2.3　鐵碳合金及其相圖

鐵碳合金是主要由鐵和碳兩種元素組成的合金，是碳鋼和鑄鐵的統稱，是使用最為廣泛的一類金屬材料。含碳量小于0.0218%的鐵碳合金稱為工業純鐵，含碳量在0.0218%～2.11%之間的稱為碳鋼，含碳量大于2.11%的稱為鑄鐵。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，熟悉鐵碳合金相圖，對于研究碳鋼和鑄鐵的成分、組織及性能之間的關系，鋼鐵材料的使用，各種熱加工工藝的制訂及工藝廢品原因的分析等，都具有重要的指導意義。

2.3.1　純鐵及其同素異構轉變

鐵是元素周期表中第26位元素，原子質量為55.85，屬于過渡元素。純鐵在常壓下熔點為1538℃，并于2746℃發生汽化。鐵的密度為7.879g/cm³。工業純鐵的含鐵量一般為99.8%～99.9%，其主要力學性能為：抗拉強度為180～280MPa，屈服強度為100～170MPa，伸長率為30%～50%，斷面收縮率為70%～80%，沖擊韌性為160～200J/cm²，硬度為50～80HBS。可以看出，在室溫下純鐵的塑性和韌性非常好，但強度和硬度太低，無法作為結構材料使用。

金屬在固態下隨溫度的改變，由一種晶格轉變為另一種晶格的現象，稱為同素異構轉變。在金屬晶體中，鐵的同素異構轉變尤為重要，圖2-22所示為純鐵的冷卻曲線及晶體結構的變化。液態純鐵在1538℃開始結晶，得到具有體心立方的δ-Fe。冷卻到1394℃時發生同素異構轉變，δ-Fe變為面心立方的γ-Fe。γ-Fe再冷卻到912℃時又發生一次同素異構轉變成為體心立方的α-Fe。而在高壓下，鐵還可以呈現密排六方結構。即純鐵在結晶后冷卻至室溫的過程中，先后發生兩次晶格轉變，其轉變過程如下：

同素異構轉變實質上是一種廣義的結晶過程，也就是原子重新排列的過程，與液態金屬的結晶過程相似，它也遵循形核與長大的基本規律。故同素異構轉變稱為二次結晶或重結晶。同素異構轉變與液固結晶過程的不同之處在于晶體結構的轉變是在固態下進行的，原子擴散比液態慢得多，轉變的時間較長，需要較大的過冷。正是由于鐵的同素異構轉變，加上碳在不同晶型的晶體中溶解能力有差別，才有可能對鋼和鑄鐵進行各種熱處理，以改變其組織與性能，得到性能多種多樣、用途廣泛的鋼鐵材料。

2.3.2　鐵碳合金的基本相和基本組織

在液態時，碳以原子的形式溶解于液體鐵中。凝固成固體后，碳便以固溶體或金屬化合物的形式存在于鐵中。Fe和Fe₃C是組成Fe-Fe₃C相圖的兩個基本組元。由于鐵與碳之間的相互作用不同，鐵碳合金的基本相分為：鐵素體、奧氏體和滲碳體，前兩者屬于固溶體，后者屬于金屬化合物。

（1）鐵素體

純鐵在912℃以下為具有體心立方晶格的α-Fe。碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F或α來表示。α-Fe的晶格間隙很小，溶碳能力很差，在727℃時，α-Fe中溶碳量最大也僅為0.0218%，隨著溫度的降低，α-Fe中的溶碳量逐漸減小，在室溫時碳的溶解度幾乎等于零（為0.0008%）。由于鐵素體的含碳量低，所以鐵素體的性能與純鐵相似，即具有良好的塑性和韌性，而強度和硬度較低。溫度在770℃以下時，鐵素體具有鐵磁性；溫度高于770℃后，鐵素體的顯微組織則失去鐵磁性。如圖2-23所示為鐵素體的顯微組織。

（2）奧氏體

在γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號A或γ表示。奧氏體為面心立方晶格，由于γ-Fe晶體結構中的間隙半徑與碳的原子半徑比較接近，其溶碳能力比鐵素體要高得多，最高溶碳量為1148℃時的2.11%。隨著溫度的降低，其溶碳量減少，到727℃時，溶碳量僅為0.77%。奧氏體強度低、硬度低、塑性好。對于碳鋼來說，奧氏體主要存在于727℃以上的高溫范圍內，因而生產中常將鋼材加熱到高溫奧氏體相區進行塑性成形。室溫下碳鋼的組織中無奧氏體，但當鋼中含有某些合金元素時，可部分或全部變為奧氏體組織。

