铁碳相图分析

1.常用术语：

固溶体：是一个(或几个)组元的原子(化合物)溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种，当原子半径相差较大时，原子半径小的元素进入原子半径大的元素空隙之间形成间隙固溶体，例如金属元素Fe和非金属元素H、C、N、B等(Fe和C原子半径分别为Rγ-Fe=0.125nm,Rα-Fe=0.124nm,RC=0.07nm)；原子半径相近时形成置换固溶体，一种元素取代另外一种元素的排列位置形成置换固溶体，例如Cu-Zn。

相：材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，比如铁素体相，奥氏体相，渗碳体相。

固溶体和相区别：固溶体属于相，但相不一定是固溶体，比如碳固溶在α-Fe中可形成间隙固溶体有铁素体固溶体，也可称为α相，但渗碳体Fe3C是金属化合物也是一相，但不是固溶体。

铁素体：C固溶于α-Fe（体心立方结构）中形成的间隙固溶体，以F或者α表示。虽然间隙总体积较多,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.
奥氏体：C固溶于γ-Fe（面心立方结构）中形成的间隙固溶体，以A或者γ表示。虽然间隙总体积较少,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)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℃,添加扩大奥氏体相区元素比如Mn Ni Co后，可使奥氏体保留到室温。
渗碳体：Fe和C形成的金属化合物，是钢铁中的强化相，其含碳量为固定值6.69%。性能很硬很脆，塑韧性极差，伸长率和冲击韧性几乎为0，只能作为强化相，不可单独使用。

珠光体：珠光体是0.77%由奥氏体发生共析转变同时析出的铁素体与渗碳体片层相间的组织,以P表示
莱氏体：含碳量4.3%的液态金属在1148℃时发生共晶转变同时形成奥氏体A和渗碳体Fe3C，以Ld表示，奥氏体A会发生共析转变，所以在常温下以L′d表示。

2.相图
当碳含量大于6.69%时，渗碳体太脆没有实用价值，使用中Fe3C可以作为纯组元使用，所以Fe-C相图，实际上是Fe-Fe3C相图

3.相图分析
3.1相图中重要的特征点：

3.2相图中的特征线：
a)ABCD 液相线
b)AHJECF 固相线
c)水平线 HJB 包晶转变线  
d)水平线 ECF 共晶转变线 
e)水平线 PSK 共析转变线 
3.3相图有五个单相区：分别为液相L，δ，A，F，Fe3C
3.4相图上有七个两相区：L + δ，L + Fe3C，L + A， δ+ A ，A + F，A + Fe3C，F + Fe3C。
3.5相图有三个三相区：即三条直线处 δ+ A+L，A+L +Fe3C，A+F +Fe3C
3.6通常所说的钢铁是铁碳合金，按照碳含量可分为工业纯铁，钢，白口铸铁，如下图

3.7应用举例

（1）

含碳量0.77%,从高温到低温的缓慢平衡凝固过程：在BC线之上是纯液相，随温度不断降低至BC线，开始进入两相区，液相中出现了部分奥氏体A，随着温度继续降低，奥氏体A越来越多，液相越来越少，温度降低JE线交点处，全部变为奥氏体A，液相消失，温度继续降低一直到727℃（S点），奥氏体发生共析转变珠光体（片层状含碳量0.0218%的铁素体和含碳量6.69%的渗碳体的机械混合物），此时铁素体和渗碳体的含量可以依照杠杆定理进行计算。即： 则渗碳体含量约11.2%，铁素体：渗碳体 约8:1。

（2）

含碳量若小于0.77%，以0.6%为例其属于亚共析钢，高温到低温的缓慢平衡凝固过程：在BC线之上是纯液相，随温度不断降低至BC线，开始进入两相区，液相中出现了部分奥氏体A，随着温度继续降低，奥氏体A越来越多，液相越来越少，温度降低JE线交点处，全部变为奥氏体含碳量0.6%的奥氏体A，液相消失。当温度继续降低至于GS线时，进入奥氏体和铁素体两相区，开始析出铁素体，因为铁素体中含碳量很低，使得剩余的奥氏体中含碳量逐渐向0.77%靠近，温度降低至727℃时，剩余奥氏体中含碳量达到0.77%，奥氏体发生共析转变成为，此时的共析转变的奥氏体和先析出铁素体的量可用杠杆定理进行计算。即：铁素体含量
发生共析转变的奥氏体含量为77.3%。奥氏体发生共析转变为珠光体（片层状含碳量0.0218%的铁素体和含碳量6.69%的渗碳体的机械混合物），此时可以计算转变后铁素体和渗碳体的相对含量，依照杠杆定理进行计算。即：铁素体含量 则渗碳体含量约8.7%。
若按照共析转变时铁素体占奥氏体中88.8%计算，再加上先共析出的22.7%，也可以得出77.3%X88.8%+22.7%=91.3%。 

