2.3　铁碳合金及其相图

铁碳合金是主要由铁和碳两种元素组成的合金，是碳钢和铸铁的统称，是使用最为广泛的一类金属材料。含碳量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，含碳量在0.0218%～2.11%之间的称为碳钢，含碳量大于2.11%的称为铸铁。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，熟悉铁碳合金相图，对于研究碳钢和铸铁的成分、组织及性能之间的关系，钢铁材料的使用，各种热加工工艺的制订及工艺废品原因的分析等，都具有重要的指导意义。

2.3.1　纯铁及其同素异构转变

铁是元素周期表中第26位元素，原子质量为55.85，属于过渡元素。纯铁在常压下熔点为1538℃，并于2746℃发生汽化。铁的密度为7.879g/cm³。工业纯铁的含铁量一般为99.8%～99.9%，其主要力学性能为：抗拉强度为180～280MPa，屈服强度为100～170MPa，伸长率为30%～50%，断面收缩率为70%～80%，冲击韧性为160～200J/cm²，硬度为50～80HBS。可以看出，在室温下纯铁的塑性和韧性非常好，但强度和硬度太低，无法作为结构材料使用。

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。在金属晶体中，铁的同素异构转变尤为重要，图2-22所示为纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化。液态纯铁在1538℃开始结晶，得到具有体心立方的δ-Fe。冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe变为面心立方的γ-Fe。γ-Fe再冷却到912℃时又发生一次同素异构转变成为体心立方的α-Fe。而在高压下，铁还可以呈现密排六方结构。即纯铁在结晶后冷却至室温的过程中，先后发生两次晶格转变，其转变过程如下：

同素异构转变实质上是一种广义的结晶过程，也就是原子重新排列的过程，与液态金属的结晶过程相似，它也遵循形核与长大的基本规律。故同素异构转变称为二次结晶或重结晶。同素异构转变与液固结晶过程的不同之处在于晶体结构的转变是在固态下进行的，原子扩散比液态慢得多，转变的时间较长，需要较大的过冷。正是由于铁的同素异构转变，加上碳在不同晶型的晶体中溶解能力有差别，才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织与性能，得到性能多种多样、用途广泛的钢铁材料。

2.3.2　铁碳合金的基本相和基本组织

在液态时，碳以原子的形式溶解于液体铁中。凝固成固体后，碳便以固溶体或金属化合物的形式存在于铁中。Fe和Fe₃C是组成Fe-Fe₃C相图的两个基本组元。由于铁与碳之间的相互作用不同，铁碳合金的基本相分为：铁素体、奥氏体和渗碳体，前两者属于固溶体，后者属于金属化合物。

（1）铁素体

纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格的α-Fe。碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或α来表示。α-Fe的晶格间隙很小，溶碳能力很差，在727℃时，α-Fe中溶碳量最大也仅为0.0218%，随着温度的降低，α-Fe中的溶碳量逐渐减小，在室温时碳的溶解度几乎等于零（为0.0008%）。由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。温度在770℃以下时，铁素体具有铁磁性；温度高于770℃后，铁素体的显微组织则失去铁磁性。如图2-23所示为铁素体的显微组织。

（2）奥氏体

在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A或γ表示。奥氏体为面心立方晶格，由于γ-Fe晶体结构中的间隙半径与碳的原子半径比较接近，其溶碳能力比铁素体要高得多，最高溶碳量为1148℃时的2.11%。随着温度的降低，其溶碳量减少，到727℃时，溶碳量仅为0.77%。奥氏体强度低、硬度低、塑性好。对于碳钢来说，奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，因而生产中常将钢材加热到高温奥氏体相区进行塑性成形。室温下碳钢的组织中无奥氏体，但当钢中含有某些合金元素时，可部分或全部变为奥氏体组织。

（3）渗碳体

渗碳体（Fe₃C）是铁与碳所形成的间隙化合物，含碳量为6.69%，晶体结构比较复杂（可参考本章的图2-12）。渗碳体具有很高的硬度（800HB）和耐磨性，脆性很大，塑性和韧性几乎为零。渗碳体在钢和铸铁中一般呈片状、网状或球状。它的尺寸、形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。渗碳体中的铁、碳原子可以被其他原子置换，形成合金渗碳体。

