任务2　认识铁碳合金相图

【任务描述】

通过对铁碳合金相图学习，熟悉铁碳合金的基本组织及铁碳合金相图的含义，思考一下Fe－Fe₃C相图和常见的简单相图之间有什么联系，Fe－Fe₃C相图如图3－1所示。

【知识链接】

知识点一　铁碳合金的基本组织

1.工业纯铁及其特性

工业纯铁指含杂质为0.10％～0.20％的纯铁，其强度、硬度低，塑性好。纯铁具有同素异晶转变，即在不同温度具有不同晶体结构的特性，转变过程如图3－16所示。

图3－16　纯铁的冷却曲线

转变式为：

2.铁碳合金的基本组织

（1）铁素体

铁素体是碳溶解在α－Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。铁素体仍保持α－Fe的体心立方晶格。由于体心立方晶格的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218％（727℃），因此铁素体室温时的性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性和韧性好。

显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状，晶界曲折，如图3－17。

（2）奥氏体

奥氏体是碳溶解在γ－Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。奥氏体仍保持铁的面心立方晶格。由于面心立方晶格的间隙较大，因此溶碳能力也较大，其最大溶碳量2.11％（1148℃）。奥氏体塑性、韧性好，强度、硬度较低，所以生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造。

奥氏体的显微组织与铁素体的显微组织相似，呈多边形晶粒，但晶界较铁素体平直，如图3－18。

图3－17　铁素体的显微组织示意图

图3－18　奥氏体的显微组织示意图

（3）渗碳体

渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物，用化学式Fe₃C表示，渗碳体是钢和铸铁中常见的固相。渗碳体的含碳量为6.69％，硬度很高（约1000HV），塑性、韧性几乎为零，极脆。

渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形式与其他相共存，它是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大影响。

（4）珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体，用符号P表示。珠光体的平均含碳量为0.77％，在727℃以下温度范围内存在，其强度、硬度高，塑性、韧性好。

显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。

（5）莱氏体

莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的共晶体。含碳量为4.3％的铁碳合金由液态冷却到1148℃时发生共晶转变，生成高温莱氏体，用符号Ld表示。合金继续冷却到727℃时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体（又叫变态莱氏体），用符号Ld'表示。

知识点二　铁碳合金相图分析

1.何谓铁碳合金相图(www.daowen.com)

铁碳合金相图是指在平衡条件下（极其缓慢加热或冷却），不同成分的铁碳合金在不同温度下所处状态或组织的图形。

铁和碳可形成一系列稳定化合物（Fe₃C、Fe₂C、FeC），但含碳量大于6.69％的铁碳合金的脆性极大，没有实用价值，而且Fe₃C又是一个稳定的化合物，可以作为一个独立的组元，因此我们所研究的铁碳合金相图实际上是Fe－Fe₃C相图，如图3－1所示。

2.相图中特征点、特征线的含义

（1）各特征点的含义

A——纯铁的熔点（1538℃）

C——共晶点（1148℃）

D——渗碳体的熔点（1227℃）

E——碳在γ－Fe中的最大溶解度

G——纯铁的同素异晶转变点

P——碳在α－Fe中的最大溶解度

S——共析点（727℃）

Q——碳在α－Fe中的溶解度

（2）各特征线的含义

ACD线——液相线

AECF线——固相线

AC线——奥氏体结晶开始线

AE线——奥氏体结晶终了线

GS线——铁素体析出开始线（A₃）

GP线——铁素体析出终了线

PQ线——Fe₃C_Ⅲ析出线

ES线——Fe₃C_Ⅱ析出线（A_cm）

PSK线——共析线（A₁）

CD线——Fe₃C_Ⅰ结晶开始线

ECF线——共晶线

【任务实施】

通过观察我们能够发现Fe－Fe₃C相图含有匀晶相图、共晶相图等基本相图的形状。因此，对于复杂的Fe－Fe₃C相图，我们可以利用基本相图的知识和分析方法来学习和掌握它。