1.铁碳合金（Fe-Fe₃C）相图概述

我们知道工业生产和日常生活中应用最广泛的钢铁材料和铸铁都是铁碳合金。Fe-Fe₃C相图就是铁碳合金的组织、性能随着成分及温度变化的规律。以Fe-Fe₃C相图为依据，从铁碳合金的组织、性能随着成分变化的规律出发，能够推断出铁碳合金的性能，再根据不同零部件的性能要求，选定相应的制作材料、加工工艺及强化途径。因此，Fe-Fe₃C相图是材料科学的基础内容之一，是进行材料研究和开发非常有用的工具，对材料的生产加工也具有指导作用。

2.铁碳合金的基本组织

铁碳合金是以铁和碳为基本组元的二元合金，它的组织随着其成分和温度的变化而变化，但归纳起来仍然是固溶体、金属化合物和机械混合物三种形态。它们是铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。

（1）铁素体 碳溶解在a-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号“F”来表示。由于碳和铁的原子直径和晶格类型存在很大差异，所以当它们以固溶体的形式结合时，形成的只能是间隙固溶体。a-Fe是体心立方晶格，晶格间隙半径较小，因此碳在a-Fe中的固溶度也较小。在727℃时，a-Fe中的最大溶解碳量仅为w_C=0.0218%，并随着温度的下降而逐渐减小，至室温时降到最低点w_C=0.0008%。铁素体是铁碳合金在室温下的主要组织，起着基体相的作用。由于碳质量分数甚微，固溶强化作用小，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性，低的强度和硬度。

（2）奥氏体 碳溶解在γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号“A”表示。与铁素体相同，碳原子溶入铁素体后形成奥氏体，也只能是间隙固溶体。由于面心立方晶格的空隙较集中有利于碳原子的溶入，所以奥氏体的固溶度比铁素体大得多，它的最大固溶度为w_C=2.11%（1148℃）。奥氏体是铁碳合金的高温组织，在平衡条件下，它的最低存在温度是727℃，此时奥氏体的w_C=0.77%。虽然奥氏体中碳的质量分数略高于铁素体，但是由于晶格类型的原因，其性能特点仍然是塑性好而强度、硬度低。奥氏体是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。另外，奥氏体的一个重要物理性能是没有铁磁性。

（3）渗碳体 渗碳体是铁和碳以一定比例化合而成的亚稳定的金属化合物，以Fe₃C表示。它的w_C=6.69%，是一固定值。渗碳体具有复杂晶格，其性能特点是高硬度、高脆性及高熔点，并且几乎没有塑性。它是铁碳合金中的强化相。通过不同的热处理方法，可以改变渗碳体在铁碳合金中的形态、数量及分布，从而改变材料的性能。这正是热处理的重要原理之一。

（4）珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体所组成的机械混合物。它是平衡条件下w_C=0.77%的奥氏体在727℃进行共析转变的产物，以符号“P”表示。这时珠光体中的铁素体和渗碳体呈片层相间的形态，称为片状珠光体。当然，经过一定的处理，可以得到铁素体基体上分布着颗粒状的渗碳体，称为粒状（球状）珠光体。

珠光体的强度、硬度较铁素体高，但塑性、韧性差。在硬度相同的情况下，球状珠光体的塑性、韧性要好于片状珠光体。由此可见，珠光体的力学性能主要取决于其组成相的形态和分布。

（5）莱氏体 莱氏体是w_C=4.3%的铁碳合金，在1148℃发生共晶转变而从液相中同时析出的奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号“Ld”来表示。由于奥氏体在727℃时还将转变成珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成。这种机械混合物称为低温莱氏体，用L′d表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

综上所述，上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的基本相，珠光体、莱氏体则是其基本组织。铁碳合金组织的力学性能见表1-2。

表1-2 铁碳合金组织的力学性能

3.Fe-Fe₃C相图的运用

（1）Fe-Fe₃C相图知识 图1-11是简化后的Fe-Fe₃C相图。

图1-11 简化后的Fe-Fe₃C相图

1）Fe-Fe₃C相图的特性点：C点为共晶点。w_C=4.3%的液态铁碳合金，在平衡条件下冷至1148℃时发生共晶反应，同时结晶出渗碳体和E点成分（w_C=2.11%）的奥氏体。所谓的共晶转变，是指一定成分的液态合金，在一定的温度下同时结晶出两种不同固相的转变。共晶反应是在恒温下进行的，反应过程中液相、奥氏体和渗碳体三相共存，直至共晶结束完全变成固态奥氏体和渗碳体的机械混合物莱氏体。其反应式为

或

S点为共析点，w_C=0.77%的奥氏体，在平衡条件下冷至727℃时发生共析反应，由奥氏体中同时析出渗碳体（w_C=6.69%）和P点成分的铁素体（w_C=0.0218%）。像这样由一种成分的固溶体，在一恒定的温度下同时析出两个一定成分的新的不同固相的过程，称为共析转变。