（3）

含碳量若大于0.77%，以1%为例其属于过共析钢，高温到低温的缓慢平衡凝固过程：在BC线之上是纯液相，随温度不断降低至BC线，开始进入两相区，液相中出现了部分奥氏体A，随着温度继续降低，奥氏体A越来越多，液相越来越少，温度降低JE线交点处，全部变为奥氏体含碳量1%的奥氏体A，液相消失。当温度继续降低至于ES线时，因奥氏体中碳的溶解度下降，开始析出渗碳体，因渗碳体中碳含量6.69%，使得剩余奥氏体A中的碳含量逐渐降低至0.77%，当温度降低至727℃时，剩余奥氏体中含碳量达到0.77%，奥氏体发生共析转变，此时的共析转变的奥氏体和先共析渗碳体的量可用杠杆定理进行计算。即：渗碳体含量
发生共析转变的奥氏体含量为96.1%。 奥氏体发生共析转变为珠光体（片层状含碳量0.0218%的铁素体和含碳量6.69%的渗碳体的机械混合物），此时可以计算转变后铁素体和渗碳体的相对含量，依照杠杆定理进行计算。即：渗碳体 则铁素体含量约85.3%。
若按照共析转变时渗碳体占奥氏体中11.2%计算，再加上先共析出的3.9%，也可以得出96.1%X11.2%+3.9%=14.7%。 

（4）
 

含碳量为4.3%的铸铁平衡凝固过程：ECF线之上为液相，温度降至1148℃，液相转变为共晶莱氏体Ld(含碳量2.11%的奥氏体和含碳量6.69%的渗碳体)，依杠杆定理：此时奥氏体含量为： 则共晶渗碳体含量为47.8%。
温度继续降低，奥氏体中碳溶解度降低，以渗碳体的形式析出，当温度降低至727℃时，奥氏体中碳含量降低为0.77%，此时奥氏体的含量：，渗碳体含量59.6%。
在此温度点奥氏体发生共析转变为珠光体（铁素体和渗碳体），若计算奥氏体转变后铁素体的含量，依据杠杆定理则有：铁素体，渗碳体含量约64.2%。 此时的渗碳体包含共晶转变时的共晶渗碳体，奥氏体随温度降低析出的渗碳体，奥氏体发生共析转变得到渗碳体。所以常温下莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示。

同样在碳含量偏离4.3%时，2.11%~4.3%时属于亚共晶白口铸铁，冷却时进入液相L 和奥氏体A的两相区，先析出奥氏体，使得液相成分逐渐靠近共晶成分，最后发生共晶转变，这时组织为先析出的奥氏体A加共晶组织Ld。
4.3%~6.69%属于过共晶白口铸铁，冷却时先进入液相L和渗碳体两相区，使得液相中碳含量降低靠近4.3%共晶成分，最终组织为渗碳体加共晶组织Ld。

总结：如何从相图观察平衡凝固的组织? 
因碳含量已知，做一条垂直线，沿高温向低温的观察垂直线和相图的交点，若此条线处于单相区，则为单相，若进入两相区，与上下两条特征线的交点即为转变起始点和转变结束点，相图中三相区只有三条线，到达此温度即发生转变，很快完成，属于爆发式转变。若计算相转变时的相对含量，用杠杆定理进行计算。 
不过这里所谓的平衡凝固是指温度降低足够慢的情况，可以让碳原子有充分的时间扩散，实际生产过程中不可能是如此慢速凝固的过程，尤其是钢材在奥氏体化之后人为加快冷却速度的情况下可以得到不同性能的组织，例如屈氏体，索氏体，贝氏体，马氏体等，属于固态相变热处理的研究领域。热处理研究的奇妙之处就在于同一块钢，经过不同的热处理可以不同的硬度，退火后硬度可以低于20HRC以便于冲压成型，正火可以得到珠光体硬度可以在30HRC，以便于车削加工不粘刀。淬火低温回火后硬度可在55HRC增加强度耐磨性。