（3）滲碳體

滲碳體（Fe₃C）是鐵與碳所形成的間隙化合物，含碳量為6.69%，晶體結構比較復雜（可參考本章的圖2-12）。滲碳體具有很高的硬度（800HB）和耐磨性，脆性很大，塑性和韌性幾乎為零。滲碳體在鋼和鑄鐵中一般呈片狀、網狀或球狀。它的尺寸、形狀和分布對鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強化相。滲碳體中的鐵、碳原子可以被其他原子置換，形成合金滲碳體。

（4）珠光體

珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，用符號P表示。它是滲碳體和鐵素體片層相間交替排列形成的混合物在緩慢冷卻條件下形成的，珠光體的含碳量為0.77%。由于珠光體是由硬的滲碳體和軟的鐵素體組成的混合物，所以其力學性能取決于鐵素體和滲碳體的性能均值。故珠光體的強度較高，硬度適中，具有一定的塑性，大體上是鐵素體和滲碳體兩者性能的平均。

（5）萊氏體

萊氏體含碳量為4.3%的液態鐵碳合金。在1148℃時發生共晶轉變，轉變產物為奧氏體和滲碳體的混合物，稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示。隨著溫度的降低，在727℃時高溫萊氏體中的奧氏體還將發生共析轉變，轉變產物為珠光體，所以在室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，這種混合物叫作低溫萊氏體（變態萊氏體），用符號Ld'來表示。低溫萊氏體的力學性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。

在上述這些基本組織中，鐵素體、奧氏體以及滲碳體都是單相組織，稱為鐵碳合金中的基本相，而珠光體和萊氏體是由基本相混合組成的多相組織，如珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的，因此它們不是鐵碳合金中的基本相。

2.3.3　鐵碳合金相圖分析

（1）特征線和特征點

圖2-24為鐵碳合金（Fe-Fe₃C）相圖，可以看出它主要由包晶、共晶和共析三個恒溫轉變所組成，下面對鐵碳相圖中的主要特征線和特征點進行分析。

①ABCD線為液相線，AHJECF線為固相線。

②在HJB水平線（1495℃）發生包晶轉變：L_B+δ_H?γ_J。其轉變產物為奧氏體。此轉變僅發生在碳質量分數為0.09%～0.53%的鐵碳合金中。

③在ECF水平線（1148℃）發生共晶轉變：L_C?γ_E+Fe₃C。其轉變產物是奧氏體和滲碳體的機械混合物，即萊氏體。碳的質量分數為2.11%～6.69%的鐵碳合金都發生這種轉變。

④在PSK水平線（727℃）發生共析轉變：γ_S?α_P+Fe₃C。其轉變產物是鐵素體和滲碳體的機械混合物，即珠光體。所有碳質量分數超過0.02%的鐵碳合金都發生這個轉變。PSK共析轉變線又稱為A1線。

⑤GS線：是奧氏體中開始析出鐵素體或鐵素體全部溶入奧氏體的轉變線，又稱為A3線。

⑥ES線：表示碳在奧氏體中的溶解度線，又稱A_cm線。由于在1148℃時，碳在奧氏體中的溶解度最大，為2.11%（E點）。隨著溫度的降低，溶解度下降，在727℃時溶解度僅為0.77%，所以含碳量超過0.77%的鐵碳合金在冷卻到此線時，將從奧氏體中析出滲碳體，稱為二次滲碳體（Fe₃C_Ⅱ），所以ES線又稱為二次滲碳體開始析出線。

⑦PQ線：是碳在鐵素體中的溶解度曲線。在727℃時，碳在鐵素體中的溶解度最大，達到0.0218%，隨著溫度的降低，溶解度下降，到室溫時，碳在鐵素體中的溶解度僅為0.0008%，所以含碳量超過0.0218%的鐵碳合金在冷卻到此線時，將從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體（Fe₃C_Ⅲ）。

