铁碳平衡图.docx

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铁碳平衡图

铁碳平衡图

Iron-carbonequilibriumdiagram

表示在接近平衡（铁一石墨）和亚稳条件（铁一碳化铁）下铁碳合金在不同碳含量、不同温度下所呈现的相和这些相之间平衡关系的图，又称铁碳相图。

它是研究和使用钢铁材料、制定其铸造、热加工和热处理工艺以及分析工艺废品时的重要依据。

简史1868年，俄国学者切尔诺夫（д．K．ЧepHOB）注意到只有把钢加热到某一温度以上再快冷，才能使钢淬硬，从而有了临界点的概念。

1887～1892年，法国人奥斯蒙（F．Osmond）等发现临界点A3和A2，他认为这表示铁有同素异构体，他称从室温至A2温度保持稳定的相为%26alpha;-Fe；A2～A3间为%26beta;-Fe；A3以上为%26gamma;-Fe。

1895年，他进一步证明，如铁中含有少量碳，则在690℃或710℃左右出现临界点，即A1点，标志在此温度以上碳溶解在铁中，而低于此温度时，碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来，随铁中碳含量提高，A3下降与A2相合，然后继续下降，当碳含量为0.8％～0．9％时与A1合为一点。

1904年，又发现A4至熔点间为%26delta;-Fe。

以上述临界点工作的成果为基础，1899年，英国人罗伯茨（w．C．Roberts）和奥斯汀（Austen）制定了第一张铁碳平衡图。

荷兰人洛兹本（H．W．BakhiusRooze-一boom）首先在合金系统中应用吉布斯相律，于1900年制定出较完整的铁碳平衡图。

随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。

释义目前采用的铁碳平衡图示于图1。

图1中的特性点含义列于表中。

图中实线绘出亚稳的Fe-Fe3C系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe%26mdash;c（石墨）系；平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的，有些线，如Fe3C的液相线、石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。

在铁碳平衡图中所出现的单相区，除液相（L）外，还有碳在铁中的固溶体%26alpha;、%26delta;、%26gamma;渗碳体和x碳化物。

%26alpha;和%26delta;分别称为铁素体和%26delta;铁素体，它们是碳原子作为间隙式溶质溶于体心立方结构的%26ldquo;%26alpha;-Fe和%26delta;-Fe所形成的固溶体。

%26gamma;称为奥氏体，它是碳溶于面心立方结构的%26gamma;一Fe形成的固溶体。

超过溶解度的碳可能有两种存在形式：

渗碳体或石墨。

渗碳体是由铁与碳组成的化合物，其分子式为Fe3C，它是一种具有复杂点阵的间隙化合物，属于正交晶系。

渗碳体的硬度很高（HB约为800）、范性很差。

在230℃以下渗碳体可能转变成x碳化物，其分子式为Fe2.2C,它具有底心单斜点阵，在转低温度X碳化物热力学稳定性要比Fe3C高，在较高温度Fe3C比x碳化物稳定。

由于临界温度很低，Fe3C向x碳化物转变速度很慢，在忽略Fe3C向x碳化物转变的情况下，认为渗碳体可以一直稳定存在到室温，并将渗碳体作为一种组元看待，这样绘出的铁碳平衡图就是Fe%26mdash;Fe3C平衡图。

渗碳体是一个亚稳相，当条件适当时，它将按下式分解：

Fe3C%26rarr;3Fe+C（石墨）。

在Fe%26mdash;c平衡图中出现单质状态的碳，即石墨，它具有简单六方结构，原子排列呈层状，石墨的强度与范性都极低。

Fe%26mdash;Fe3C平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成：

（1）在1495℃（HJB线）发生包晶反应，LB+%26delta;H≒%26gamma;J，冷却时反应结果形成奥氏体。

（2）在1148℃（ECF线）发生共晶反应，LC≒%26gamma;E+Fe3C，冷却时反应结果产生奥氏体与渗碳体组成的两相共晶体，称为莱氏体，其形态是呈颗粒状的奥氏体分布在渗碳体的基体上。

（3）在727℃（PSK线）发生共析反应，%26gamma;S≒%26alpha;P+Fe3C，冷却时反应结果生成共析体，它为铁素体与渗碳体的两相弥散混合组织，称为珠光体。

共析转变温度称为A1温度。

此外，Fe%26mdash;Fe3C平衡图中还有几条重要的固态转变线：

（1）GS线。

奥氏体开始转变成铁素体或铁素体全部转变成奥氏体的转变线，称A3温度。

（2）ES线。

碳在奥氏体中的溶解度线，称Acm温度。

低于此温度时，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳体，以区别于从液态析出的一次渗碳体。

（3）PQ线。

碳在铁素体中的溶解度线，在PQ线以下铁素体中均有析出渗碳体的可能性，通常称此类渗碳体为三次渗碳体。

（4）NJ线。

奥氏体开始转变成%26delta;铁素体或%26delta;铁素体全部转变成奥氏体的转变线，称以A4温度。

（5）770℃水平线。

表示铁素体的磁性转变温度，称A2温度。

在此温度以下铁素体呈铁磁性。

（6）210OC表示渗碳体的磁性转变温度，渗碳体在210℃以下略有铁磁性，称A0温度。

相变过程典型铁碳合金的平衡凝固和固态转变过程为：

（1）含碳低于0.0218％的铁碳合金（工业纯铁）。

合金按匀晶转变结晶出%26delta;固溶体，结晶完了变成均一的%26delta;相，冷至NH线，从%26delta;相中析出%26gamma;相，冷至NJ，线全部%26delta;相转变成%26gamma;奥氏体，冷至GS线，从%26gamma;相中析出%26gamma;%26alpha;铁素体，冷至GP线全部%26gamma;了相变成铁素体，冷至PQ线铁素体被碳所饱和，在以后的冷却中从铁素体中析出三次渗碳体。

