【材料课堂】铁碳相图，你还记得吗？（收藏版）

看到题目，想必材料人都很熟悉了，今天小编带大家重温当年经典的铁碳相图相关，亲们记得收藏学习哦~

一、准备知识

首先，想要了解铁碳合金、铁碳相图，则需要一些准备知识，比如合金、相、组元成分的概念等，基本如下：

合金：一种金属元素与另外一种或几种元素，通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。

相：合金中同一化学成分、同一聚集状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分。

固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。

固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。

金属化合物：合金的组元间以一定比例发生相互作用儿生成的一种新相，通常能以化学式表示其组成。

二、铁碳合金相

铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体。

1、铁素体

铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号"F"(或α)表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。δ=30%~50%, AKU=128~160J， σb=180~280MPa, 50~80HBS。铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。

2、奥氏体

奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格；虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大，最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%。

在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%。另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。

3、渗碳体

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃,质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色。渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响.

小结:

在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体，奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中，这一点是十分重要的。

三、铁碳相图

铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C，Fe2C，FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和Fe3C。由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分轴从0~6.69%。所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图。

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：

⑴工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。

⑵碳钢（0.0218%-2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%-0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%-2.11%C）。

⑶白口铸铁（2.11%-6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%-4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）

四、相图分析

Fe—Fe3C相图看起来比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析：

1、共晶转变

在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变:

Lc(AE+Fe3C),

转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示。存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成。低温莱氏体是由珠光体,Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨.

2、共析转变

在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变:

AS(F+Fe3C),转变的产物称为珠光体.

共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体.

3、特征点

相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义一定要搞清楚.根据相图分析如下点：

相图中重要的点(14个)：

1.组元的熔点: A (0, 1538) 铁的熔点；D (6.69, 1227) Fe3C的熔点

2.同素异构转变点：N(0, 1394) δ-Fe γ-Fe；G(0, 912)γ-Fe α-Fe

3.碳在铁中最大溶解度点:

P(0.0218,727),碳在α-Fe 中的最大溶解度

E(2.11,1148),碳在γ-Fe 中的最大溶解度

H (0.09,1495),碳在δ-Fe中的最大溶解度

Q(0.0008,RT),室温下碳在α-Fe 中的溶解度

三相共存点:

S(共析点,0.77,727),(A+F +Fe3C)

C(共晶点,4.3,1148),( A+L +Fe3C)

J(包晶点,0.17,1495),(δ+ A+L )

其它点

B(0.53,1495),发生包晶反应时液相的成分

F(6.69,1148 ), 渗碳体

K(6.69,727 ), 渗碳体

4、特性线

相图中的一些线应该掌握的线有:ECF线，PSK线(A1线)，GS线(A3线)，ES线(ACM线)

水平线ECF为共晶反应线.

碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共晶反应.

水平线PSK为共析反应线

碳质量分数为0.0218%～6.69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共析反应.PSK线亦称A1线.

GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线.

ES线是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线.由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%, 而在727℃时仅为0.77%, 因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中, 将从A中析出Fe3C.析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII). Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线.

PQ线是碳在F中固溶线.在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C.析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII).PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线.Fe3CIII数量极少,往往予以忽略.

5、相图相区

1.单相区(4个+1个): L,δ,A,F ,(+ Fe3C)

2.两相区(7个):L + δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.

本文来自微信公众号“材料科学与工程”，溪谷编辑整理。