铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。本文包括铁碳相图、Fe-C平衡结晶、组织转变等多方面知识。

铁碳相图

一、Fe-Fe3C相图的组元

1．Fe组元

δ -Fe(bcc) --1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃--- a -Fe(bcc) (同素异构转变)

强度低、硬度低、韧性、塑性好

2．Fe3C （ Cem， Cm）

熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。

二、Fe-Fe3C相图中的相

1．液相L

2．δ相 高温铁素体 （C固溶到δ -Fe中——δ相）

3．α相 铁素体F （C固溶到 α-Fe中——α相）

强度、硬度低、塑性好 （室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）

4．γ相、A奥氏体 （C固溶到γ-Fe中——γ相）

强度低，易塑性变形

5．Fe3C

三、相图分析

1．三条水平线和三个重要点

（1）包晶转变线HJB：1495摄氏度，C%=0.09-0.53%

LB+δH------AJ 即 L0.53+ δ0.09------- A0.17

（2）共晶转变线ECF,1148摄氏度，C%=2.11---6.69%

L4.3---- A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）——Le4.3 高温莱氏体 Le，Ld

（3）共析转变线PSK，727摄氏度，C%=0.0218---6.69%

As----FP+Fe3C（共析渗碳体）

A0.77---- F0.0218+Fe3C——P（珠光体）

珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间

Le---- P+Fe3CII+Fe3C共晶------低温莱氏体 Le’

2．液固相线

液相线ACD

固相线AECF

3．溶解度线

ES线 碳在A中的固溶线，1148摄氏度，2.11%—— 727摄氏度,0.77%,Fe3CII

PQ线 碳在F中的固溶线，727摄氏度,0.0218%——0.0008%室温，Fe3CIII

4.GS线

5.特征点

6.特征线表

四、基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类

1．工业纯铁，C%<=0.0218%

2．钢

0.0218%<C%<= 2.11%

亚共析钢 0.0218%<C%<0.77%

共析钢 0.77%

过共析钢 0.77%<C%<= 2.11%

3．白口铸铁2.11%<C%<6.69%

亚共晶白口铸铁 2.11%<C%<4.3%

共晶白口铸铁 4.3%

过共晶白口铸铁 4.3 %<C%<6.69%

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.

总结：

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.

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：

（1）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。

（2）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）。

（3）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）

Fe-C合金平衡结晶过程

1．工业纯铁（C%≤0.0218%）

2．共析钢 cC%=0.77%

3．亚共析钢 0.0218%<C%<0.77%

4．过共析钢

5．共晶白口铁（C%=4.3%）

6．亚共晶白口铸铁，2.11%<C%<4.3%

7．过共晶白口铸铁

小结：标注组织的铁碳相图

复线铁碳合金相图

一、碳在Fe-C合金中的存在方式

1．固溶→固溶体 C→ r-Fe（FCC）——A ,C→ α-Fe（bcc）——F

2．化合物 Fe3C

3．石墨 Fe3C→3Fe+G

二、复线铁碳相图

复线铁碳相图，是在实线的Fe-Fe3C相图上再叠加上虚线的Fe-G相图，不同点在于：

（1）Fe-G 共晶、共析温度高些，11540C, 7380C

（2）Fe-G 共晶、共析成分左移 4.26%, 0.68%

（3）溶解度曲线也向左移E', 2.08%

（4）液相线C'D'稍高于Fe-Fe3C相图

共晶：Lcl--->G+AE (11540C)

共析：As1--->G+F (7380C)

三、铸铁的石墨化过程

铸铁组织中析出石墨的过程-石墨化

1．两种形式

a. 按Fe-G相图从液相中或A中直接析去G。

b. 接Fe-Fe3C相图，先结晶出Fe3C，随后在一定条件下，

Fe3C→Fe+G

2．液态直接析出石墨的过程

a. 第I阶段

过共晶成分L→L+GI(>11540C)→AE+G（共晶）+GI (11540C)

共晶成分L→AE+G（共晶） (11540C)

亚共晶成分L→AE+G（共晶）+AE初生 (11540C)

b. 第II阶段——析出二次石墨

A→A+GII (11540C→7380C)

c. 第三阶段——共析石墨

As'→Fp+G（共析）（7380C)

四、铸铁的组织和分类

1．按石墨化各阶段进行的程度不同，得到不同组织的铸铁

石墨化程度

名称	第一阶段（液相析出）	第二阶段（A中析出）	第三阶段（共析析出）	显微组织
灰口铸铁	充分（AE'+G) 充分（AE'+G) 充分（AE'+G)	充分（As'+G) 充分（As'+G) 充分（As'+G)	充分'(F+G) 部分'(F+P+G) 不进行'	F+G F+P+G P+G
麻口铸铁	部分（AE'+G+Le)	部分（As'+G+Le)	不进行	P+Le'+G
白口铸铁	不进行	不进行	不进行	P+Le'+Fe3C

