簡析鐵碳合金相圖的教學(xué)

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(yīng)用場合也不一樣。在材料學(xué)中，相圖已成為研究合金組織形成和變化規(guī)律的有效工具；在生產(chǎn)實(shí)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(jù)。故鐵碳合金相圖是金屬材料與熱處理課程教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，由于其理論抽象、概念繁雜，對于中技生而言要學(xué)好這門課有一定的難度。本文根據(jù)筆者教學(xué)實(shí)踐，就如何提高課堂教學(xué)效果展開探討。

關(guān)鍵詞：鐵碳合金相圖?教學(xué)方法?教學(xué)效果

鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)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(tǒng)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(shí)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(gè)復(fù)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(guān)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(guān)系的圖解。它是一個(gè)以含碳量為橫坐標(biāo)、溫度為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系內(nèi)的平面區(qū)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(xué)性能，確定其應(yīng)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，F(xiàn)e和Fe3C是組成鐵碳合金的兩個(gè)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(tài)下的相結(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)容

一是鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變表達(dá)式為：

液態(tài)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(tài)下的共晶轉(zhuǎn)變。一定成分的液態(tài)合金，在某一恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種均勻混合固相的轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變，共晶轉(zhuǎn)變由液相發(fā)生生成共晶體。鐵碳合金共晶轉(zhuǎn)變的表達(dá)式為：

Lc（A+Fe3C），即萊氏體Ld。

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

As（F+Fe3C），即珠光體P。

2.將鐵碳合金相圖歸納為六點(diǎn)六線上下兩部分進(jìn)行分析

特性點(diǎn) 含義 溫度/℃ 含碳量/%

A

E

G

C

S

D

（1）上半部分圖形——由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的一次結(jié)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(diǎn)為純鐵的熔點(diǎn)，D點(diǎn)為滲碳體的熔點(diǎn)，C點(diǎn)為共晶點(diǎn)，含碳量為4.3%的液態(tài)合金在1148℃時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)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(tài)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(jié)晶出來，使剩余液體的含碳量趨近4.3%，1148℃時(shí)亦發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而生成萊氏體Ld；同理，含碳量＞4.3%的液態(tài)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(jié)晶出來，使剩余液體的含碳量趨近4.3%，1148℃時(shí)亦發(fā)生共晶轉(zhuǎn)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(jié)晶為固相，E點(diǎn)成分以左是固溶體單一奧氏體區(qū)，E—C成分之間是先析相奧氏體+萊氏體區(qū)，C—F成分之間是先析相一次滲碳體+萊氏體區(qū)。ECF又稱為共晶線，該線以下所有液體合金均結(jié)晶為萊氏體。

（2）下半部分圖形——固態(tài)下的相變。

圖3?Fe－Fe3C相圖下半部分圖形

如圖3所示，G點(diǎn)為γ—Fe 912℃α—Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)；E點(diǎn)為1148℃時(shí)，碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%，727℃時(shí)，該溶解度降為0.77%；S點(diǎn)為共析點(diǎn)，含碳量為0.77%的固態(tài)合金在727℃時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)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(shí)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(jié)晶出來，使剩余奧氏體的含碳量趨近0.77%，727℃時(shí)亦發(fā)生共析轉(zhuǎn)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(jié)晶出來，使剩余奧氏體的含碳量趨近0.77%，727℃時(shí)亦發(fā)生共析轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。同理，萊氏體中的奧氏體也轉(zhuǎn)變成珠光體，此時(shí)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(guān)系

根據(jù)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(jié)合的形態(tài)也發(fā)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(shí)幾乎為零。故性能近似于純鐵，強(qiáng)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(qiáng)化物，它的形態(tài)（片狀、球狀、網(wǎng)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(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性降低。但當(dāng)含碳量超過0.9%（即過共析鋼區(qū)域）時(shí)，由于二次滲碳體（Fe3CII）呈明顯網(wǎng)狀，除硬度繼續(xù)上升外，鋼的強(qiáng)度有所降低，塑性、韌性較差。為了保證工業(yè)上使用的鋼具有足夠的強(qiáng)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(yīng)用

1.作為選用鋼材的依據(jù)

（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(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好，用于制造要求塑性、韌性好，而強(qiáng)度要求不太高，焊接性能好的構(gòu)件——普通碳素結(jié)構(gòu)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(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性，用于制造要求強(qiáng)度、塑性和韌性等綜合性能較好的機(jī)械零件——優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jù)

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

（作者單位：中山市技師學(xué)院）