（4）珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。它是渗碳体和铁素体片层相间交替排列形成的混合物在缓慢冷却条件下形成的，珠光体的含碳量为0.77%。由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能均值。故珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性，大体上是铁素体和渗碳体两者性能的平均。

（5）莱氏体

莱氏体含碳量为4.3%的液态铁碳合金。在1148℃时发生共晶转变，转变产物为奥氏体和渗碳体的混合物，称为高温莱氏体，用符号Ld表示。随着温度的降低，在727℃时高温莱氏体中的奥氏体还将发生共析转变，转变产物为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物叫作低温莱氏体（变态莱氏体），用符号Ld'来表示。低温莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

在上述这些基本组织中，铁素体、奥氏体以及渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金中的基本相，而珠光体和莱氏体是由基本相混合组成的多相组织，如珠光体是由铁素体和渗碳体组成的，因此它们不是铁碳合金中的基本相。

2.3.3　铁碳合金相图分析

（1）特征线和特征点

图2-24为铁碳合金（Fe-Fe₃C）相图，可以看出它主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成，下面对铁碳相图中的主要特征线和特征点进行分析。

①ABCD线为液相线，AHJECF线为固相线。

②在HJB水平线（1495℃）发生包晶转变：L_B+δ_H↔γ_J。其转变产物为奥氏体。此转变仅发生在碳质量分数为0.09%～0.53%的铁碳合金中。

③在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变：L_C↔γ_E+Fe₃C。其转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体。碳的质量分数为2.11%～6.69%的铁碳合金都发生这种转变。

④在PSK水平线（727℃）发生共析转变：γ_S↔α_P+Fe₃C。其转变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。所有碳质量分数超过0.02%的铁碳合金都发生这个转变。PSK共析转变线又称为A1线。

⑤GS线：是奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线，又称为A3线。

⑥ES线：表示碳在奥氏体中的溶解度线，又称A_cm线。由于在1148℃时，碳在奥氏体中的溶解度最大，为2.11%（E点）。随着温度的降低，溶解度下降，在727℃时溶解度仅为0.77%，所以含碳量超过0.77%的铁碳合金在冷却到此线时，将从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体（Fe₃C_Ⅱ），所以ES线又称为二次渗碳体开始析出线。

⑦PQ线：是碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时，碳在铁素体中的溶解度最大，达到0.0218%，随着温度的降低，溶解度下降，到室温时，碳在铁素体中的溶解度仅为0.0008%，所以含碳量超过0.0218%的铁碳合金在冷却到此线时，将从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体（Fe₃C_Ⅲ）。

除了上述重要的特征线之外，铁碳合金相图中还有很多特征点，用于表征一些重要的成分点或温度点，如表2-1所示。

（2）典型铁碳合金结晶过程及其组织

图2-25所示为7种典型铁碳合金冷却时的组织转变过程，下面以这7种典型铁碳合金为例，利用铁碳相图简单分析其结晶过程以及室温下的显微组织构成。

1）工业纯铁的平衡结晶过程（合金①）

工业纯铁含碳量小于0.0218%，其成分垂线与相图的交点如图2-25所示。根据图2-25可知，当工业纯铁由高温冷却时在1—2温度段发生匀晶转变，即L→δ，到2点温度时液相全部转变为δ固溶体。2—3温度段为δ固溶体的自然冷却，3点温度时开始发生δ→γ转变，到4点温度时转变结束，δ固溶体全部转变为固溶体。4—5温度段为奥氏体的自然冷却。5点温度时开始发生γ→α转变，生成铁素体，到6点温度时该转变结束，合金全部转变为铁素体。6—7温度段为铁素体的自然冷却，7点温度下，由于碳在铁素体中的溶解度发生变化，会析出三次渗碳体。室温组织为铁素体+三次渗碳体，其中三次渗碳体呈细颗粒状分布在铁素体的基体上或晶界上。