共析转变与共晶转变在相图形状上非常相似，并且都是一种相在恒温下转变成另外两种固相。但它们的本质是不同的，前者是固态下的转变，后者是结晶过程。共晶转变前的母相是液相，而共析转变前的母相为单一固相。共析反应也是在恒温下进行的，反应过程中奥氏体、铁素体、渗碳体三相共存，直至反应结束，奥氏体完全转变成铁素体和渗碳体的机械混合物即珠光体。其反应式为

或

E点为奥氏体的最大固溶度点。在一定的温度条件下，奥氏体中溶解碳的数量有一最大值，即该温度下的固溶度。随着温度升高，其固溶度增大，当温度升至1148℃时，奥氏体的固溶度达到最大值，即w_C=2.11%。由此可见，在平衡条件下，于奥氏体所存在的整个范围内，其溶解碳的量最多为2.11%，而且只有在1148℃时才能达到。

P点与E点相似，表示铁素体在727℃时，其固溶度达到最大值，即w_C=0.0218%。

2）Fe-Fe₃C相图中的特性线：二元相图中的线条都是一些具有共同特征的点的连线。

ACD为液相线，是Fe-Fe₃C相图中所有铁碳合金在平衡冷却条件下结晶起始温度的连线。

AECF为固相线，是平衡冷却条件下铁碳合金结晶终了温度的连线。

在ACD液相线以上为单一的液相，在AECF固相线以下的合金都是固相，而这两条线之间为固、液两相混合区。

水平线ECF（1148℃）为共晶反应线，w_C=2.11%～6.69%的铁碳合金，在平衡冷却过程中，均在该温度下发生共晶反应。(www.daowen.com)

水平线PSK（727℃）为共析反应线，w_C=0.0218%～6.69%的铁碳合金，在平衡冷却过程中，均在该温度下发生共析反应。该线通常也被称为A₁线。

GS斜线是平衡冷却时从奥氏体中开始析出铁素体的析出线，通常被称为A₃线。奥氏体向铁素体转变是铁发生同素异构转变的结果。

ES线是碳在奥氏体中的固溶度曲线，通常称为Ac_m线。该线反映出奥氏体的固溶度从最大值E点（1148℃，w_C=2.11%）随着温度降低而逐渐减小，直到S点（727℃，w_C=0.77%）。w_C>0.77%的铁碳合金在从1148℃冷至727℃的过程中，都有可能从奥氏体中析出渗碳体，所以ES线又是奥氏体中开始析出渗碳体的析出线。

PQ线是碳在铁素体中的固溶度曲线。该线表示铁素体的固溶度从其最大值P点（727℃，w_C=0.0218%）随着温度下降而沿该线变化到Q点（室温，w_C=0.0008%）。因此，w_C>0.0008%的铁碳合金在从727℃冷至室温的过程中，将从铁素体中析出渗碳体。

综上所述，渗碳体可以有三个来源，即从液态合金中直接结晶出来、从奥氏体中析出和从铁素体中析出。这三种来源不同的渗碳体在显微组织中的数量、形态和分布是不同的。往往把从液态合金中结晶出来的渗碳体称为一次渗碳体，用Fe₃CⅠ表示；从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体，用Fe₃CⅡ表示；从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体，用Fe₃CⅢ表示。绝大多数铁碳合金中的Fe₃CⅢ数量极少，往往予以忽略。

GP线是w_C<0.0218%的铁碳合金中的奥氏体平衡冷却时完全转变成铁素体的终了温度线。

3）Fe-Fe₃C相图中的相区：简化后的Fe-Fe₃C相图中共有12个相区，包括5个单相区，5个两相区，2个三相区。

Fe-Fe₃C相图中两组元的合金线（即两纵坐标轴）分别为纯铁和渗碳体的单相区，由于它们的成分是固定值，所以呈直线。ECF、PSK分别是共晶线和共析线，前者是液相、奥氏体和渗碳体三相平衡区，后者是奥氏体、铁素体和渗碳体三相平衡区。此外，Fe-Fe₃C相图中的两相区均分别存在于两个单相区之间，见表1-3。

表1-3 Fe-Fe₃C相图中的相区

（2）铁碳合金的分类 根据Fe-Fe₃C相图中铁碳合金的碳质量分数、组织转变的特点及室温组织，可将铁碳合金分为以下几类：

1）工业纯铁：w_C≤0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。

2）钢：0.0218%<w_C<2.11%的铁碳合金称为钢。根据其室温组织和碳质量分数的不同，钢又可分为亚共析钢（0.0218%<w_C<0.77%）、共析钢（w_C=0.77%）、过共析钢（0.77%<w_C<2.11%）。

3）白口铸铁：2.11%≤w_C<6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。根据其室温组织和碳质量分数的不同，白口铸铁又可分为亚共晶白口铸铁（2.11%≤w_C<4.3%）、共晶白口铸铁（w_C=4.3%）、过共晶白口铸铁（4.3%<w_C<6.69%）。

