3.4.2.1　相图分析

Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳含量及含义见表3.1。代表符号属通用，不能随意改变。

表3.1　Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳含量及含义

1．Fe-Fe3C相图中的恒温转变

相图中ABCD为液相线，AHJECFD为固相线。

Fe-Fe3C 相图由包晶反应（左上部）、共晶反应（右上部）和共析反应（左下部）三部分连接而成。3条水平线分别表示3个恒温转变。

（1）包晶转变。

水平线HJB为包晶转变线，J点为包晶点，表达式为

进行包晶转变时，奥氏体沿δ相与液相的界面形核，并向δ相和液相两个方向长大。包晶点成分的铁碳合金，包晶转变结束时，δ相和液相同时转变完，成为单相奥氏体。含碳量为wC=0.09%～0.17%的合金，由于δ相的量较多，当包晶转变结束后，液相耗尽，仍残留一部分δ相，这部分δ相在随后的冷却过程中，通过固溶体的同素异晶转变而变成奥氏体。含碳量为wC=0.17%～0.53%的合金，由于δ相的量较少，液相较多，所以在包晶转变结束后，仍残留一部分液相，这部分液相在随后的冷却过程中通过匀晶转变结晶成奥氏体。

含碳量为wC＜0.09%的合金，在按匀晶转变结晶为δ固溶体后，继续冷却时将在 NH与HJ线之间发生固溶体的同素异晶转变，变为单相奥氏体。含碳量为wC=0.53%～2.11%的合金，液相按匀晶转变也变为单相奥氏体。

总之，含碳量为wC＜2.11%的合金在冷却过程中，都可在一定温度区间内得到单相奥氏体组织。但对于高合金钢来说，合金元素的扩散较慢，可能造成严重的包晶偏析。

对于含合金元素较少的铁碳合金而言，由于包晶转变温度高，碳原子扩散较快，包晶偏析并不严重。

（2）共晶转变。

水平线ECF为共晶转变线，C点为共晶点，表达式为

共晶转变产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld（或Le）来表示。含碳量为 2.11%～6.69%的铁碳合金降温时到达 1 148 °C，都要发生共晶转变。莱氏体中的渗碳体由共晶转变得到，故称为共晶渗碳体。

金相显微镜下莱氏体中的奥氏体呈粒状（或卵状）分布于渗碳体的基底上，莱氏体含碳量为 4.3%。由于渗碳体硬而脆，所以莱氏体是塑性很差也很硬的组织。该组织冷却至室温时，则称为低温莱氏体（变态莱氏体），用符号Ld′（或Le′）来表示，其组织形态如图3.35所示。

（3）共析转变。

水平线PSK为共析转变线，也称为A1线，S点为共析点，表达式为

共析转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号 P 来表示。含碳量为0.021 8%～6.69%的铁碳合金降温到 727 °C 时，都要发生共析转变。珠光体中的渗碳体由共析转变得到，故称为共析渗碳体。

珠光体组织中α与Fe3C两相呈层片状交替排列，其组织形态如图3.36所示，珠光体含碳量为0.77%。珠光体组织中较厚的层片为铁素体，较薄的层片为渗碳体。

图3.35　莱氏体组织形态

图3.36　珠光体组织形态

一般金相显微镜放大倍数不足（400～500），不能分辨被腐蚀的Fe3C层片两侧相界，Fe3C层片看起来就成了一条黑线。放大倍数更低（100～200）时，两相层片也难以分辨，珠光体组织区域呈现大块的灰黑色。

2．三条特性曲线

（1）GS线。

GS线是冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线，或加热时，铁素体向奥氏体转变的终了线。由于这条曲线在共析线以上，故又称为先共析铁素体开始析出线，习惯上称为A3线，或A3温度。

（2）ES线。

ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。铁碳合金冷却至温度低于此线时，如果奥氏体的含碳量在ES线以右，则奥氏体处于过饱和状态，碳以渗碳体形式从过饱和奥氏体中析出。由奥氏体中析出的次生渗碳体又称二次渗碳体，记为3Fe CⅡ，故ES线也称为次生渗碳体开始析出线，习惯上称为Acm线，或Acm温度。

（3）PQ线。

PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。当铁素体自 727 °C 冷却至室温时，如果铁素体的含碳量在PQ 线以右，则铁素体处于过饱和状态，将从过饱和铁素体中析出三次渗碳体，记为3Fe CⅢ，故PQ线又称为三次渗碳体开始析出线。3Fe CⅢ量极少，可以忽略不计。

3.4.2.2　典型铁碳合金的平衡结晶过程

根据Fe-Fe3C相图，将铁碳合金按含碳量分为3类7种：

（1）工业纯铁。

工业纯铁含碳量小于等于0.021 8%。

（2）碳（素）钢。

碳（素）钢又分为亚共析钢（含碳量为 0.021 8%～0.77%）、共析钢（含碳量为 0.77%）、过共析钢（含碳量为0.77%～2.11%）。

（3）白口铸铁。

白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（含碳量为2.11%～4.3%）、共晶白口铸铁（含碳量为4.3%）、过共晶白口铸铁（含碳量为4.3%～6.69%）。

