鐵碳合金相圖研究*

張紅昆，張 延，陳 磊，張申奧，邢雯婧，尹明恩，汪湘粵

（蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠233030）

在鐵碳合金相圖中存在著許多豐富而又重要的知識(shí)區(qū)域，能夠明白這些知識(shí)對(duì)于深入學(xué)習(xí)工程材料有很大的幫助。鐵碳合金相圖是指在極其緩慢或冷卻的條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同溫度下所處狀態(tài)的圖形，如圖1所示。

圖1 鐵碳合金相圖

1 相圖中的基本組織

純鐵：鐵的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)均為1535℃，沸點(diǎn)2750℃，純鐵具有銀白色金屬光澤。純鐵的塑性和韌性好，但強(qiáng)度、硬度很低，在機(jī)械零件制造中很少直接使用。同時(shí)它具有三種同素異構(gòu)晶格形式。純鐵在1538℃結(jié)晶后，具有體心立方晶格，稱(chēng)為δ-Fe；當(dāng)冷卻到1394℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由體心立方晶格的δ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe；繼續(xù)冷卻至912℃時(shí)，再次發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，又由有面心立方晶格的γ-Fe轉(zhuǎn)變成了具有體心立方晶格的α-Fe；再繼續(xù)冷卻時(shí)晶格類(lèi)型不再發(fā)生變化。

鐵素體：鐵素體是α-Fe內(nèi)固溶有一種或數(shù)種其他元素、晶體點(diǎn)陣為體心立方的固溶體。符號(hào)F、α或α-Fe表示。鐵素體晶界圓滑，晶體內(nèi)很少見(jiàn)孿晶或滑移線(xiàn)，顏色淺綠、發(fā)亮，深腐蝕后發(fā)暗，鋼中鐵素體以片狀、塊狀、針狀和網(wǎng)狀存在。由于α-Fe是體心立方晶格結(jié)構(gòu)，它的晶格間隙很小，因此溶碳能力極差，在727℃時(shí)溶碳量最大，可達(dá)0.0218%，隨著溫度的下降溶碳量逐漸減小，在600℃時(shí)溶碳量約為0.0057%，在室溫時(shí)溶碳量約為0.0008%。性質(zhì)與純鐵相同：強(qiáng)度、硬度低，塑性好。

奧氏體：奧氏體是鋼鐵的一種層片狀的顯微組織，通常是γ-Fe中固溶少量的碳或其他元素、晶體結(jié)構(gòu)為面心立方的無(wú)磁性固溶體，也稱(chēng)為沃斯田鐵、γ-Fe或A。奧氏體的名稱(chēng)是來(lái)自英國(guó)的冶金學(xué)家羅伯茨·奧斯?。╓illiam Chandler Roberts-Austen）。奧氏體強(qiáng)度較低，但其溶碳能力較大，在1146°C時(shí)可以溶進(jìn)2.04%的碳，奧氏體的點(diǎn)陣排列特殊，因此奧氏體的在塑性方面很好，但屈服強(qiáng)度低，易于加工塑性成形，所以工業(yè)上，一般把鋼材加熱到1100°C以上奧氏體化，然后進(jìn)行鍛軋，塑性加工成材或加工成零部件。

滲碳體：滲碳體的分子式為Fe3C（碳化三鐵），常用Cm或Fe3C表示，它是一種具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。它的含碳量為6.69%；熔點(diǎn)為1227℃左右，滲碳體的硬度很高，脆性很大，強(qiáng)度和塑性很差。經(jīng)過(guò)不同的熱處理，滲碳體可以成片狀、粒狀或斷續(xù)網(wǎng)狀。在一定條件下（如高溫長(zhǎng)期停留或緩慢冷卻），滲碳體可以分解而形成石墨狀的自由碳：Fe3C＝3Fe＋C石墨，這一過(guò)程對(duì)于鑄鐵和石墨鋼具有重要意義。滲碳體的顯微組織形態(tài)很多，在鋼和鑄鐵中與其他組織相互共存時(shí)呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀。由于其特殊的經(jīng)理化性質(zhì)，3%～5%硝酸酒精溶液侵蝕后呈白亮色，若用苦味酸鈉溶液熱侵蝕，則被染成黑褐色，而鐵素體仍為白色。

珠光體：珠光體其實(shí)就是鐵素體和滲碳體組成的混合物，因其金相似珍珠光澤而得名，用符號(hào)“P”表示。碳素鋼中珠光體組織的平均碳含量約為0.77%，由于是兩者的混合物，性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)韌性較好，硬度適中，塑性較好。