除了上述重要的特征線之外，鐵碳合金相圖中還有很多特征點，用于表征一些重要的成分點或溫度點，如表2-1所示。

（2）典型鐵碳合金結晶過程及其組織

圖2-25所示為7種典型鐵碳合金冷卻時的組織轉變過程，下面以這7種典型鐵碳合金為例，利用鐵碳相圖簡單分析其結晶過程以及室溫下的顯微組織構成。

1）工業純鐵的平衡結晶過程（合金①）

工業純鐵含碳量小于0.0218%，其成分垂線與相圖的交點如圖2-25所示。根據圖2-25可知，當工業純鐵由高溫冷卻時在1—2溫度段發生勻晶轉變，即L→δ，到2點溫度時液相全部轉變為δ固溶體。2—3溫度段為δ固溶體的自然冷卻，3點溫度時開始發生δ→γ轉變，到4點溫度時轉變結束，δ固溶體全部轉變為固溶體。4—5溫度段為奧氏體的自然冷卻。5點溫度時開始發生γ→α轉變，生成鐵素體，到6點溫度時該轉變結束，合金全部轉變為鐵素體。6—7溫度段為鐵素體的自然冷卻，7點溫度下，由于碳在鐵素體中的溶解度發生變化，會析出三次滲碳體。室溫組織為鐵素體+三次滲碳體，其中三次滲碳體呈細顆粒狀分布在鐵素體的基體上或晶界上。

2）共析鋼的平衡結晶過程（合金②）

含碳量為0.77%的鐵碳合金稱為共析鋼，其成分線與相圖交點如圖2-25所示。共析鋼由高溫冷卻到1點溫度時，開始結晶析出初始γ固溶體，在1—2溫度段發生勻晶轉變，即L→γ，在2點溫度時液相全部轉變為奧氏體。2—3溫度段為奧氏體的自然冷卻過程，在3點溫度（727℃，共析溫度）時發生恒溫共析轉變，即γ→α+Fe₃C，得到100%的共析體，即珠光體組織。通常我們稱珠光體中的滲碳體為共析滲碳體，珠光體中的滲碳體和鐵素體具有一定的比例，可以用杠桿定律計算。

繼續冷卻時，同樣會由于鐵素體中碳的溶解度變化而析出三次滲碳體，因其數量極少很難區分，一般忽略不計。因此共析鋼的室溫組織為珠光體。

3）亞共析鋼的平衡結晶過程（合金③）

含碳量在0.0218%～0.77%范圍內的鐵碳合金稱為亞共析鋼。其成分線與相圖的交點見圖2-25。合金在1—2溫度區間析出δ固溶體。冷卻至2點溫度時發生包晶轉變，即L+δ→γ，這時該合金仍有液相剩余。當溫度由2點冷卻至3點時，繼續發生勻晶轉變L→γ，直至所有液相完全轉變成γ固溶體。這里需要指出的是，當含碳量大于0.53%的亞共析鋼在結晶時，無包晶轉變。3—4溫度段為γ固溶體（奧氏體）的自然冷卻過程。到4點溫度時發生γ→α的轉變，到5點溫度前該轉變停止進行，這時先共析鐵素體α的成分為P，奧氏體的成分為S。5點溫度時成分為S的奧氏體發生共析轉變，生成珠光體，先共析鐵素體則保持不變。在5點以下溫度時，由于鐵素體固溶度的變化，先共析鐵素體將析出三次滲碳體，珠光體中的鐵素體也同時析出三次滲碳體。但由于三次滲碳體的數量很少，因此忽略不計。亞共析鋼室溫下的組織均為鐵素體和珠光體，含碳量越低，鐵素體越多，反之鐵素體越少。

4）過共析鋼的平衡結晶過程（合金④）

含碳量在0.77%～2.11%范圍內的鐵碳合金稱為過共析鋼。其成分垂線與相圖交點如圖2-25所示。合金從高溫冷卻到1點溫度時，結晶出初晶奧氏體γ。1—2溫度段發生L→γ勻晶轉變，并在2點溫度時全轉變為奧氏體。2—3溫度段為奧氏體的自然冷卻過程。3點溫度時與碳在奧氏體中的固溶度曲線ES接觸，在3—4溫度范圍內，由于固溶度的變化，析出二次滲碳體。到4點溫度時二次滲碳體停止析出，這時奧氏體含碳量為0.77%，發生恒溫共析轉變，即γ→α+Fe₃C，得到珠光體。在4點以下溫度時，由于鐵素體溶解度變化，將析出三次滲碳體，但由于其數量很少，因此忽略不計。所以，一般過共析鋼的室溫組織為P+Fe₃C_Ⅱ。過共析鋼隨含碳量的增加，二次滲碳體的量增加。珠光體和二次滲碳體的量可由杠桿定律計算。

5）共晶白口鑄鐵的平衡結晶過程（合金⑤）

含碳量為4.3%的鐵碳合金稱為共晶鑄鐵。其成分線與相圖的交點如圖2-25所示。該合金在相圖中僅與共晶轉變線和共析轉變線交于1、2兩點。在1點溫度（1148℃）即共晶溫度時發生L→γ+Fe₃C共晶轉變，獲得奧氏體和滲碳體的機械混合物萊氏體Ld，其中奧氏體和滲碳體的相對量為：

