1.3 合金元素對鐵碳相圖及相變的影響

合金鋼的相圖是三元相圖乃至多元相圖，掌握合金元素對鐵碳相圖及相變的影響至關(guān)重要。

1.3.1 合金元素對鐵碳相圖的影響

合金元素對鐵碳相圖的重要影響之一是對臨界點的影響。各種鋼的臨界點（A₁、A₃、A_cm、Ms）溫度不等，顯示了合金元素的影響。故合金鋼的熱處理工藝與碳素鋼不同，合金元素影響了鋼的奧氏體化，也影響了過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，使合金鋼熱處理后的組織、性能均發(fā)生了變化。

擴大γ相區(qū)的合金元素Ni、Mn、Cu、N等使形成單相奧氏體的最低溫度降低，即A₃點溫度降低，因而使Fe-C相圖中的Ac₁、Ac₃、Ar₁、Ar₃溫度下降。圖1-7所示為錳對鐵碳相圖中A₁、A₃的影響^[2]。可見，錳擴大了γ相區(qū)，A₁、A₃均隨著錳含量的增加而降低。

鈷的作用較為特殊，它使A₁、A₃升高。

鋼中加入的合金元素除了Ni、Mn、Cu、N、Co、C外，其他元素均為縮小γ相區(qū)（擴大α相區(qū)）的合金元素，如Mo、W、Si、Nb、V、Ti等，這些元素使鐵碳相圖中A₁、A₃溫度升高。例如鉬使γ相區(qū)縮小，如圖1-8所示。可見，隨著鉬含量的增加，γ相區(qū)越來越縮小。鉬的質(zhì)量分數(shù)為7％時，γ相區(qū)已經(jīng)很小，臨界點溫度升高到1200℃左右；當鉬的質(zhì)量分數(shù)達到8.2％以上時，單相奧氏體區(qū)消失。

圖1-7 錳含量（質(zhì)量分數(shù)）對鐵碳相圖臨界點的影響

圖1-8 鉬含量（質(zhì)量分數(shù)）對鐵碳相圖臨界點的影響

圖1-9 鉻含量（質(zhì)量分數(shù)）對鐵碳相圖臨界點的影響

縮小γ相區(qū)（擴大α相區(qū)）的合金元素稱為鐵素體形成元素，它們都有一個使單相奧氏體區(qū)消失的臨界成分，如w_Si＝8.5％、w_V＝4.5％、w_Ti＝1％、w_W＝12％。

鉻也是縮小γ相區(qū)的合金元素，但有其特殊性。當鉻的質(zhì)量分數(shù)低于7.5％時，使鐵碳相圖中A₃溫度下降，鉻的質(zhì)量分數(shù)高于7.5％時才使A₃溫度升高。鉻對A₁溫度的影響是使其一直升高。鉻使單相奧氏體區(qū)消失的臨界w_Cr＝20％。鉻對鐵碳相圖臨界點的影響如圖1-9所示。

鈦對鐵碳相圖中γ相區(qū)的影響如圖1-10所示。由圖1-10可見，隨著鈦含量的增加，γ相區(qū)迅速縮小，質(zhì)量分數(shù)為1％的鈦可使奧氏體單相區(qū)變得很狹窄。因此，一般鋼中鈦含量較少，主要應(yīng)用于微合金化。

幾種合金元素對共析溫度的影響如圖1-11所示。

圖1-10 鈦含量（質(zhì)量分數(shù)）對鐵碳 相圖中γ相區(qū)的影響^[3]

圖1-11 幾種合金元素對共析溫度的影響

另外，從圖1-7～圖1-12中還可以發(fā)現(xiàn)，合金元素同時影響共析點的含碳量。幾乎所有合金元素都使S點和E點左移，即使S點和E點的含碳量降低。圖1-12所示為合金元素對共析點含碳量的影響，由圖1-12可見，W、Mo的影響特殊，當其質(zhì)量分數(shù)較低時（＜4％），共析點的含碳量是降低的；當其含量增加時，又使共析點含碳量升高。鉻也有類似的作用。

圖1-12 合金元素對共析點含碳量的影響

1.3.2 多元相圖的垂直截面圖

合金鋼為三元或多元合金系，其相圖比較復雜，在熱處理工藝中主要的應(yīng)用是參考其變溫截面圖。

1.Fe-Cr-C三元系

Fe-Cr-C系三元合金如鉻不銹鋼06Cr13、12Cr13、20Cr13，以及高碳高鉻模具鋼Cr12等在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。含鉻鋼的組織與性能取決于鉻與鐵及鉻與碳的相互作用。鉻的質(zhì)量分數(shù)約為13.3％時與鐵形成γ相區(qū)，超過這一含量會形成單一的α相區(qū)，熱處理加熱時將不發(fā)生相變。鉻與碳的親和力比鐵與碳的親和力大，因而會形成一系列穩(wěn)定的碳化物，常見的有Cr₂₃C₆和Cr₇C₃。

