與濃度確定的點稱為共析點，在此點左側為亞共析區，右側為過共析區。共析反應生成的是微觀結構為珠光體的碳鋼[6]。

5 相圖中的特殊點

鐵碳相圖中特殊點的含義如表1 所示。

6 特殊線

如圖1 鐵碳合金相圖所示，HJB 三點水平線（1495℃）為包晶線，與此線成分（0.09%-0.53%C）相對應的基本元素在此線溫度下出現包晶轉變，轉變產物為奧氏體；ECF 三點水平線（1148℃）為共晶線，與此線成分（2.11%-6.69%C）相對應的合金元素在此線溫度下出現共晶轉變，轉變產物是奧氏體和滲碳體的機械混合物，并稱為萊氏體，用符號“L”表示；PSK 三點水平線（727℃）為共析線，與此線成分（0.0218%-6.69%C）相對應的合金元素在此線溫度下出現共析轉變，轉變產物是鐵素體和滲碳體的機械混合物，稱為珠光體，用符號“P”表示，共析線又名為A1 線[7]。

此外，鐵碳合金相圖中還存在六條固態轉變線：GS線、GP 線為αγ 固溶體轉變線，HN 線、JN 線為δγ 固溶體轉變線。例如，GS 線是慢慢降溫時鐵素體從奧氏體中分離開始，加熱時鐵素體向奧氏體轉變完成的溫度線。GS 線又稱為A3線，JN 線又名為A4線。ES 線為碳在δ-Fe 中的固溶線。在1148℃，碳的溶解度為最大值，是2.11%。隨著溫度的降低，溶解度也在下降，在727℃時溶解度只有0.77%。所以含碳量超過0.77%的鐵碳合金自1148℃降溫至727℃時，會從奧氏體中分離出滲碳體，又稱之為二次滲碳體，標記為Fe3CII。二次滲碳體常常沿奧氏體的晶界呈網狀分布在其周圍。ES 線又稱為Acm線。PQ 線為碳在α-Fe 中的固溶線。在727℃時，碳的溶解度最大，為0.0218%，隨著溫度的降低，溶解度也在緩慢下降，達到室溫時溶解度僅為0.0008%。所以鐵碳合金自727℃向室溫冷卻的過程中，會從鐵素體中分離出滲碳體，并稱為三次滲碳體，標記為Fe3CIII[8]。

另外，Fe-Fe3C 相圖中有兩條特殊的物理性能轉變線：MO 線（770℃）是鐵素體磁性轉變線。在770℃以上，鐵素體為順磁性物質，在770℃以下，鐵素體轉變為鐵磁性物質，此線又稱為A2線；UV 線（230℃）是滲碳體磁性轉變溫度，又稱為A0線。

7 基本相

鐵碳合金相圖的基本相有鐵素體、奧氏體，滲碳體，珠光體，萊氏體。

鐵素體是指碳固溶在a-Fe 中形成的固溶體，性能接近純鐵，比較軟，塑性、韌性好。從鐵碳合金相圖可知，鐵素體在727℃時，其中含有0.0218%的碳，溫度降低時，碳的溶解度發生下降，在室溫時，僅為0.008%，幾乎不含碳。鐵素體的晶體結構為體心立方結構，結構圖如圖3 所示。晶胞中8 個原子位于立方體的8 個棱角上，與相鄰其他8 個晶胞共用，中心1 個原子單獨屬于該立方結構，計算該立方體的中的原子數為8×1/8+1=2（個），晶格參數：a=b=c，α=β=γ=90°即晶胞結構的各個邊長都相等，夾角為90°。

圖3 體心立方晶體結構

通常采用工業純鐵試樣觀察鐵素體的金相組織，圖4 為工業純鐵試樣經打磨拋光采用4%的硝酸酒精腐蝕后的形貌，鐵素體呈現出白色，晶界為形狀不規則的多邊形，晶界呈現黑色。

圖4 工業純鐵金相組織圖

奧氏體是碳溶于γ-Fe 中形成的固溶體，強度和硬度比鐵素體高，塑性，韌性好。從鐵碳合金相圖可知，奧氏體屬于高溫區，在1148℃時，奧氏體中含碳量為2.11%，溫度下降時，碳含量也降低，在727℃是，含碳量為0.77%。奧氏體的晶體結構為面心立方結構，結構圖如圖5 所示。晶胞中8 個原子位于立方體的8 個棱角上，與相鄰8 個晶胞共用，立方體6 個面，每個面各有一個原子，與周圍相鄰的6 個晶胞共用，計算該立方體的中的原子數為8×1/8+6×1/2=4（個），晶格參數：a=b=c，α=β=γ=90°即晶胞結構的各個邊長都相等，夾角為90°。

圖5 面心立方晶體結構

奧氏體的金相組織如圖6 所示，奧氏體晶粒為多邊形的形狀，但晶界的多邊形比鐵素體晶界的平直。

圖6 奧氏體金相組織

滲碳體的晶體結構屬于正交系，化學式常用Fe3C 表示，硬度和脆性很大，塑性和韌性較差。圖7 為滲碳體的金相組織結構，圖中白色的條狀組織為滲碳體組織。

珠光體是鐵素體與滲碳體的機械混合物，鐵素體和滲碳體以薄層狀交替重疊組成珠光體，珠光體的性能處于滲碳體和鐵素體之間，有一定的強度、硬度和塑性。

萊氏體有高溫萊氏體和低溫萊氏體，高溫萊氏體是奧氏體和滲碳體的共晶體，低溫萊氏體是珠光體和滲碳體的復合物，也叫做“變態萊氏體”。萊氏體的含碳量為4.3%，萊氏體比較硬、脆，塑性差。

圖7 滲碳體金相組織圖

8 結束語

鐵碳合金相圖是《工程材料及熱處理》課程的重要章節，拆分相圖理解鐵碳合金成分、溫度、組織和性能之間的關系，應用相區、組織、特殊點、特殊線的含義來記憶鐵碳合金的重難點，掌握鐵碳相圖的組成、分類、加熱和冷卻過程組織轉變過程，能更好理解鐵碳合金相圖，為后續制定正確的熱處理方案奠定理論基礎。

鐵碳合金相圖是在理想化的狀態下繪制的，與平面坐標相類似，在溫度與鐵碳合金組織變化的過程中，結合點、線、面分類分析從而達到理想的學習效果。