2）共析钢的平衡结晶过程（合金②）

含碳量为0.77%的铁碳合金称为共析钢，其成分线与相图交点如图2-25所示。共析钢由高温冷却到1点温度时，开始结晶析出初始γ固溶体，在1—2温度段发生匀晶转变，即L→γ，在2点温度时液相全部转变为奥氏体。2—3温度段为奥氏体的自然冷却过程，在3点温度（727℃，共析温度）时发生恒温共析转变，即γ→α+Fe₃C，得到100%的共析体，即珠光体组织。通常我们称珠光体中的渗碳体为共析渗碳体，珠光体中的渗碳体和铁素体具有一定的比例，可以用杠杆定律计算。

继续冷却时，同样会由于铁素体中碳的溶解度变化而析出三次渗碳体，因其数量极少很难区分，一般忽略不计。因此共析钢的室温组织为珠光体。

3）亚共析钢的平衡结晶过程（合金③）

含碳量在0.0218%～0.77%范围内的铁碳合金称为亚共析钢。其成分线与相图的交点见图2-25。合金在1—2温度区间析出δ固溶体。冷却至2点温度时发生包晶转变，即L+δ→γ，这时该合金仍有液相剩余。当温度由2点冷却至3点时，继续发生匀晶转变L→γ，直至所有液相完全转变成γ固溶体。这里需要指出的是，当含碳量大于0.53%的亚共析钢在结晶时，无包晶转变。3—4温度段为γ固溶体（奥氏体）的自然冷却过程。到4点温度时发生γ→α的转变，到5点温度前该转变停止进行，这时先共析铁素体α的成分为P，奥氏体的成分为S。5点温度时成分为S的奥氏体发生共析转变，生成珠光体，先共析铁素体则保持不变。在5点以下温度时，由于铁素体固溶度的变化，先共析铁素体将析出三次渗碳体，珠光体中的铁素体也同时析出三次渗碳体。但由于三次渗碳体的数量很少，因此忽略不计。亚共析钢室温下的组织均为铁素体和珠光体，含碳量越低，铁素体越多，反之铁素体越少。

4）过共析钢的平衡结晶过程（合金④）

含碳量在0.77%～2.11%范围内的铁碳合金称为过共析钢。其成分垂线与相图交点如图2-25所示。合金从高温冷却到1点温度时，结晶出初晶奥氏体γ。1—2温度段发生L→γ匀晶转变，并在2点温度时全转变为奥氏体。2—3温度段为奥氏体的自然冷却过程。3点温度时与碳在奥氏体中的固溶度曲线ES接触，在3—4温度范围内，由于固溶度的变化，析出二次渗碳体。到4点温度时二次渗碳体停止析出，这时奥氏体含碳量为0.77%，发生恒温共析转变，即γ→α+Fe₃C，得到珠光体。在4点以下温度时，由于铁素体溶解度变化，将析出三次渗碳体，但由于其数量很少，因此忽略不计。所以，一般过共析钢的室温组织为P+Fe₃C_Ⅱ。过共析钢随含碳量的增加，二次渗碳体的量增加。珠光体和二次渗碳体的量可由杠杆定律计算。

5）共晶白口铸铁的平衡结晶过程（合金⑤）

含碳量为4.3%的铁碳合金称为共晶铸铁。其成分线与相图的交点如图2-25所示。该合金在相图中仅与共晶转变线和共析转变线交于1、2两点。在1点温度（1148℃）即共晶温度时发生L→γ+Fe₃C共晶转变，获得奥氏体和渗碳体的机械混合物莱氏体Ld，其中奥氏体和渗碳体的相对量为：

在1—2温度段冷却，由于奥氏体固溶度沿ES线变化，因此奥氏体将不断析出二次渗碳体。到2点温度（727℃）时奥氏体成分为0.77%，发生共析转变为γ→α+Fe₃C，得到珠光体组织P。由此可见，共晶莱氏体组织中的奥氏体冷却后转变为珠光体和二次渗碳体，而共晶渗碳体则不发生改变。我们把室温下获得的由P+Fe₃C_Ⅱ+Fe₃C组成的莱氏体称为变态莱氏体Ld'（又称低温莱氏体）。

