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铁碳平衡图( Iron-carbon equilibrium diagram)

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.Bakhius Rooze-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。


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