铁碳平衡相图

1、铁碳平衡相图又称铁碳相图或铁碳状态图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标，表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁-碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。简史 早期利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A和A，它们的在1868年，俄国学者切尔诺夫（Q. k . UepHOB ）就注意到只有把钢加热到某一温度” a”以上再快冷,才能使钢淬硬，从而有了临界点的概念。至18871892年奥斯蒙（F.Osmond温度视加热或冷却（分别以A和A表示）过程而 异。奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至 A

2、2温度之间保持稳定的相为a 铁；AA3间为B铁；A以上为丫铁。1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳, 则在690或710C左右出现临界点,即A1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于 这一温度时，碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来，随铁中碳量提高，A3下降而与Ar2 相合,然后断续下降，至含碳为0.80.9 %时与A1合为一点。1904年又发现A至熔点 间为S铁。以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨一奥斯汀（W.C.Roberts-Austen ）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本 （H.W.Bakhius Roozeboom）更首先在合金系统中应用吉布斯（Gibbs）相律,于

3、1990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。目前采用的 铁碳平衡图示于图1,图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。当铁中含碳量不同时，得到的 典型组织如图2所示。田第去雜群 T ffll»00Fme3图2 铁中含碳*不阖时得刘的典型组织铁礙平術图各主要点的说明符号幣« 丄 说义-一 含-A8-Oi点-的一B594135 otC1481O344a- 島体 晶氏D722169* 6E8 d1口2.F8141866,G2149O一ie F aH5941096J5941O1* jK2769*6E-巧N4931OPS _72-77

4、O铁碳平衡图释义 纯铁有两种同素异构体,在912C以下为体心立方的a - Fe；在912 1394E为面心立方的丫 -Fe;在13941538C （熔点）又呈体心立方结构,即S Fe。当碳 溶于a Fe时形成的固溶体称铁素体（F）、溶于丫 -Fe时形成的固溶体称奥氏体（A），碳 含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体 （Fe3C）形式存在。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。但这过程在室温下是极其缓慢的； 即使加热到 700°C, FeC分解成稳定相也需几年（合金中含有硅等促进石墨化元素时,Fe3C稳定性减弱）,石墨虽然在铸铁（24% C）中大量

5、存在，但在一般钢（0.031.5 % C）中却较难形成这种稳定相。Fe Fe3C平衡图有重要的意义并得到广泛的应用。 图1中 的实线绘出亚稳的Fe-Fe3C系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的 Fe-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1600AH(6_ 26>12272UC(FejCiFc L02,030HOO Na 1彼碳平崔csFe-FesC平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成(见相图) 在1495C( HJB线)发生包晶反应丄b+S h匊Aj。此时液相LB(0.53 % C), S

6、铁素体S h(0.09 % C)，奥氏体AJ(0.17 % C)三相共存。冷凝时反应的结果形成奥氏体 在1148C (ECF线)发生共晶反应丄C匊A+Fe3Co此时液相Lc(4.30 % C),奥氏体Ae (2.11 % C)。渗碳体(6.69 %C)三相共存。冷凝时反应的结果形成了奥氏体与渗碳体 的机械混合物，通称为莱氏体。 在727C (PSK线)发生共析反应,AS匊FP+FeC，此时奥氏体As(0.77 % C)，铁素体Fp(0.0218 % C),渗碳体(6.69 % C)三相共存。冷却时反应的结果形成铁素体与渗碳体 的混合物，通称珠光体。共析反应温度常标为A温度。其他几条线的含义如下

7、：GS线,奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线,称A3温度。ES线，碳在奥氏体中的溶解限度线,称Acm温度。在1148C时， 碳在奥氏体中的最大溶解度为 2.11 % ,而在727C时只为0.77 %。所以凡是碳含量大于0.77 %的铁碳合金，在Acm温度以下时，奥氏体中将析出渗碳体,称为二次渗碳体,以区 别于从液态中析出的一次渗碳体。PQ线,碳在铁素体中的溶解限度线。在727r时，碳 在铁素体中最大溶解度为 0.0218 %，600E时为0.0057 %，400E时为0.00023% ,200 C 以下时小于0.0000007 %。碳含量大于0.0218 %的合金，在PQ线以

