鐵碳相圖中平衡相和平衡組織的計算

摘 要：鐵碳相圖是鐵碳合金的平衡相圖，通過鐵碳相圖根據(jù)杠桿定律可以計算鐵碳合金中的各平衡相的含量和各平衡組織的含量，可以大致的分析出鐵碳合金不同性能原因。其中鐵碳合金的硬度主要和相的組成有關(guān)，相的計算可以公式化。而強度、塑韌性等性能主要與組織有關(guān)，組織的計算需分析鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程。

關(guān)鍵詞：平衡相圖；杠桿定律；平衡相；平衡組織

Calculation of equilibrium phase and equilibrium structure in iron carbon phase diagram

ZHU Shou-qin

Mechanical and Electronic Engineering College Chaohu University，chaohu 238000，China）

Abstract：The iron-carbon phase diagram is the equilibrium phase diagram of the iron-carbon alloy.According to lever law，the content of each equilibrium phase and the content of each equilibrium structure in the iron-carbon alloy can be calculated by the iron-carbon phase diagram.The cause of different properties of iron-carbon alloy can be roughly analyzed.The hardness ofiron-carbon alloy is mainly related to the composition of phase，and the calculation of phase can be formulated.The properties of strength，plasticity and toughness are mainly related to the microstructure.The equilibrium crystallization process of Fe-C alloy should be analyzed in order to calculate the microstructure.

Key words：equilibrium phase diagram，lever law，equilibrium phase，equilibrium organization

1.引言

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，鐵碳合金是應(yīng)用廣泛的工程材料，因此學好鐵碳相圖是從事各類加工和熱處理的基礎(chǔ)。鐵碳相圖存在Fe-Fe3C相圖和Fe-石墨相圖兩種形式[1]，在實際應(yīng)用中ω（C）≤6.69%，因此下面以Fe-Fe3C相圖為例。了解不同碳含量的鐵碳合金中的相和組織的含量對鐵碳合金的性能的研究具有指導的意義。在實際教學中，對相和組織的計算，許多學生會分不清，因此可能會導致對組織的判斷不準確，從而影響對性能的推斷。

2.鐵碳合金中碳含量的計算

鐵碳合金中所含相為鐵素體（α）和滲碳體（Fe3C）[2]，如圖1所示，只要給合金的含碳量ω（C）即可按照杠桿即可求出鐵素體和滲碳體的含量。

根據(jù)上圖及杠桿定律[3]可以很快的求出鐵素體相和滲碳體相的組成：

因此鐵碳合金中的相含量的計算是可以公式化的，由上式可以看出隨含碳量的增加，鐵素體越來越少，滲碳體越來越多，而鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相，因此，鐵碳合金越來越硬，這與實際應(yīng)用中鐵碳合金硬度的變化也是相符的。

3.鐵碳合金中組織的計算

由于對平衡組織計算的影響不大，因此，應(yīng)用鐵碳相圖簡圖來計算。根據(jù)有無共晶轉(zhuǎn)變將鐵碳合金的基分為碳鋼和鑄鐵兩類。按照組織結(jié)構(gòu)的特征，將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼、共晶白口鐵、亞共晶白口鐵、過共晶白口鐵等七種類型，具體分法如圖3.1所示。

圖3.1 按組織區(qū)分的鐵碳合金相圖

（1）工業(yè)純鐵（ω（C）<0.0218%）中組織含量的計算

液態(tài)鐵碳合金（ω（C<0.0218%）在冷卻過程中組織的變化如下式：

工業(yè)純鐵中的組織為鐵素體（F）和三次滲碳體（Fe3CⅢ），兩種相皆為單相組織，可以利用相含量公式算出F和Fe3CⅢ組織的含量，ω（C）=0.0128%時，ω（Fe3CⅢ）最小，為0.33%。工業(yè)純鐵的強硬度很小，塑韌性較好[4]。

（2）共析鋼（ω（C）=0.77%）中組織含量的計算

液態(tài)鐵碳合金（ω（C=0.77%）在冷卻過程中組織的變化如下式：

共析鋼中的組織為珠光體（P），是727℃時通過共析反應(yīng)γSP（αP+Fe3C）產(chǎn)生的，它的形態(tài)是鐵素體和滲碳體雙相機械混合物，呈層片狀。鐵素體的含碳量隨溫度的降低而減小，會在鐵素體和滲碳體相界析出三次滲碳體（Fe3CⅢ），且析出量較少，因此與共析滲碳體連接在一起，在顯微鏡下很難分辨，因此共析鋼中只有珠光體。珠光體具有較高的強度和硬度，因此共析鋼的強度和硬度較高。

