任务3　铁碳合金相图的应用

【任务描述】

掌握铁碳合金的分类；通过分析典型铁碳合金的冷却过程，进一步理解不同成分的合金在不同温度组织的变化规律及合金室温组织的由来，为以后合理的应用铁碳合金相图作好准备。

【知识链接】

知识点一　铁碳合金的分类

按Fe－Fe₃C相图中碳的含量及室温组织的不同，铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类。

1.工业纯铁（ω_C≤0.0218％），室温组织为F

2.钢（0.0218％＜ω_C≤2.11％）

共析钢：ω_C=0.77％，室温组织为P

亚共析钢：0.0218％＜ω_C＜0.77％，室温组织为F+P

过共析钢：0.77％＜ω_C≤2.11％，室温组织为P+Fe₃C_Ⅱ

3.白口铸铁（2.11％＜ω_C≤6.69％）

共晶白口铸铁：ω_C=4.3％，室温组织为Ld'

亚共晶白口铸铁：2.11％＜ω_C＜4.3％，室温组织为P+Fe₃C_Ⅱ+Ld'

过共晶白口铸铁：4.3％＜ω_C≤6.69％，室温组织为Ld'+Fe₃C_Ⅰ

知识点二　典型铁碳合金结晶过程分析

1.共析钢冷却过程分析

图3－1合金I为ω_c=0.77％的共析钢。合金在1点温度以上全部为液相，当缓冷至与AC线相交的1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体，奥氏体的量随温度下降而增多，其成分沿AE线变化，剩余液相逐渐减少，其成分沿AC线变化。冷至2点温度时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。2点至3点（即S点）温度范围内为单一奥氏体。冷至3点（727℃）时，发生共析转变，从奥氏体中同时析出成分为P点的铁素体和成分为K点的渗碳体，构成交替重叠的层片状两相组织，称为珠光体，用符号P表示，其共析转变式为

这种在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两种一定成分的固相转变，称为共析转变。共析转变在恒温下进行，该温度称为共析温度；发生共析转变的成分称为共析成分，共析成分是一定的；共析转变后的组织称为共析组织或共析体。共析体转变后的铁素体和渗碳体又称共析铁素体和共析渗碳体。由于在固态下原子扩散较困难，故共析组织均匀、细密。

在3点温度以下继续缓冷时，铁素体成分沿PQ线变化，将有少量三次渗碳体从铁素体中析出，并于共析渗碳体混在一起，不易分辨，而且在钢中影响不大，故可忽略不计。共析钢冷却过程如图3－19，其室温组织为珠光体。

图3－19　共析钢冷却过程示意图

珠光体显微组织一般为层片状，当放大倍数较低时，只能看到白色基体的铁素体和黑色条状的渗碳体，如图3－20（a）；放大倍数较高时，可清楚看到渗碳体是有黑色边缘围绕着的白色条状，如图3－20（b）。(www.daowen.com)

2.亚共析钢冷却过程分析

图3－1中合金Ⅱ为ω_C=0.45％的亚共析钢。合金Ⅱ在3点以上的冷却过程与合金Ⅰ在3点以上相似。当合金冷至与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体。随温度降低，铁素体量不断增多，其成分沿GP线变化，而奥氏体量逐渐减少，其成分沿GS线向共析成分接近，3点至4点间组织为奥氏体和铁素体。合金缓冷至4点时，剩余奥氏体的含碳量达到共析成分（ω_C=0.77％），发生共析转变形成珠光体。温度继续下降，由铁素体中析出极少量的三次渗碳体，可忽略不计。故其室温组织为铁素体和珠光体，其冷却过程如图3－21所示。

图3－20　珠光体的显微组织

图3－21　亚共析钢冷却过程示意图

所有亚共析钢的冷却过程均相似，其室温组织都是由铁素体和珠光体组成。所不同的是随含碳量的增加，珠光体量增多，铁素体量减少。亚共析钢的显微组织如图3－22，图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体。

图3－22　亚共析钢的显微组织

3.过共析钢冷却过程分析

图3－1中合金Ⅲ为ω_C=1.2％的过共析钢。合金Ⅲ在3点以上的冷却过程与合金I点以上相似。当合金冷至与ES线相交的3点时，奥氏体中含碳量达到饱和，碳以二次渗碳体的形式析出，呈网状沿奥氏体晶界分布。继续冷却，二次渗碳体量不断增多，奥氏体量不断减少，剩余奥氏体奥氏体的成分沿ES线变化。当冷却到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体中含碳量达到共析成分（ω_C=0.77％），故奥氏体发生共析转变，形成珠光体。继续冷却，组织基本不变。其室温组织为珠光体和网状二次渗碳体。冷却过程如图3－23所示。

图3－23　过共析钢冷却过程

所有过共析钢的室温组织都是由珠光体和网状二次渗碳体组成的。不同的是随含碳量的增加，网状二次渗碳体量增多，珠光体量减少。过共析钢的显微组织如图3－24，图中呈片状黑白相间的组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。

图3－24　过共析钢的显微组织

知识点三　含碳量对铁碳合金平衡组织和机械性能的影响

1.含碳量对铁碳合金平衡组织的影响

综上所述，任何成分的铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体两相组成。只是随含碳量的增加，铁素体量相对减少，而渗碳体量相对增多，并且渗碳体的形状和分布也发生变化，因而形成不同的组织。室温时，随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化如下：

F→F+P→P→P+Fe₃C_Ⅱ→P+Fe₃C_Ⅱ+Ld'→Ld'→Ld'+Fe₃C_Ⅰ→Fe₃C

2.含碳量对铁碳合金机械性能的影响

如图3－25所示，当ω_C＜0.9％时，随含碳量增加，钢的强度和硬度直线上升，而塑性和韧性不断下降。这是由于随含碳量的增加，钢中渗碳量增多，铁素体量减少所造成的；当ω_C＞0.9％以后，二次渗碳体沿晶界已形成较完整的网，因此钢的强度开始明显下降，但硬度仍在增高，塑性和韧性继续降低。

为保证工业用钢具有足够的强度，一定的塑性和韧性，钢的含碳量一般不超过1.3％。ω_C＞2.11％的白口铸铁，由于组织中有大量的渗碳体，硬度高，塑性和韧性极差，既难以切削加工，又不能用锻压方法加工，故机械工程上很少直接应用。

图3－25　含碳量对钢组织和力学性能的影响

【任务实施】

通过分析我们发现含碳量对铁碳合金的性能影响非常大。不同含碳量的合金，组织中Fe₃C的含量不同，使得合金表现出来的性能不同，这些是工程上选材和为材料选择加工方法的重要依据。值得大家注意的是，我们所学习的Fe－Fe₃C相图是在平衡条件下（极其缓慢加热或冷却）获得的。如果条件发生变化，相图中线条的位置（即合金相变的温度）也将发生变化