8、下均有析出渗碳体 的可能性。通常称此类渗碳体为三次渗碳体。 NJ线，奥氏体转变为S铁素体，称A4 温度，纯铁为1394E，随碳含量增加而提高。ABCD线，合金的液相线。AHJE线， 合金的固相线。此外，770C水平线表示铁素体的磁性转变温度，常称为A2温度。在此温度以下，铁素体 呈铁磁性。230 E水平线表示渗碳体的磁性转变温度。磁性转变时不发生晶体结构的变 化，渗碳体在230 r以下呈铁磁性。用途 铁碳平衡图是研究碳钢和铸铁的基础，也是研究合金钢的基础，它的许多基 本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意义，如在简单二元Fe-C系中出现的各种相，往往在复杂合金钢中也存在。当然，需要考虑到合

9、金元素对这些相的形成和性质 的影响，因此研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳平衡图开始。工程上依据Fe-Fe3C平衡图把铁碳合金分为三类,即工业纯铁(C < 0.021 %)、钢(0.0212.11 % C) 和铸铁(2.116.69 % C)。其他在制定钢铁材料的铸造、锻轧和热处理工艺等方面，也 常以铁碳平衡图为依据。实际加热时钢铁的临界点往往高于 Fe-Fe3C平衡图上的临界点， 冷却时则低于平衡图的临界点。如图3所示，习惯上以A表示平衡图上的临界点，沿用奥斯蒙以法文加热的首字母c及冷却的首字母r分别标志加热和冷却，Ac表示加热时的临界点,Ar表示冷却时的临界点CC%)图3 钢的

10、相受临界点约蛛示近来，我将钢的各种临界点搜集归纳，放在这里，与大家分享，希望对一些人有些 帮助：临界温度 钢加热和(或)冷却时，发生相转变的温度。对合金钢而言，重要的有：(1) Ac1钢加热时，开始形成奥氏体的温度。(2) Ac3亚共析钢加热时，所有铁素体都转变为奥氏体的温度。(3) Ac4低碳亚共析钢加热时，奥氏体开始转变为S相的温度。(4) Accm过共析钢加热时，所有渗碳体和碳化物完全溶入奥氏体的温度。(5) Arl钢高温奥氏体化后冷却时，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度。(6) Ar3 亚共析钢高温奥氏体化后冷却时，铁素体开始析出的温度。(7) Ar4钢在高温形成的S相在冷却时，开始转

11、变为奥氏体的温度。(8) Arcm 过共析钢高温完全奥氏体化后冷却时，渗碳体或碳化物开始析出的温度。(9) A1也写做Ae1，是在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体或碳化物共存的温 度，也就是一般所说的下临界点。(10) A3 也写做Ae3,是亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度， 也就是说亚共析钢的上临界点。(11) A4 也写做Ae4,是在平衡状态下，S相和奥氏体共存的最低温度。(12) Acm也写做Aecm是过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体或碳化物共存的 最高温度，也就是过共析钢的上临界点。(13) Mb马氏体爆发形成温度，以Mb表示(Mbc MS。当奥氏体过冷至MS点

12、以下时， 瞬间爆发式形成大量马氏体，并伴有响声，同时释放相变潜热，使温度回升。(14) Md 马氏体机械强化稳定化临界温度。(15) MF 马氏体相变强化临界温度。(16) Mf有的文献以Mf表示奥氏体转变为马氏体的终了温度。(17) MG 奥氏体发生热稳定化的一个临界温度。(18) MS 钢奥氏体化后冷却时，其中奥氏体开始转变为马氏体的温度， 符号中的“ S”是“始”字汉语拼音第一个字母，也就是俄文书籍中的MH和英文书籍中的MS(19) MZ 奥氏体转变为马氏体的终了温度，符号中的“ Z”是“终”字的汉语拼音第 一个字母，也就是俄文书籍中的 MK和英文书籍中的Mf。注：AC1 AC3 AC4