6）亚共晶白口铸铁的平衡结晶过程（合金⑥）

含碳量为2.11%～4.3%的铁碳合金称为亚共晶铸铁，其成分线（以3.0%C为例）与相图的交点如图2-25所示。亚共晶白口铸铁自高温冷却至1点温度时，开始析出先共晶奥氏体，随着温度的下降，先共晶奥氏体不断增多，液相成分沿BC线向C变化，奥氏体成分沿JE线向E变化。到2点温度（1148℃）时，先共晶奥氏体含碳量为2.11%，液相含碳量为4.3%，发生恒温共晶转变L→γ+Fe₃C，生成莱氏体（Ld）组织。共晶转变后组织为先共晶奥氏体（γ）和莱氏体（Ld）。在2—3温度范围内，合金继续冷却，奥氏体的固溶度沿ES线发生变化，析出二次渗碳体，这时奥氏体的含碳量由2.11%降至0.77%。在3点温度（727℃）时，含碳量为0.77%的奥氏体发生共析转变γ→α+Fe₃C生成珠光体。共析转变后，先共晶奥氏体转变为珠光体+二次渗碳体（P+Fe₃C_Ⅱ），莱氏体转变为变态莱氏体（Ld'）。按杠杆定律可计算出其组织组成物的相对量，亚共晶白口铸铁中含碳量越高，变态莱氏体越多，珠光体和二次渗碳体越少。

7）过共晶白口铸铁的平衡结晶过程（合金⑦）

含碳量为4.3%～6.69%范围内的铁碳合金为过共晶铸铁。其成分线与相线的交点如图2-25所示。该合金自高温冷却到1点温度时，首先发生L→Fe₃C的匀晶转变，渗碳体的析出使液相的含碳量降低，其成分沿CD线向C变化。到2点温度（1148℃）时，液相成分为4.3%，发生共晶转变L→γ+Fe₃C，生成莱氏体Ld。共晶反应后组织为一次渗碳体（Fe₃C_Ⅰ）和共晶莱氏体。2—3温度范围内，随温度降低，莱氏体中奥氏体析出二次渗碳体。到3点温度时将发生共析转变γ→α+Fe₃C，生成珠光体。此时莱氏体组织转变为变态莱氏体组织。该合金的室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体（Fe₃C_Ⅰ+Ld'）。

2.3.4　铁碳合金相图的应用

铁碳合金不论其成分如何，虽然其室温下的相组成都是铁素体和渗碳体，但随成分（碳含量）的不同，合金经历的转变有所不同，因而相的相对量、形态、分布差异较大，即不同成分的铁碳合金，其组织有较大差异。

（1）平衡组织

根据杠杆定律进行计算的结果，对铁碳合金的成分与平衡结晶后的组织组成物及相组成物之间的定量关系进行总结，如图2-26所示。从相组成的角度来看，铁碳合金在室温下的平衡组织均由铁素体和渗碳体组成，当含碳量为零时，合金全部由铁素体组成。随着含碳量的增加，铁素体的含量呈直线下降，到了C=6.69%时降为零。与此相反，渗碳体的含量则由零增加到100%。

含碳量的变化不仅引起铁素体和渗碳体相对质量的变化，而且合金的组织也将发生变化，这是由于成分的变化引起不同性质的结晶过程，从而使相发生变化。由图2-26可见，随着含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序为：F→F+Fe₃C_Ⅲ→P+P→P→P+Fe₃C_Ⅱ→P+Fe₃C+Ld'→Ld'→Ld'+Fe₃C_Ⅰ→Fe₃C。由此可见，同一种组成相，由于生成条件不同，虽然相的本质未变，但其形态会有很大的差别。如渗碳体，由于生成条件不同，其形态变得十分复杂，当C<0.0218%时，三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片状分布；共析反应生成的共析渗碳体与铁素体呈交替层片状分布；从奥氏体中析出的二次渗碳体则以网状分布于奥氏体的晶界；共晶渗碳体是与奥氏体相关形成的，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状；从液相中直接析出的一次渗碳体呈规则的长条状。因此，成分的变化，不仅引起相的相对含量的变化，而且引起组织的变化，从而对铁碳合金的性能产生很大的影响。