2．接石墨形态分类

a. 灰口铸铁 片状石墨

b. 可锻铸铁 团絮状

c. 球墨铸铁 球状

d. 蠕墨铸铁 蠕虫状

铁碳相图的应用与局限

一、应用

1．选材

2．热加工工艺制定的基础

二、局限性

1．反映的是平衡相，而不是组织

2．反映二元合金中相的平衡状态

3．没有反映时间的作用——平衡条件下

钢在加热时的组织转化

一、共析钢的奥氏体化（晶格改组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律）

1．共析钢奥氏体化温度

Ac1温度： F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)------>A (Fcc, 0.77)

2．共析钢奥氏体化过程

Ac1温度： F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)------>A (Fcc, 0.77)

2．共析钢奥氏体化过程

a. 形核 （优先在相界（F，Fe3C）

b. 长大

c. 渗碳体完全溶解

d. 碳的均匀化

二、亚（过）析钢的奥氏体化

三、影响奥氏体化的因素

1．加热温度

2．加热速度

3．含碳量

C%↑→界面多→核心多→转变快

4．合金元素

a. Cr、M0、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，↓奥氏体形成速度

b. C0、Ni非碳化物形成元素，↑奥氏形成速度

c. Al、Si、Mn影响不太

5．原始组织

片状，片间距小→相界面多→碳弥散度大→碳原子扩散距离短→奥氏体形核长大快 >粒状

四、奥氏体晶粒大小及控制

1．晶粒度: 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。

2．起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度

本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。

奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大→本质粗晶钢

奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质细晶钢

3．奥氏体晶粒度的控制

a. 加热工艺

加热温度，保温时间

b. 钢的成分——合金化

A中C%↑→晶粒长大↑

MxC%↑→是粒长大↓

1)碳化物形成元素 细化晶粒

2）Al→本质细晶钢

3）Mn 、P促进长大

钢在冷却过程中的组织转变

一、过冷奥氏体的等温转变

1．共析钢过冷A等温转变曲线。

冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间

A1以上：A稳定

A1以下：A不稳定，过冷

C曲线有一最小孕育期：

1：T↓，A——P的驱动力F提高

2：T↓——D↓

2．共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征

（1）高温转变区

A1——鼻子温度（5500C）

A过冷——P（S，T）索氏体，屈氏体。

P的形成取决于生核，长大速率。T↓，生核，长大↑。

T↓→6000C，D↓，长大慢→层间距薄，短

扩散型相变，综合性能好，HB较低，韧性好。

T↓——HB↑，强度↑

（2）中温区转变，贝氏体转变 550℃~230℃ （MS）

A过冷→B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。

550℃~350℃	上贝氏体	半扩散型，Fe不扩散	羽毛状	碳化物在F间，韧性差
350℃~MS	下贝氏体	C原子有一定的扩散能力	针状	碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好

 

（3）低温区转变——马氏体转变，MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，离于非扩散型转变。

a. A过冷→M+A'残余

b. 转变产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

C%<0.23%，板条状M

C%>1.0%，针状，马氏体

c.实质：T低——C无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和C的铁素体。

d. M转变的特征，①无扩散性 ②瞬时性 ③存在Ms,Mf ④不完全性 ⑤体积膨胀

3．共析钢等温转变组织——性能的关系

（1）珠光体型

转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性提高

（2）贝氏体

B上：强度、韧性差

B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能

（3）马氏体

硬度高

C%↑→HRC↑

针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差

板条状，强度高，塑性，韧性好

4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线

影响C曲线的因素

C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。

C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。

（一）A成分

1．含碳量

A中C%↑→C曲线右移.

对亚共析钢，钢中C%↑，A中C%↑→C曲线右移

对过共析钢，一般在AC1以上A化，钢中C%↑，未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移

共析钢，C曲线最靠右边，稳定性最高。

2．合金元素，（C0%↑→左移）

除C0以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性——右移

非碳化物形成元素，Si,Ni, Cu, 不改变C曲线形状

强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V, Nb, Ti, 改变C曲线形状

除C0,Al 外，均使Ms,Mf 下降，残余A↑

（二）A化条件的影响

1．加热温度和时间

A化温度↑，时间↑（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A稳定性↑，C曲线右移

过冷奥氏体的连续冷却转变

1．过冷奥氏体的连续冷却转变图

PS：A→P开始线

Pf：A→P终止线

K：珠光体型转变终止线

Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）→M最小冷速

Vk’：下临界冷速→完全P最大冷速

2．连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较

（1）CCT位于TTT曲线右下方 A→P转变温度低一些，t长一些

（2）CCT无A→B转变

CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析

3．C曲线的应用

（1）根据工件要求，确定热处理工艺。

（2）确定工件淬火时的临界冷速。

（3）可以指导连续冷却操作

V1:炉冷（退火） P

V2: 空冷，S，T

V3：空冷，S，T

V4：油冷，T+M+A'

V5 ：M+A'

（4）选择钢材的依据

（5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。

文章来源：庶吉士