萊氏體：萊氏體是以白亮的滲碳體為基體，上面分布著許多粒狀、條狀或不規(guī)則形狀的黑色珠光體。常溫下為珠光體、滲碳體和共晶滲碳體的混合物，用符號(hào)Ld表示，其平均含碳量為ωc=4.3%。當(dāng)溫度高于727℃時(shí)，萊氏體由奧氏體和滲碳體組成，稱(chēng)為高溫萊氏體；在低于727℃時(shí)，萊氏體是由珠光體和滲碳體組成，稱(chēng)為變態(tài)（低溫）萊氏體。因?yàn)槿R氏體的基體為滲碳體，所以在性能上表現(xiàn)出硬度高，塑性很差。

2 相圖分析

鐵碳合金相圖如圖1所示，相圖中點(diǎn)、線(xiàn)及相區(qū)的含義如下。

2.1 點(diǎn)的含義

C、J、S點(diǎn)，這三個(gè)點(diǎn)分別代表共晶點(diǎn)、包晶點(diǎn)、共析點(diǎn)。C點(diǎn)，碳的百分含量為4.3%，溫度大致在1148℃左右，曲線(xiàn)ABCD線(xiàn)的上方是液相區(qū)，下方是雙相區(qū)（一液相生兩固相，即是成分為C的液相冷卻到此溫度時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)Lc→A+Fe3C），隨著溫度的降低（從鐵的沸點(diǎn)）液態(tài)合金析出兩固相合金反應(yīng)的最低位置，在這一點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)且在此碳含量一定的條件下，過(guò)了這一點(diǎn)反應(yīng)的溫度后反應(yīng)將轉(zhuǎn)變，C點(diǎn)即是臨界點(diǎn)-共晶點(diǎn)。J點(diǎn)，碳的百分含量為0.17%，溫度在1495℃，曲線(xiàn)ALJECF為固相線(xiàn)，線(xiàn)的上方是金屬溶液結(jié)晶的固相態(tài)區(qū)和原有的液相區(qū)，下方是另一固相（一固相和一液相生成另一固相），而J點(diǎn)是此界線(xiàn)上溫度下降后發(fā)生反應(yīng)最先開(kāi)始的一點(diǎn)，J點(diǎn)即是——包晶點(diǎn)。S點(diǎn)，碳的百分含量為0.77%，溫度為700℃上下，結(jié)晶的新固相在適當(dāng)?shù)臏囟群吞己恐匦律尚碌膬煞N不同的固相（一固生兩固，即是成分為S點(diǎn)的奧氏體冷卻到此溫度時(shí)，發(fā)生共析反應(yīng)：As→P（F+Fe3C）），S點(diǎn)所在的那一點(diǎn)是進(jìn)行反應(yīng)的最先發(fā)生點(diǎn)，所以S點(diǎn)是共析點(diǎn)。P點(diǎn)，碳在α-Fe中的最大溶解度。E點(diǎn)，碳在γ-Fe中的最大溶解度。H點(diǎn)，碳在δ-Fe中的最大溶解度。Q點(diǎn)，室溫下，碳在α-Fe中的溶解度。

2.2 重要特征線(xiàn)及其相區(qū)

在合金相圖中，分為幾個(gè)區(qū)域——五個(gè)單相區(qū)（ABCD線(xiàn)的上方的液相區(qū)L，AHNA區(qū)的δ固相區(qū)，NJESGN區(qū)為奧氏體（A或γ）相區(qū)；GPQG區(qū)為鐵素體（F或α）相區(qū)；DFK線(xiàn)為滲碳體（Fe3C或Cm）相區(qū)），七個(gè)兩相區(qū)（L+δ、L+A、L+Fe3C、δ+A、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C。字母可能有些許不同，只是表示方法不同），三個(gè)三相區(qū)（三條水平線(xiàn)HJB、ECF、PSK）。

位于最上面的液相線(xiàn)ABCD，從左往右來(lái)看是隨著碳的百分含量的增長(zhǎng)，從上而下是隨著溫度的下降，因此在A點(diǎn)（Fe的熔點(diǎn)），是單獨(dú)Fe這種物質(zhì)的液態(tài)相，而隨著碳含量的增長(zhǎng)，鐵碳合金的熔點(diǎn)不斷地降低（合金的性質(zhì)：多數(shù)合金熔點(diǎn)低于其組分中任一種組成金屬的熔點(diǎn)），直到碳含量達(dá)到此合金的純點(diǎn)-D點(diǎn)Fe3C的熔點(diǎn)（鐵碳合金的含碳量當(dāng)達(dá)到6.69%的時(shí)候就是純Fe3C了，再增加的話(huà)，合金的脆性變大，強(qiáng)度等性質(zhì)變低，對(duì)于實(shí)際工程材料無(wú)太大用處，不再研究）；于是在這個(gè)碳含量區(qū)間之內(nèi)各點(diǎn)相連組成的線(xiàn)——ABCD線(xiàn)，便是液相線(xiàn)。