Fe-Cr-C系形成的合金相主要有合金奧氏體、合金鐵素體、合金滲碳體、特殊碳化物、σ相等，其三元立體平衡相圖非常復雜。考慮到實用目的，往往繪制含有固定鉻含量的Fe-Cr-C系合金的垂直截面相圖。圖1-13所示為鉻的質(zhì)量分數(shù)為13％的Fe-Cr-C系合金的垂直截面相圖[3]。由此可見，除了三相區(qū)外，其與Fe-C相圖很相像。碳的質(zhì)量分數(shù)為1％、鉻的質(zhì)量分數(shù)為13％的鉻鋼的退火組織為α＋（Cr，F(xiàn)e）₂₃C₆、（Cr，F(xiàn)e）₇C₃。加熱到790℃以上才可能出現(xiàn)γ相，才能淬火得到馬氏體而硬化。碳的質(zhì)量分數(shù)為0.2％～0.5％的Cr13鋼加熱可得單相奧氏體，冷卻可轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的組織和性能。

圖1-13 鉻的質(zhì)量分數(shù)為13％的Fe-Cr-C系合金的垂直截面相圖

圖1-14所示為Fe-Cr-C系合金在1150℃和850℃時的等溫截面圖，其中C和Cr的含量是用直角坐標系表示的。在這兩個溫度的截面圖中均可看到有α、γ、C₁、C₂、C₃等單相區(qū)，在1150℃的截面圖中還存在液相L，表明在1150℃有些合金已經(jīng)熔化。C₁、C₂、C₃分別表示碳化物（Cr，F(xiàn)e）₇C₃、（Cr，F(xiàn)e）₂₃C₆、（Cr，F(xiàn)e）₃C。

2.Fe-Mn-C三元系

錳加入鋼中，形成Fe-Mn-C系合金鋼。錳是擴大γ－相區(qū)的元素，其穩(wěn)定奧氏體組織的能力僅次于鎳。錳與鐵形成固溶體，可提高鋼的的強度。錳是碳化物形成元素，但在鋼中不能形成錳的特殊碳化物，而是溶入滲碳體中，形成合金滲碳體（Fe，Mn）₃C。圖1-15所示為Fe-Mn-C系相圖的垂直截面圖，錳的質(zhì)量分數(shù)分別為2.5％和13％。由圖中可見，錳的質(zhì)量分數(shù)為2.5％的低合金錳鋼，其共析點向左偏移至碳的質(zhì)量分數(shù)約為0.65％處，A₃線降低，A₁點降低到700℃，這將使共析分解溫度降低，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時，其片層變細，強度提高；當錳的質(zhì)量分數(shù)提高到13％時，A₃線大幅度降低，A₁點降低到400℃以下，存在α＋γ＋C三相區(qū)，加熱到高溫區(qū)可獲得單相奧氏體組織，緩慢冷卻時析出碳化物，水韌處理可得到單相奧氏體組織

圖1-14 Fe-Cr-C系合金的等溫截面圖

a）1150℃截面圖 b）850℃截面圖

圖1-15 Fe-Mn-C系相圖的垂直截面圖

a）w_Mn＝2.5％b）w_Mn＝13％

3.Fe-Mo-C三元系

圖1-16所示為Fe-Mo-C三元系中鉬的質(zhì)量分數(shù)為2％的合金富鐵一側(cè)的垂直截面圖^[4]。

圖1-16中有四個單相區(qū)：L、δ、γ、α（圖中還有M₂₃C₆、M₂C、M₆C、Fe₂MoC、Fe₃C等化合物相）。

圖1-16中的兩相區(qū)除了標明δ＋L、δ＋γ、L＋γ、L＋Fe₃C、γ＋Fe₃C、α＋γ、γ＋M₆C、γ＋M₂C、γ＋Fe₂MoC、γ＋M₂₃C₆、α＋M₆C、α＋M₂C、α＋Fe₂MoC、α＋M₂₃C6及α＋Fe₃C之外，剩余的四個兩相區(qū)沒有標出它所含的相，可由兩旁的單相區(qū)來確定。

圖1-16中有16個三相區(qū)，全部沒有標出各相區(qū)所含的相，它們也可以從三相區(qū)兩旁的兩相區(qū)來確定。例如，在相圖下部中間的那個三相區(qū)，左邊是α＋M₂₃C₆兩相區(qū)，右邊是α＋Fe₃C兩相區(qū)，所以它一定是α＋M₂₃C₆＋Fe₃C三相區(qū)，其他的也可以按同樣的方法定出相區(qū)所含的相。在這些三相區(qū)中，只有兩個是可以從截面判斷它的反應(yīng)的，在稍低于1500℃的δ＋L＋γ相區(qū)，它的曲邊三角形是頂點向下的，所以是包晶反應(yīng)。三角形兩旁的那兩個單相是反應(yīng)相，故反應(yīng)式為L＋α→γ；在1100～1200℃之間的L＋γ＋Fe₃C相區(qū)，它的曲邊三角形是頂點向上的，所以是共晶反應(yīng)，頂點所連的單相是反應(yīng)相，故反應(yīng)式為L→γ＋Fe₃C。其他三相區(qū)都和四相水平線相接，在垂直截面上不能判定它們是什么反應(yīng)。