（3）Fe-Fe₃C相图的应用

1）根据Fe-Fe₃C相图判断铁碳合金的力学性能。合金的性能取决于组织，而合金的组织又是和成分密切相关的。铁碳合金中碳的质量分数不同，它们室温下的平衡组织也不同。当碳的质量分数增大时，组织按F→F+P→P→P+Fe₃CⅡ→P+Fe₃CⅡ+L′d→L′d→L′d+Fe₃CⅡ→Fe₃C的顺序变化。为了便于分析，可以把低温莱氏体分解成珠光体和渗碳体两种组织。图1-12a所示为F、P、Fe₃C三种基本组织随着碳质量分数变化而变化的规律。图1-12a中的横坐标表示合金的w_C=0%～6.69%，纵坐标表示合金中三种组织的比例。由此可见，当w_C=0%时，几乎百分之百是铁素体；随着碳质量分数的增大，铁素体含量逐渐减少，而珠光体的含量逐渐增大，当w_C=0.77%时，则合金完全由珠光体组成；随着碳质量分数进一步增大，珠光体的含量逐渐减小，而渗碳体的含量逐渐增大，直至w_C=6.69%时，合金全部由渗碳体组成。其中，F-P、P-Fe₃C相对量的变化都呈直线关系。如果将珠光体再分解为铁素体和渗碳体，问题就更简单了。如图1-12b所示，当碳的质量分数很小时为百分之百的铁素体，随着碳质量分数的增大，铁素体量逐渐减少，而渗碳体量则由零开始相应增加，直至w_C=6.69%时为百分之百的渗碳体。同样，两者相对量的变化规律也呈直线关系。

图1-12 铁碳合金室温平衡组织与w_C的关系

下面分析铁碳合金的性能与其组织之间的规律性。在此以铁素体和渗碳体的变化规律讨论：铁素体的硬度和强度低，但塑性、韧性好，起基体相作用；渗碳体则很硬很脆，是强化相。因此，随着碳质量分数由小到大，渗碳体量逐渐增多，铁素体量逐渐减少，铁碳合金的硬度越来越高，而塑性、韧性越来越低。图1-13所示为试验测得的碳质量分数与力学性能之间的关系曲线。由图1-13可见，表示冲击韧度的ɑ_K值曲线下降的幅度比塑性指标A和Z要大，这说明韧性指标对渗碳体量的增加，即碳质量分数的增加更敏感。硬度基本上随着碳质量分数的增加呈直线上升。强度是一个对组织形态很敏感的力学性能，在亚共析区，因为只有铁素体和渗碳体两种组织的相对量变化，所以强度基本上随着碳质量分数的增加而直线上升；当碳质量分数超过0.77%而进入过共析区时，其组织为珠光体和渗碳体，游离渗碳体的存在，使强度的增加趋缓；另外，二次渗碳体是在原先奥氏体的晶界处析出的，在w_C>0.9%后，随着碳质量分数的增大，渗碳体含量增大，逐渐形成网状，大大削弱了晶粒间的结合力，使强度急剧降低。因此，在w_C=0.9%处出现强度最大值，而随着碳质量分数继续增大，强度则不断下降。

图1-13 碳素钢的力学性能与w_C的关系

2）作为选用钢铁材料的依据。根据Fe-Fe₃C相图所表示的成分组织和性能的规律，如果需要强度较高，塑性、韧性好，焊接性好的各种金属构件用的钢材，则可选用碳含量较低的钢；如果需要强度、塑性和韧性都比较好的各种机器零件用钢，则可选用碳含量适中的钢；如果需要强度高、硬度高和耐磨性好的工具用钢，则可选用碳含量较高的钢。

3）作为制订铸、锻和热处理等热加工工艺的依据，如图1-14所示。

①在铸造生产上的应用。根据Fe-Fe₃C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点。从图1-14可以看出，钢的熔化与浇注温度都要比铸铁高；靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，故具有良好的铸造性，这类合金适宜于铸造，在铸造生产中获得广泛的应用。

锻等工艺的关系

②在锻造工艺上的应用。由于奥氏体组织具有强度低、塑性好，便于塑性变形加工的特点，因此钢材轧制和锻造多选在单一奥氏体组织温度范围内。其选择原则是：开始轧制或锻造的温度不得高，以免钢材氧化严重，甚至发生奥氏体晶界部分熔化使工件报费的现象；终止温度也不能过低，以免钢材塑性差，在锻造过程中导致裂纹的产生。

③在焊接方面的应用。焊接时，由焊缝到母材各区域的加热温度是不同的。由Fe-Fe₃C相图可知，在不同的加热温度下会获得不同的组织，并在随后的冷却过程中可能会出现不同的组织和性能。这就需要在焊接后采用热处理的方法加以改善。低碳钢由于碳的质量分数较小，其中的锰、硅含量很低，塑性好，一般没有淬硬倾向，不会因焊接而产生严重的硬化组织，所以对焊接热过程不敏感，具有良好的焊接性，焊接时一般也不需要采取特殊的工艺措施即可获得优良的接头。因此，焊接成形的构件以使用低碳钢为宜。

④在热处理工艺上的应用。根据对工件材料性能要求的不同，各种不同的热处理方法的加热温度都是参考Fe-Fe₃C相图选定的，如图1-15所示。

图1-15 Fe-Fe₃C相图与热处理温度的关系