在1—2溫度段冷卻，由于奧氏體固溶度沿ES線變化，因此奧氏體將不斷析出二次滲碳體。到2點溫度（727℃）時奧氏體成分為0.77%，發生共析轉變為γ→α+Fe₃C，得到珠光體組織P。由此可見，共晶萊氏體組織中的奧氏體冷卻后轉變為珠光體和二次滲碳體，而共晶滲碳體則不發生改變。我們把室溫下獲得的由P+Fe₃C_Ⅱ+Fe₃C組成的萊氏體稱為變態萊氏體Ld'（又稱低溫萊氏體）。

6）亞共晶白口鑄鐵的平衡結晶過程（合金⑥）

含碳量為2.11%～4.3%的鐵碳合金稱為亞共晶鑄鐵，其成分線（以3.0%C為例）與相圖的交點如圖2-25所示。亞共晶白口鑄鐵自高溫冷卻至1點溫度時，開始析出先共晶奧氏體，隨著溫度的下降，先共晶奧氏體不斷增多，液相成分沿BC線向C變化，奧氏體成分沿JE線向E變化。到2點溫度（1148℃）時，先共晶奧氏體含碳量為2.11%，液相含碳量為4.3%，發生恒溫共晶轉變L→γ+Fe₃C，生成萊氏體（Ld）組織。共晶轉變后組織為先共晶奧氏體（γ）和萊氏體（Ld）。在2—3溫度范圍內，合金繼續冷卻，奧氏體的固溶度沿ES線發生變化，析出二次滲碳體，這時奧氏體的含碳量由2.11%降至0.77%。在3點溫度（727℃）時，含碳量為0.77%的奧氏體發生共析轉變γ→α+Fe₃C生成珠光體。共析轉變后，先共晶奧氏體轉變為珠光體+二次滲碳體（P+Fe₃C_Ⅱ），萊氏體轉變為變態萊氏體（Ld'）。按杠桿定律可計算出其組織組成物的相對量，亞共晶白口鑄鐵中含碳量越高，變態萊氏體越多，珠光體和二次滲碳體越少。

7）過共晶白口鑄鐵的平衡結晶過程（合金⑦）

含碳量為4.3%～6.69%范圍內的鐵碳合金為過共晶鑄鐵。其成分線與相線的交點如圖2-25所示。該合金自高溫冷卻到1點溫度時，首先發生L→Fe₃C的勻晶轉變，滲碳體的析出使液相的含碳量降低，其成分沿CD線向C變化。到2點溫度（1148℃）時，液相成分為4.3%，發生共晶轉變L→γ+Fe₃C，生成萊氏體Ld。共晶反應后組織為一次滲碳體（Fe₃C_Ⅰ）和共晶萊氏體。2—3溫度范圍內，隨溫度降低，萊氏體中奧氏體析出二次滲碳體。到3點溫度時將發生共析轉變γ→α+Fe₃C，生成珠光體。此時萊氏體組織轉變為變態萊氏體組織。該合金的室溫組織為一次滲碳體和變態萊氏體（Fe₃C_Ⅰ+Ld'）。

2.3.4　鐵碳合金相圖的應用

鐵碳合金不論其成分如何，雖然其室溫下的相組成都是鐵素體和滲碳體，但隨成分（碳含量）的不同，合金經歷的轉變有所不同，因而相的相對量、形態、分布差異較大，即不同成分的鐵碳合金，其組織有較大差異。

（1）平衡組織

根據杠桿定律進行計算的結果，對鐵碳合金的成分與平衡結晶后的組織組成物及相組成物之間的定量關系進行總結，如圖2-26所示。從相組成的角度來看，鐵碳合金在室溫下的平衡組織均由鐵素體和滲碳體組成，當含碳量為零時，合金全部由鐵素體組成。隨著含碳量的增加，鐵素體的含量呈直線下降，到了C=6.69%時降為零。與此相反，滲碳體的含量則由零增加到100%。

含碳量的變化不僅引起鐵素體和滲碳體相對質量的變化，而且合金的組織也將發生變化，這是由于成分的變化引起不同性質的結晶過程，從而使相發生變化。由圖2-26可見，隨著含碳量的增加，鐵碳合金的組織變化順序為：F→F+Fe₃C_Ⅲ→P+P→P→P+Fe₃C_Ⅱ→P+Fe₃C+Ld'→Ld'→Ld'+Fe₃C_Ⅰ→Fe₃C。由此可見，同一種組成相，由于生成條件不同，雖然相的本質未變，但其形態會有很大的差別。如滲碳體，由于生成條件不同，其形態變得十分復雜，當C<0.0218%時，三次滲碳體從鐵素體中析出，沿晶界呈小片狀分布；共析反應生成的共析滲碳體與鐵素體呈交替層片狀分布；從奧氏體中析出的二次滲碳體則以網狀分布于奧氏體的晶界；共晶滲碳體是與奧氏體相關形成的，在萊氏體中為連續的基體，比較粗大，有時呈魚骨狀；從液相中直接析出的一次滲碳體呈規則的長條狀。因此，成分的變化，不僅引起相的相對含量的變化，而且引起組織的變化，從而對鐵碳合金的性能產生很大的影響。