固相線(xiàn)AHJECF。在液相線(xiàn)下，隨著溫度降低，先是結(jié)晶出δ-Fe，L與δ-Fe共存；之后在1495℃，碳含量為：0.09%-0.53%時(shí)，發(fā)生包晶反應(yīng)

包晶反應(yīng)是在恒溫下進(jìn)行，產(chǎn)物為奧氏體，在條件下均將進(jìn)行包晶轉(zhuǎn)換，可能會(huì)有殘余的δ-Fe，但會(huì)在溫度下降時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，但并不屬于包晶偏析（注：在高溫度時(shí)，碳原子的運(yùn)動(dòng)劇烈不會(huì)給包晶反應(yīng)帶來(lái)嚴(yán)重偏析，但在高合金中會(huì)因原子的慢運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生此結(jié)果）。在此過(guò)程中，有三種物質(zhì)，液相合金L相、新生成的奧氏體相和δ-Fe相，所以在這條HJB線(xiàn)水平線(xiàn)上存在著三種相-三相區(qū)。在此部分亦發(fā)生了勻晶反應(yīng)生成δ-Fe（ALN區(qū)）和奧氏體相（JES區(qū)）；再往后看，碳的含量小于4.3%時(shí)，先結(jié)晶出奧氏體，含量高于4.3%時(shí)結(jié)晶出一次滲碳，往這條線(xiàn)AHJECF下看則全部轉(zhuǎn)換成固體，因此，此分界線(xiàn)為固相線(xiàn)。

NH線(xiàn)。線(xiàn)上為δ-Fe相線(xiàn)下為δ-Fe和奧氏體相，再看NJ線(xiàn)下的奧氏體相可知，此處發(fā)生了勻晶反應(yīng)，全部轉(zhuǎn)變成了奧氏體相，而從N點(diǎn)開(kāi)始，隨著碳含量的升高，NH線(xiàn)升高最后達(dá)到H點(diǎn)后水平不變，這條線(xiàn)我們可以理解為碳在δ-Fe相中的溶解度曲線(xiàn)，溶碳含量從0增至0.09%，部分溶解形成奧氏體，達(dá)到H點(diǎn)時(shí)到達(dá)飽和點(diǎn)，于是不再增加呈水平狀態(tài)，H點(diǎn)便是碳在δ-Fe中最大的溶解度。

SE線(xiàn)，又稱(chēng)Acm線(xiàn)。從圖1可知，隨著溫度的下降，δ-Fe相全部轉(zhuǎn)化為奧氏體相（γ-Fe）。在SE線(xiàn)上，是溶解度較大的奧氏體，線(xiàn)下則是由多余的碳插在γ-Fe空間結(jié)構(gòu)中形成并析出的二次滲碳體相和奧氏體相組成的雙相區(qū)，所以SE線(xiàn)也可看做碳在γ-Fe相中的溶解曲線(xiàn)圖，S點(diǎn)后，碳的溶解度不斷增大，到E點(diǎn)后不再變化，E點(diǎn)則是最大溶解度點(diǎn)（2.11%）。

GS線(xiàn)，又稱(chēng)A3線(xiàn)。從圖1中不難發(fā)現(xiàn)這是奧氏體開(kāi)始析出鐵素體的分界線(xiàn)，在鐵碳合金冷卻過(guò)程中，隨著溫度的降低達(dá)到γ-Fe?α-Fe的反應(yīng)溫度912℃，于是不斷的有鐵素體析出，鐵的同素異構(gòu)反應(yīng)使得奧氏體不斷轉(zhuǎn)換為鐵素體。G點(diǎn)不難看出是轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)——912℃。

GP線(xiàn)和QP線(xiàn)。先是GP線(xiàn)，可以看出線(xiàn)上是奧氏體和鐵素體雙相區(qū)，由于鐵素體是體心立方的固溶體，原子緊密度、利用度較高，因此對(duì)碳的溶解度較低最大才0.0218%，多余的碳原子與鐵原子在空間上進(jìn)行排列變成更脆的三次滲碳體并從鐵素體晶界析出，因此，工業(yè)上可采用重新熱處理法等消除。對(duì)于QP線(xiàn)，從線(xiàn)上下的產(chǎn)物和溫度不難看出Q點(diǎn)是碳的600℃溶解度點(diǎn)，QP線(xiàn)則是碳在α-Fe中的溶解度曲線(xiàn)，在P點(diǎn)達(dá)到最大點(diǎn)。

共晶線(xiàn)ECF線(xiàn)。在溫度為1148℃由含碳量為4.3%的液相轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂繛?.11%的奧氏體和含碳量為6.69%的滲碳體組成的混合物。其反應(yīng)式為：Lc?Ae+Fe3C共晶。