根据碳的存在状态可将铸铁分为白口铸铁和灰口铸铁。按Fe-Fe3C相图结晶的铸铁，除了固溶以外，碳全部以Fe3C形式存在，断口呈银白色，故称白口铸铁。白口铸铁性能硬而脆。若铸铁中部分或全部碳以石墨形态存在时，断口呈暗灰色，称为灰口铸铁。现结合Fe-Fe3C相图（见图3.37）分析典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温下的组织。

图3.37　典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置

1．工业纯铁

高温冷却时，工业纯铁在各个温度区间的转变过程及室温下的组织如下：

合金①在液相状态缓慢冷却到1点后，开始发生匀晶转变，从液相中通过形核、长大析出δ固溶体。在冷却过程中，δ固溶体的量逐渐增多，其成分沿固相线AH变化；同时，液相的量逐渐减少，其成分沿液相线AB变化，至2点合金全部结晶为δ。

在2—3点的温度区间内是δ固溶体的冷却过程，无组织转变。

从3点开始，发生固溶体的同素异晶转变，δ逐渐转变为A（在δ晶界形核并长大），至4时全部转变成奥氏体。

在4—5点的温度区间内是奥氏体的冷却过程，无组织转变。

自5点开始，又发生固溶体的同素异晶转变，A逐渐转变为F（在A晶界形核并长大），至6点时全部转变成铁素体。

在6—7点的温度区间内是铁素体的冷却过程，无组织转变。

7点以下，F处于过饱和状态，发生脱溶转变，从过饱和的F晶界析出三次渗碳体。

工业纯铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图 3.38所示。因此工业纯铁的室温平衡组织（见图3.39）为铁素体和三次渗碳体。铁素体呈白色块状；三次渗碳体量极少，呈小白片状，分布于铁素体晶界处。若忽略三次渗碳体，则组织全为铁素体。

图3.38　工业纯铁结晶过程示意图

图3.39　工业纯铁的室温平衡组织

在室温下，三次渗碳体含量最大的是wC=0.021 8%的铁碳合金，其含量可用杠杆定律求出：

2．共析钢

从高温液态冷却时：

合金②在液相状态缓慢冷却到1点后，开始发生匀晶转变，从液相中结晶出奥氏体，至2点全部结晶完。

在2—3点的温度区间内是奥氏体的冷却过程，无组织转变。

冷却到3点（共析温度）时，A开始发生恒温的共析转变，形成珠光体（α+Fe3C ），至3′点共析转变结束，奥氏体全部转变为珠光体。

从3′点继续冷却至室温，P 的内部在发生相变（从 P 中的过饱和 F 相中析出少量的Fe3CⅢ相），但没有单独的组织生成。(www.daowen.com)

共析钢的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.40所示。因此共析钢的室温平衡组织全部为珠光体，珠光体呈层片状（见图3.36）。

3．亚共析钢

合金③在液相状态缓慢冷却到1点后，开始发生匀晶转变，从液相中通过形核、长大析出δ固溶体。在冷却过程中，δ固溶体的成分沿固相线AH变化；同时，液相的成分沿液相线AB变化。

至2点（包晶温度）时δ固溶体的成分在H点，剩余液相的成分在B点，开始发生恒温的包晶转变，形成成分为J点的奥氏体，至2′点包晶转变结束，此时还有剩余的液相。

在2 3′—点剩余的液相将发生匀晶转变直接结晶为奥氏体。包晶与匀晶转变得到的奥氏体是同一种组织，混合在一起。

在3—4点的温度区间内是奥氏体的冷却过程，无组织转变。

自4点开始，发生固溶体的同素异晶转变，优先从奥氏体晶界析出先共析铁素体，奥氏体和铁素体的成分分别沿 GS 和 GP 线变化，至5点此转变结束。

图3.40　共析钢结晶过程示意图

到达5点（共析温度）时，剩余奥氏体的成分变化至S点，铁素体成分变化至P点，剩余成分为S点的奥氏体发生恒温的共析转变，形成成分为S点的珠光体，至5′点共析转变结束，奥氏体全部转变为珠光体，而铁素体保持不变。

5′点以下，从过饱和铁素体中析出三次渗碳体，但由于三次渗碳体析出量极少，可以忽略不计。

亚共析钢的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.41 所示。最后的组织为铁素体和珠光体，铁素体呈白色块状；珠光体呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于 0.6%的亚共析钢，室温平衡组织中的铁素体常呈白色网状，包围在珠光体周围。亚共析钢中含碳量越高，则室温组织中珠光体量越多，如图3.42所示。