13、和ACCn随加热速度而定，加热越快，其越高；Ar1、Ar3、Ar4和Arcm则随冷却速度的加快而降低，当冷却速度超过一定值(临界冷却速度)时，它们将完全消失。一般情况下， Ac1> A1> Ar1，Ac3> A3> Ar3，Ac4> A4> Ar4，Accm> Acm> Arcm。1、当碳溶于a Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于丫 -Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)2、Fe-Fe3C平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成。 在1495C( HJB线)发生包晶反应 丄B+S H匊Aj。此时液相Lb(0.53 % C)，S铁素体S h(0.0

14、9 % C)，奥氏体Aj(0.17 % C)三相共存。冷凝时反应的结果形成奥氏体。 在1148C (ECF线)发生共晶反应丄C匊AE+Fe3Co此时液相Lc(4.30 % C),奥氏体A (2.11 % 0。渗碳体(6.69 %C)三相共存。冷凝时反应的结果形成了奥氏体与渗碳体 的机械混合物，通称为莱氏体。 在727C (PSK线)发生共析反应,As匊FP+FC，此时奥氏体As(0.77 % C)，铁素体Fp(0.0218 % C),渗碳体(6.69 % C)三相共存。冷却时反应的结果形成铁素体与渗碳体 的混合物，通称珠光体。共析反应温度常标为A1温度。铁碳平衡相图中，各点的含义ABCD线为液

15、相线，AHJEC为固相线，E点为区分钢和铁的分界点；S点常成为共析 点。S点左边的钢成为压共析钢，其组织结构为珠光体 +铁素体。S点右边的钢成为过共 析钢，其组织结构为珠光体+渗碳体。PQ线：表示铁素体在0C727C之间时所能溶解碳的最大量，或称为碳在铁素体 中的固溶线。PG线：表示铁素体在727E912C之间时,所能溶解碳的最大量。温度在920E时, 铁素体本身转变为奥氏体。PSK线；称为共析线，相当于727E。它表示含碳量0.77%的钢在缓慢冷却时，奥氏 体全部转变为珠光体的温度。反之则缓慢加热时，它又为珠光体全部转变为奥氏体的温 度。此线常用A1线表示。GS线：是碳钢奥氏体的转变温度线，

16、即在缓慢加热时，铁素体向奥氏体转变温度。 反之当缓慢冷却时，贝規奥氏体向铁素体转变的温度。常用A3线表示。SE线：表示含碳量超过0.77%的钢，在缓慢冷却时，由奥氏体内析出二次渗碳体的 温度，常用Acm表示。JE线：叫固相线。表示含义为钢在加热时，开始熔化的临界温度，或冷却时，液体 合金全部凝固为奥氏体的温度。BC线：叫液相线。表示碳钢加热时，全部转变为液体合金的临界温度，或冷却时， 液体开始结晶的温度。由此可看出，含碳量越高的钢，其凝固点(或熔点)越低。NJ线：表示奥氏体开始转变为 S铁的温度NH线：表示奥氏体完全转变为 S铁的温度铁碳合金的平衡组织名称含碳量（%平衡组织工业纯铁<0.02铁素体0.02 铁素体+珠光体亚共析钢0.77珠光体钢共析钢0.77珠光体+二次渗碳体过共析钢0.77 2.11亚共晶白口树状珠光体+二次渗碳体+铁2.11 共晶体4.30白口铸铁共晶白口铁4.3共晶体（珠光体+渗碳体）过共晶白口板状一次渗碳体+共晶体4.3 6.9铁铁碳平衡相图各主要点说明点的符号温 度，C含碳量，%说明A15350纯铁熔点（凝固点）B14950