共晶轉(zhuǎn)變形成的奧氏體與滲碳體的混合物，稱(chēng)為萊氏體，用Ld表示。在萊氏體中，滲碳體是連續(xù)分布的相，奧氏體呈短棒狀分布在滲碳體的基體上。萊氏體的產(chǎn)生可以從CD線(xiàn)看起，CD線(xiàn)在碳含量大于4.3%的區(qū)域（碳含量快接近于Fe3C分子式中碳含量），直接以一次滲碳體的形式從液相中直接結(jié)晶析出；然后在共晶溫度，一部分液相通過(guò)共晶反應(yīng)生成萊氏體。再隨著溫度的下降（727℃之下），生成低溫萊氏體，C點(diǎn)則是在合適條件，全部生成兩者的共晶體即是萊氏體。

共析線(xiàn)PSK線(xiàn)。在727°C恒溫下，從水平線(xiàn)可知是由含碳量為0.77%的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂繛?.0218%的鐵素體和滲碳體組成的混合物，其反應(yīng)式：As?Fp+Fe3C共析(γ→α+β)。

共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱(chēng)為珠光體，用符號(hào)P表示。共析轉(zhuǎn)變的水平線(xiàn)PSK，稱(chēng)為共析線(xiàn)或共析溫度，常用符號(hào)A表示。凡是含碳量大于0.0218%的鐵碳合金都將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。經(jīng)過(guò)共析轉(zhuǎn)變形成的珠光體是層片狀的。珠光體可以從GSP雙相區(qū)開(kāi)始分析，在共析溫度下奧氏體生成鐵素體和滲碳體即是珠光體，在反應(yīng)進(jìn)行和碳含量的增長(zhǎng)下，兩者含量達(dá)到珠光體中兩者含量比，在S點(diǎn)完全轉(zhuǎn)換成珠光體。

3 碳含量對(duì)組織的影響

從相圖中不難發(fā)現(xiàn)，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金組織中滲碳體的數(shù)量在增加，而且滲碳體的形態(tài)、分布也隨著發(fā)生變化。滲碳體在一次滲碳體時(shí)是以長(zhǎng)條狀形式存在，而在珠光體中以層片狀分布，繼而以網(wǎng)狀分布，最后在萊氏體組織中，有以點(diǎn)條狀滲碳體均勻分布在奧氏體基體上的共晶滲碳體，也有最后萊氏體時(shí)滲碳體又變成主要成分且以針狀分布。而引起組織的變化，顯然這是由于成分的變化，使相發(fā)生變化而造成的。這表明，在鐵碳合金中，碳含量對(duì)組織形式有著一定決定性的影響，而組織組分的不同形態(tài)，又決定了其性能變化的復(fù)雜性。不難知道碳含量在影響組織形態(tài)的同時(shí)，也在影響著合金的性能，因?yàn)槲镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。

4 鐵碳合金的應(yīng)用

在相圖的曲線(xiàn)給人帶來(lái)的直觀(guān)信息中，我們可以根據(jù)每點(diǎn)的信息去制備我們所需要的物質(zhì)，并進(jìn)一步制作完備工藝，提高效率，減少能源消耗。在設(shè)計(jì)零件時(shí)，可根據(jù)鐵碳合金相圖選擇材料。如若需要割韌性高的材料，如建筑結(jié)構(gòu)、各種容器和型材等，應(yīng)選擇低碳鋼；若需要塑性、韌性和強(qiáng)度都相對(duì)較高的材料，如各種機(jī)器零件，應(yīng)選擇中碳鋼。其在鑄造和鍛造工藝中提供理論基礎(chǔ)。在鑄鋼生產(chǎn)中常選用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高的中、低碳鋼。在鍛造工藝中，處于A狀態(tài)的鋼，其強(qiáng)度低，塑性好，可鍛性好。因此，都要把鋼加熱到高溫單相A區(qū)進(jìn)行塑性變形，但是又由于鍛造溫度太高會(huì)對(duì)鋼材進(jìn)行強(qiáng)烈的氧化，太低的話(huà)，又會(huì)使得鋼材塑性不夠產(chǎn)生裂紋。在生活中還有許多的生產(chǎn)實(shí)際需要相圖的幫助，比如熱處理工藝、新型鐵碳合金的制備和單一相的科學(xué)應(yīng)用等諸多問(wèn)題。但是相圖還是存在一定的局限性。如：相圖只反映了鐵與碳兩種元素的成分與組織的關(guān)系，而工業(yè)上應(yīng)用的鋼和鑄鐵，在冶煉過(guò)程中不可避免存在著多種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)均在不同程度上影響著合金的組織與性能。相圖是平衡條件下繪制的，在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)鋼和鑄鐵的加熱、冷卻都具有一定的速度，因此，結(jié)晶溫度及產(chǎn)物均有變化，于是就需要科學(xué)理論進(jìn)行實(shí)際化的運(yùn)用。