（2）力學性能

除了影響鐵碳合金的組織構成，碳含量還會最終影響合金的力學性能。如前所述，鐵素體強度、硬度低，塑性好，而滲碳體則硬而脆。珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，滲碳體以細片狀分布在鐵素體基體上，起到強化作用，因此珠光體具有較高的強度和硬度，但塑性較差。珠光體的片層間距越小，則強度越高。

圖2-27所示為含碳量對退火碳鋼力學性能的影響。在亞共析鋼中，隨著含碳量的增加，珠光體含量逐漸增多，強度、硬度升高，塑性、韌性下降；當含碳量為0.77%時，組織全部為珠光體，鋼的性能即為珠光體的性能，在過共析鋼中，當含碳量大于0.9%時，其強度達到最高值，含碳量繼續增加，過共析鋼中的二次滲碳體在奧氏體晶界上形成連續網狀，因而強度下降，但硬度仍直線上升。為了保證工業上使用的鋼具有足夠的強度，并具有一定的塑性和韌性，鋼中碳的質量分數一般都不超過1.3%～1.4%。而當含碳量大于2.11%時，由于組織中出現了以滲碳體為基體的萊氏體組織，材料脆性很大，強度低，難以切削加工，所以白口鑄鐵在工業上很少應用。

（3）合理選材

鐵碳合金相圖提供了合金的相與組織隨成分變化的規律，進而可以通過相與組織的變化判斷其性能，這就便于根據制造產品的力學性能要求選擇合適的材料。若要塑性、韌性高，焊接性能好的材料，應選用低碳鋼（C<0.25%）；需要強度、塑性和韌性都較好的材料，應選用中碳鋼（C=0.3%～0.6%）；需要硬度高、耐磨性好的材料，則應選用高碳鋼（C=0.6%～1.3%）。所以，低碳鋼適于生產成形性能很好的各種型材、板材、帶材和鋼管等，用于制造橋梁、船舶及各種建筑結構；中碳鋼主要用于制造工作中承受沖擊載荷和要求較高綜合力學性能的機器零件，如軸和連桿等；高碳鋼用于制造彈簧及各種切削工具。要求高硬度、高耐磨性、但不受沖擊而形狀復雜的零件，如拔絲模、軋輥、球磨機的磨球等，則可選擇白口鑄鐵件。

（4）工藝性能

1）切削加工性能

中碳鋼的切削加工性能比較好。含碳量過低，不易斷屑，同時難以得到良好的加工表面；含碳量過高，硬度太大，對刀具磨損嚴重，也不利于切削。一般說來，鋼的硬度為170～250HBS時切削加工性能最好。

2）可鍛性能

可鍛性能鋼的可鍛性與含碳量有直接關系，低碳鋼的可鍛性良好，隨含碳量增加，可鍛性逐漸變差。由于奧氏體塑性好，易于變形，熱力加工都加熱到奧氏體相試進行，但始軋或始鍛溫度不能過高，以免產生過燒，而終軋或終鍛溫度又不能過低，以免產生裂紋。

3）鑄造性能

共晶成分附近的合金結晶溫度低，流動性好，鑄造性能最好。越遠離共晶成分，液、固相線的間距越大，凝固過程會越容易形成樹枝晶，阻礙后續液體充滿型腔，使鑄造性能變差，容易形成分散縮孔和偏析。

4）焊接性能

鋼的塑性越好，焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼易于焊接。

必須說明，鐵碳合金相圖各相的相變溫度是在所謂平衡條件（即極其緩慢的加熱或冷卻狀態）下得到的，所以不能反映實際快速加熱或冷卻時組織的變化情況。鐵碳合金相圖也不能反映各種組織的形狀和分布狀況。由于在通常使用的鐵碳合金中，除了含有鐵、碳兩種元素之外，還含有許多雜質元素和其他合金元素，它們會影響相圖中各點、各線和各區的位置和形狀，所以在應用鐵碳合金相圖時，必須充分考慮其他元素對相圖的影響。