（3）亞共析鋼（ω（C）=0.0218%～0.77%）中組織含量的計算

液態(tài)鐵碳合金（ω（C）=0.0218%～0.77%）在冷卻過程中組織的變化如下式：

其中從從先共析鐵素體（FP）中析出的三次滲碳體（Fe3CⅢ）量很少，可以忽略不計，因此，亞共析鋼中的組織為先共析鐵素體（F）和珠光體（P），以45#鋼為例，各組織含量為：隨著亞共析鋼含碳量的增加，珠光體越來越多，鐵素體越來越少，因此，亞共析鋼的強硬度越來高，塑韌性越來越差[4]。

（3）過共析鋼（ω（C）=0.77%～2.11%）中組織含量的計算

液態(tài)鐵碳合金（ω（C）=0.77%～2.11%）在冷卻過程中組織的變化如下式：

過共析鋼中的組織為二次滲碳體（Fe3CⅡ）和珠光體（P），以T12鋼為例，各組織的含量為：

隨著過共析鋼含碳量的增加，強硬度持續(xù)增加，塑韌性持續(xù)降低，大概到ω（C）=1%時，因為在珠光體的周圍形成了連續(xù)的滲碳體網(wǎng)格，強度會急劇下降，而硬度一直在增加[4]。

（4）共晶白口鐵（ω（C）=4.3%）中組織含量的計算

液態(tài)鐵碳合金（ω（C）=4.3%）在冷卻過程中組織的變化如下式：

其中P是共晶奧氏體析出Fe3CⅡ后發(fā)生共析反應(yīng)產(chǎn)生的，F(xiàn)e3CⅡ依附共晶滲碳體長大，難以分辨，因此，室溫下的變態(tài)萊氏體保持了萊氏體的基本形態(tài)，最終的變態(tài)萊氏體的顯微組織是小塊狀黑色珠光體分布在白色基體共晶滲碳體上。各組織含量為：

珠光體含量為：

滲碳體含量為：

（5）亞共晶白口鐵（ω（C）=2.11%～4.3%）中組織含量的計算

液態(tài)鐵碳合金（ω（C）=2.11%～4.3%）在冷卻過程中組織的變化如下式：

其中變態(tài)萊氏體的轉(zhuǎn)變過程與共晶白口鐵中一樣，而從先共晶奧氏體中析出的Fe3CⅡ與共晶滲碳體連成一片，難以分辨，而由先共晶奧氏體轉(zhuǎn)變成的P保持了先共晶奧氏體的形貌。因此，亞共晶白口鐵的平衡組織為：點狀或小塊狀和大塊狀珠光體分布在白色基體滲碳體上，以ω（C）=3.5%為例，各組織含量計算如下：

大塊珠光體含量：

（6）過共晶白口鐵（ω（C）=4.3%～6.69%）中組織含量的計算

液態(tài)鐵碳合金（ω（C）=4.3%～6.69%）在冷卻過程中組織的變化如下式：

過共晶白口鐵中的組織為變態(tài)萊氏體（Ld）和先共晶滲碳體（Fe3CⅠ），以ω（C）=5%為例，各組織含量計算如下：

由于白口鐵的基體為滲碳體，滲碳體是硬脆相，塑性極低，因此隨著含碳量的增加，白口鐵的硬度持續(xù)增加，而強度降低，塑性和韌性幾乎為零[4]。

4.總結(jié)

（1）鐵碳合金平衡相為鐵素體和滲碳體，質(zhì)量分數(shù)的計算無需考慮結(jié)晶過程，只需根據(jù)合金的含碳量、鐵素體含碳量，滲碳體含碳量，按照杠桿定律即可算出鐵素體和滲碳體的質(zhì)量分數(shù)，計算可以公式化。

（2）鐵碳合金平衡組織的計算，需要根據(jù)結(jié)晶過程分析出平衡組織，然后按照需要求出所需組織的含量，分析出其對某些性能變化的影響。其中亞共晶白口鐵的組織較為復雜，可以根據(jù)實際情況，求出相應(yīng)的組織含量。

參考文獻

[1]崔忠圻，劉北興.金屬學與熱處理原理[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社.2007年2月.

[2]嚴滿清，徐更生，王海燕.《鐵碳合金相圖》的教學探究[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學院學報，2010，9（04）：48-50.

[3]俞善元，張仲華.杠桿定理在二元相圖中的運用法則[J].地球科學，1999（04）：378-382.

[4]王華江.金屬材料與熱處理課程教學中鐵碳合金基本組織與性能的教學體會[J].職業(yè)，2018（11）：64-65.

作者簡介

朱守琴，198506，女，安徽合肥人，碩士研究生，工程師，研究方向：材料成型組織和性能。

（作者單位：巢湖學院 機械與電子工程學院；

身份證號碼：342625198506131849）