圖1-16中共有五個四相區(qū)，它們都是水平線。根據(jù)水平線上下的三相區(qū)所含的相，可以確定四相區(qū)所含的四個相。這五個四相區(qū)除了γ＋Fe₃C＋M₂₃C₆＋Fe₂MoC四相區(qū)外，其他四個四相區(qū)與它們所鄰接的四個三相區(qū)在截面圖上都被截出來了，所以可根據(jù)四個三相區(qū)在四相線上下的分布來確定四相反應(yīng)。這四個四相面的上下各有兩個三相區(qū)，都屬于準包晶反應(yīng)。從溫度高低順序看，首先是γ＋M₆C＋α＋M₂C相區(qū)，四相面以上的兩相是γ＋M₆C，四相面以下的兩相是

圖1-16 Fe-Mo-C三元系中w_Mo＝2％的合金富鐵一側(cè)的垂直截面圖

α＋M₂C，因而其反應(yīng)是γ＋M₆C→α＋M₂C。緊接下面的是γ＋α＋M₂C＋Fe₂MoC四相區(qū)，四相面以上的兩相是γ＋M₂C，四相面以下的兩相是α＋Fe₂MoC，因而其反應(yīng)是γ＋M₂C→α＋Fe₂MoC。再下面的是γ＋α＋Fe₂MoC＋M₂₃C₆四相區(qū)，四相面以上的兩相是γ＋Fe₂MoC，四相面以下的兩相是α＋M₂₃C₆，因而其反應(yīng)是γ＋Fe₂MoC→α＋M₂₃C₆。最后一個四相區(qū)含α＋γ＋M₂₃C₆＋Fe₃C四相，四相平面以上的兩相是γ＋M₂₃C₆，四相平面以下的兩相是α＋Fe₃C，因而其反應(yīng)為γ＋M₂₃C₆→α＋Fe₃C。所有四相平衡的四個相的成分都不能從截面圖上確定出來。

圖1-17 Fe-Si-C三元系中w_Si＝2.4％合金的垂直截面圖

4.Fe-Si-C三元系

圖1-17所示為硅的質(zhì)量分數(shù)為2.4％的Fe-Si-C相圖的垂直截面圖，所截得的平面平行于Fe-C邊。圖中存在四個單相區(qū)：L、α、δ、γ。此外，都存在包晶反應(yīng)、共晶反應(yīng)、共析反應(yīng)。這些兩相平衡區(qū)不是水平直線，而是由幾條界線所限定的相區(qū)，說明這些轉(zhuǎn)變不是在固定溫度下進行的，而是在一個溫度區(qū)間進行。

現(xiàn)在以合金Ⅰ為例，來分析其結(jié)晶過程。當溫度高于1點時，合金處于液態(tài)；在1～2點之間，從液相中結(jié)晶出γ；從2點開始發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L→γ＋C，在2～3點之間，繼續(xù)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，直到3點結(jié)束；在4～5點之間，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變γ→α＋C。

對于硅的質(zhì)量分數(shù)為2.4％和碳的質(zhì)量分數(shù)為2.5％的灰鑄鐵，在相圖上可以直接讀出該合金的熔點（≈1200℃），據(jù)此可確定它的熔煉溫度與澆注溫度。對于硅的質(zhì)量分數(shù)為2.4％和碳的質(zhì)量分數(shù)為0.1％的硅鋼片來說，只有加熱到980℃以上，才能得到單相奧氏體。

此外，從圖1-17中還可以看出，硅的加入使共晶點左移，即對于硅的質(zhì)量分數(shù)為2.4％的Fe-Si-C合金，共晶點碳的質(zhì)量分數(shù)為3.5％，而Fe-C相圖中共晶點碳的質(zhì)量分數(shù)為4.3％，這對于配制高流動能力的鑄鐵成分非常重要。

5.Fe-C-N三元系

圖1-18所示為Fe-C-N三元系在565℃和600℃的水平截面圖。對碳鋼滲氮或碳氮共滲處理后的滲層進行組織分析時，常使用這些水平截面圖。圖中α表示鐵素體，γ表示奧氏體，C表示滲碳體，ε表示Fe_2～3（N，C）相，γ′表示Fe₄（N，C）相，χ表示碳化物。在圖1-18a中有一個大三角形，其頂點與單相區(qū)α、γ′和C相接，三條邊都與兩相區(qū)相接，這是四相平衡共析轉(zhuǎn)變平面，即。當鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.45％時（圖中的水平虛線），并且工件表面氮的含量足夠高，45鋼在略低于565℃的溫度下滲氮，由表及里各分層相的組成依次為ε、γ′＋ε、C＋γ′、α＋C；在600℃滲氮時，45鋼滲氮層各分層相的組成應(yīng)為ε、ε＋γ′、γ＋ε、γ、α＋γ、α＋C。

圖1-18 Fe-C-N三元系的水平截面圖

a）565℃ b）600℃