（2）力学性能

除了影响铁碳合金的组织构成，碳含量还会最终影响合金的力学性能。如前所述，铁素体强度、硬度低，塑性好，而渗碳体则硬而脆。珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，渗碳体以细片状分布在铁素体基体上，起到强化作用，因此珠光体具有较高的强度和硬度，但塑性较差。珠光体的片层间距越小，则强度越高。

图2-27所示为含碳量对退火碳钢力学性能的影响。在亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体含量逐渐增多，强度、硬度升高，塑性、韧性下降；当含碳量为0.77%时，组织全部为珠光体，钢的性能即为珠光体的性能，在过共析钢中，当含碳量大于0.9%时，其强度达到最高值，含碳量继续增加，过共析钢中的二次渗碳体在奥氏体晶界上形成连续网状，因而强度下降，但硬度仍直线上升。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.3%～1.4%。而当含碳量大于2.11%时，由于组织中出现了以渗碳体为基体的莱氏体组织，材料脆性很大，强度低，难以切削加工，所以白口铸铁在工业上很少应用。

（3）合理选材

铁碳合金相图提供了合金的相与组织随成分变化的规律，进而可以通过相与组织的变化判断其性能，这就便于根据制造产品的力学性能要求选择合适的材料。若要塑性、韧性高，焊接性能好的材料，应选用低碳钢（C<0.25%）；需要强度、塑性和韧性都较好的材料，应选用中碳钢（C=0.3%～0.6%）；需要硬度高、耐磨性好的材料，则应选用高碳钢（C=0.6%～1.3%）。所以，低碳钢适于生产成形性能很好的各种型材、板材、带材和钢管等，用于制造桥梁、船舶及各种建筑结构；中碳钢主要用于制造工作中承受冲击载荷和要求较高综合力学性能的机器零件，如轴和连杆等；高碳钢用于制造弹簧及各种切削工具。要求高硬度、高耐磨性、但不受冲击而形状复杂的零件，如拔丝模、轧辊、球磨机的磨球等，则可选择白口铸铁件。

（4）工艺性能

1）切削加工性能

中碳钢的切削加工性能比较好。含碳量过低，不易断屑，同时难以得到良好的加工表面；含碳量过高，硬度太大，对刀具磨损严重，也不利于切削。一般说来，钢的硬度为170～250HBS时切削加工性能最好。

2）可锻性能

可锻性能钢的可锻性与含碳量有直接关系，低碳钢的可锻性良好，随含碳量增加，可锻性逐渐变差。由于奥氏体塑性好，易于变形，热力加工都加热到奥氏体相试进行，但始轧或始锻温度不能过高，以免产生过烧，而终轧或终锻温度又不能过低，以免产生裂纹。

3）铸造性能

共晶成分附近的合金结晶温度低，流动性好，铸造性能最好。越远离共晶成分，液、固相线的间距越大，凝固过程会越容易形成树枝晶，阻碍后续液体充满型腔，使铸造性能变差，容易形成分散缩孔和偏析。

4）焊接性能

钢的塑性越好，焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢易于焊接。

必须说明，铁碳合金相图各相的相变温度是在所谓平衡条件（即极其缓慢的加热或冷却状态）下得到的，所以不能反映实际快速加热或冷却时组织的变化情况。铁碳合金相图也不能反映各种组织的形状和分布状况。由于在通常使用的铁碳合金中，除了含有铁、碳两种元素之外，还含有许多杂质元素和其他合金元素，它们会影响相图中各点、各线和各区的位置和形状，所以在应用铁碳合金相图时，必须充分考虑其他元素对相图的影响。