该合金室温平衡组织如图2所示。

（2）含碳0．4％的铁碳合金（亚共析钢）。

合金按匀晶转变结晶出%26delta;固溶体，冷到1495lC，%26delta;固溶体碳含量为0.09％（H点），液相的碳含量为0.53％（B点），此时%26delta;固溶体和液相发生包晶转变：

L0.53+%26delta;0.09%26rarr;%26gamma;0.07。

由于合金的碳含量大于0.17％（J点），包晶转变终了以后，还有剩余的液相存在，剩余液相又以匀晶转变方式继续结晶出奥氏体，当温度到达JE线时，该合金全部由奥氏体组成。

单相奥氏体冷至GS线时，开始在奥氏体晶界上析出铁素体，称为先共析铁素体，随着温度下降，铁素体量不断增多而奥氏体量不断减少。

铁素体的碳含量沿GP线变化，而剩余奥氏体的碳含量沿GS线变化。

当温度达到727℃时，剩余奥氏体碳含量为0.77％（S点），铁素体的碳含量为0.0218％（P点），于是发生剩余奥氏体的共析转变：

%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，转变结果形成珠光体。

此时合金的组织就由先共析铁素体和珠光体组成。

从727C冷却到室温，在铁素体中将析出少量细小三次渗碳体。

该合金室温平衡组织如图3所示。

（3）含碳0.77％的铁碳合金（共析钢）。

合金在液

固相线之间按匀晶转变结晶出奥氏体，结晶完成后全部为单相奥氏体。

当温度达到727℃时，因为奥氏体的碳含量为0.77％（S点），所以在恒温下发生共析转变%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，奥氏体全部转变成珠光体。

该合金室温平衡组织如图4所示。

（4）含碳1．2％的铁碳合金（过共析钢）。

合金在液固相线之间按匀晶转变结晶出单相奥氏1奉，当继续冷却到ES线时，从奥氏体中析出二次渗碳体，弥为先共析渗碳体。

这种先共析渗碳体多沿奥氏体晶界呈网状分布。

随温度下降及渗碳体不断析出，奥氏体碳含量沿ES线降低，当温度达到727rc时，奥氏体的碳含量降为0.77％，因而在恒温下发生共析转变：

%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，奥氏体转变为珠光体。

该合金的室温平衡组织（图5）是网状的先共析渗碳体和珠光体。

（5）含碳3.0％的铁碳合金（亚共晶白口铸铁）。

合金熔液在液相线以下结晶出奥氏体，此时，随温度下降，液相成分沿BC线变化，而奥氏体成分沿。

，E线变化，当温度降到1148C时，剩余液体成分为共晶成分4．3％（C点），发生共晶转变：

L4.3%26rarr;%26gamma;2.11+Fe3C，转变结果形成莱氏体。

在共晶温度以下冷却时，初晶奥氏体和共晶奥氏体中均析出二次渗碳体，随着二次渗碳体的析出，奥氏体的碳含量沿ES线降低。

当温度达到727oC时，所有奥氏体碳含量均达到共析成分，于是初晶奥氏体和共晶奥氏体同时发生共析转变：

%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，转变成珠光体。

此时的共晶体称为变态莱氏体。

该合金的室温平衡组织（图6）为：

珠光体，二次渗碳体和变态莱氏体。

（6）含碳4．3％的铁碳合金（共晶白口铸铁）。

合金熔液冷到1148℃时，在恒温下发生共晶转变：

L4.3%26rarr;%26gamma;2.11+Fe3C，全部液体结晶成莱氏体。

在继续冷却时，共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，它通常依附在共晶渗碳体上而不能分辨。

当温度降至727oC时，共晶奥氏体的碳含量降至0．77％，在恒温下转变为珠光体。

该合金室温平衡组织（图7）为变态莱氏体。

（7）含碳大于4．3％的铁碳合金（过共晶白口铸铁）。

合金熔液在液相线之下结晶出一次渗碳体，一次渗碳体呈粗大的片状，随温度下降液相成分沿CD线变化，当温度降到1148%26lsquo;C时，剩余液体成分为共晶成分，含碳4．3％（C点），发生共晶转变：

L4.3%26rarr;%26gamma;2.11+Fe3C，此时，剩余液体相全部转变成莱氏体。

在继续冷却时，在共晶奥氏体中析出二次渗碳体，当温度达到727℃时，所有共晶奥氏体碳含量达到共析成分并发生共析转变：

%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，转变为珠光体。

该合金室温平衡组织（图8）为一次渗碳体，变态莱氏体。

应用由于铁碳平衡图形象而准确地表述了铁碳合金的温度、成分（碳含量）和平衡及近平衡状态的组织（相组成、组织物的基本类型）之间的关系，因而在钢铁材料的生产和制品的制造技术及性能评估、失效分析等诸多方面具有极其重要的实用价值。

熔炼和浇铸（包括与之相当的工序如焊接）时，合金的熔化一凝固温区（液一固相线）以及固液双相区的相组成是首要的技术参数。

在通常情况下，热压力加工应于奥氏体状态（%26gamma;-相区）并适当低于固相线的温区内进行。

至于钢铁的热处理工艺制定及制品内部组织鉴别，则更以铁碳平衡图为基本的出发点。