图3.41　亚共析钢结晶过程示意图

图3.42　亚共析钢的室温平衡组织

利用杠杆定律可以分别计算出钢中的组织组成物的含量（以wC=0.40%的亚共析钢为例）：

同样，也可以计算出相组成物的含量：

亚共析钢的碳含量可由其室温组织来估算。若将铁素体中的碳含量忽略不计，则钢中的碳含量全部在珠光体中，因此由钢中珠光体的质量分数可求出钢中的碳含量：

4．过共析钢

合金④从1—3点的转变过程和共析钢一样。

从3点开始，发生脱溶转变，优先从过饱和奥氏体的晶界析出先共析二次渗碳体，呈网状分布，奥氏体和二次渗碳体的成分分别沿ES和FK线变化，至4点时脱溶转变结束。

到4点（共析温度）时，剩余奥氏体的成分到达 S 点，发生恒温的共析转变，形成珠光体，共析转变至4′点结束，奥氏体全部转变为珠光体，而二次渗碳体保持不变。

4′点以下，组织冷却不变。

过共析钢的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.43所示。室温平衡组织为二次渗碳体和珠光体。在显微镜下，二次渗碳体呈网状，分布在层片状珠光体周围，如图3.44所示。

图3.43　过共析钢结晶过程示意图

图3.44　过共析钢的室温平衡组织

在过共析钢中，二次渗碳体的含量随钢的含碳量的增加而增加，当含碳量较多时，除了沿奥氏体晶界呈网状分布外，还在晶内呈针状分布。当含碳量达到 2.11%时，二次渗碳体的含量达到最大值，其含量可用杠杆定律计算出：

5．共晶白口铸铁

合金⑤成分为 C 点的液相缓慢冷却到 1 点（共晶温度）时，发生恒温的共晶转变，生成成分为C点的莱氏体，至1′点共晶转变结束，液相全部转变为莱氏体。

从1—2点，莱氏体中的过饱和奥氏体相不断析出二次渗碳体相，并与共晶渗碳体混合在一起，故没有单独组织生成，莱氏体中的奥氏体相的成分沿ES线变化。

到2点（共析温度）时，莱氏体中剩余的奥氏体相的成分变化到S点，发生恒温的共析转变，形成珠光体，至2′点此转变结束，莱氏体中的奥氏体相全部转变为珠光体，此时莱氏体由P、Fe3CⅡ和Fe3C共晶组成，即低温莱氏体，故2 —2′点发生的转变实际上是莱氏体转变为低温莱氏体。

2′点以下，组织冷却不变（低温莱氏体中的珠光体中析出少量三次渗碳体相）。

共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程及莱氏体组织形态如图3.45所示。室温平衡组织为低温莱氏体，如图3.35所示。

图3.45　Ld组织及共晶白口铸铁结晶过程示意图

6．亚共晶白口铸铁

合金⑥在液态缓慢冷却到1点后，开始发生匀晶转变，从液相中结晶出奥氏体，液相和奥氏体的成分分别沿 BC和JE线变化，至2点匀晶转变结束，奥氏体的成分变化到E点，剩余液相的成分变化到C点。

到2点（共晶温度）时，剩余成分为C点的液相发生恒温的共晶转变，形成莱氏体。至2′点时共晶转变结束，液相全部转变为莱氏体。

自 2—3 点，从过饱和初生奥氏体（匀晶转变产物）晶界析出先共析二次渗碳体，呈网状分布；同时莱氏体中的过饱和奥氏体相也析出二次渗碳体，并与共晶渗碳体混合在一起。奥氏体的成分均沿ES线变化至S点。

到3点（共析温度）时，剩余成分为S点的初生奥氏体发生共析转变，形成珠光体，初生奥氏体中析出的二次渗碳体保持不变；同时莱氏体也转变为低温莱氏体（实际上是莱氏体中的成分为 S 点的奥氏体转变为低温莱氏体中的珠光体）。至3′点时共析转变结束，初生奥氏体全部转变为珠光体，莱氏体全部转变为低温莱氏体。

3′点以下，组织冷却不变。

亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.46所示。室温平衡组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。网状二次渗碳体分布在粗大树枝状珠光体的周围，低温莱氏体则由条状或粒状珠光体和渗碳体基体组成，如图3.47所示。

图3.46　亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

图3.47　亚共晶白口铸铁的室温平衡组织

利用杠杆定律可以分别计算出亚共晶白口铸铁中的组织组成物的含量（以ωC=3.0%的亚共晶白口铸铁为例）。

当刚冷却到共晶温度（尚未发生共晶转变）时，初晶奥氏体的含量为

此时剩余的液体随后全部转变为莱氏体，莱氏体随后又全部转变为低温莱氏体，故低温莱氏体的含量为

初晶奥氏体随后析出二次渗碳体后，剩余的初晶奥氏体全部转变为珠光体。从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体的含量为

则珠光体的含量为

7．过共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁的室温平衡组织为一次渗碳体和低温莱氏体。一次渗碳体呈长条状，低温莱氏体的形貌则如前所述（见图3.48）。

图3.48　过共晶白口铸铁的室温平衡组织

根据以上对典型铁碳合金组织转变的分析，可画出以下按组织分区的 Fe-Fe3C 相图（见图3.49）。

图3.49　按组织分区的铁碳合金相图