Fe-Fe3C 相圖分析

一、相圖中的點、線、區及其意義

圖1是Fe-Fe3C相圖，圖中各特征點的溫度、碳的濃度及意義見表1。各特征點的符号是國際通用的，不能随意更換

圖1 Fe-Fe3C相圖

相圖上的液相線是 ABCD，固相線是 AHJECF，相圖中有五個單相區，分别是：

ABCD 以上——液相區(L)

AHNA——δ 固溶體區( δ )

NJESGN——奧氏體區( γ )

GPQG——鐵素體區( α )

DFKL——滲碳體區(Fe3C或Cm)

相圖上有七個兩相區，它們分别存在于相鄰兩個單相區之間，這些兩相區分别是：

ABJHA——液相＋δ 固溶體區(L＋δ )

JBCEJ——液相＋奧氏體區(L＋γ )

DCFD——液相＋滲碳體區(L＋Fe3C)

HJNH——δ 固溶體＋奧氏體區( δ ＋γ )

GSPG——鐵素體＋奧氏體區( α ＋γ )

ECFKSE——奧氏體＋滲碳體( γ＋Fe3C)

相圖上有兩條磁性轉變線：

MO——鐵素體的磁性轉變線

過 230℃的虛線——滲碳體的磁性轉變線

相圖上有三條水平線，分别是：

HJB——包晶轉變線

ECF——共晶轉變線

PSK——共析轉變線

下面圍繞三條水平線分三個部分進行分析。

表 1 鐵碳合金相圖中的特征點

二、包晶轉變(水平線 HJB)

在 1495℃的恒溫下，含碳量為 0.53%的液相與含碳量為 0.09%的δ 鐵素體發生包晶反應，形成含碳量為0.17%的奧氏體，其反應式為

進行包晶反應時，奧氏體沿δ相與液相的界面形核，并向δ相和液相兩個方向長大。

包晶反應終了時，δ相與液相同時耗盡，變為單相奧氏體。含碳量在0.09%～0.17%之間的合金，由于δ鐵素體的量較多，當包晶反應結束後，液相耗盡，仍殘留一部分δ鐵素體。這部分δ相在随後的冷卻過程中，通過同素異晶轉變而變成奧氏體。含碳量在0.17%～0.53%之間的合金，由于反應前的δ相較少，液相較多，所以在包晶反應結束後，仍殘留一定量的液相，這部分液相在随後冷卻過程中結晶成奧氏體。可見，凡是含碳量在 0.09%～0.53%的合金，都要經曆包晶轉變過程，而且不論在包晶轉變前後轉變過程如何，最終都要獲得單相奧氏體。

對于含碳量低于 0.09%的合金，在按勻晶轉變凝固為δ 固溶體之後，繼續冷卻時将在NH 與 NJ 線之間發生固溶體的同素異晶轉變，轉變為單相奧氏體。含碳量在 0.53%～2.11%之間的合金，按勻晶轉變後，組織也是單相奧氏體。

總之，含碳量低于 2.11%的合金在冷卻過程中，都可在一定的溫度區間内得到單相的奧氏體組織。這類合金叫做鋼。

應當指出，對于鐵碳合金來說，由于包晶反應溫度高，碳原子的擴散較快，所以包晶偏析并不嚴重。但對于高合金鋼來說，合金元素的擴散較慢，就可能造成嚴重的包晶偏析。

共晶轉變(水平線 ECF)

Fe-Fe3C相圖上的共晶轉變是在 1148℃的恒溫下，由含碳量為 4.3%的液相轉變為含碳量為2.11%的奧氏體和含碳量為6.69%的滲碳體組成的混合物。其反應式為：

共晶轉變形成的奧氏體與滲碳體的混合物，稱為萊氏體，用 Ld 表示。在萊氏體中，滲碳體是連續分布的相，奧氏體呈短棒狀分布在滲碳體的基體上。由于滲碳體很脆，所以萊氏體是塑性很差的組織。萊氏體中奧氏體與滲碳體的相對含量可用杠杆定律求出

WFe3C=1-52%=48%

含碳量在2.11%～6.69%之間的合金，都要進行共晶轉變，這類合金叫做鑄鐵，因組織中都含有萊氏體，并因斷口呈銀白色而叫做白口鑄鐵。

其中，碳含量在 2.11%～4.30%之間的合金叫亞共晶白口鑄鐵。這類合金由液相開始凝固時，從BC線開始析出先共晶奧氏體，然後剩餘液相在共晶溫度通過共晶轉變為萊氏體。

先共晶奧氏體一般具有樹枝晶的形貌。值得指出的是在共晶溫度 1148℃與共析溫度 727℃之間，先共晶奧氏體和共晶奧氏體中的碳含量都将從 2.11%降至 0.77%，并析出二次滲碳體(用Fe3CⅡ表示)，随後又都在727℃轉變為珠光體。

含碳量為 4.3%～6.69%範圍内的合金叫過共晶白口鑄鐵。這類合金冷卻時，冷卻到 CD線開始從液相中析出先共晶滲碳體，然後剩餘液相在共晶溫度通過共晶轉變為萊氏體。先共晶滲碳體呈闆片狀，也稱為一次滲碳體(用 Fe3CⅠ)。

共析轉變(PSK線)

Fe-Fe3C 相圖上的共析轉變是在 727℃恒溫下，由含碳量為 0.77%的奧氏體轉變為含碳量為 0.0218%的鐵素體和滲碳體組成的混合物，其反應式為

共析轉變的産物稱為珠光體，用符号 P 表示。共析轉變的水平線 PSK，稱為共析線或共析溫度，常用符号 A1表示。凡是含碳量大于 0.0218%的鐵碳合金都将發生共析轉變。

經共析轉變形成的珠光體是層片狀的，其中的鐵素體和滲碳體的含量可以用杠杆定律進行計算：

滲碳體與鐵素體含量的比值為

這就是說，如果忽略鐵素體和滲碳體比體積上的微小差别，則鐵素體的體積是滲碳體的 8 倍，在金相顯微鏡下觀察時，珠光體組織中較厚的片是鐵素體，較薄的片是滲碳體

相圖中三條重要的特征線

1. GS 線

GS 線又稱 A3 線，它是在冷卻過程中，由奧氏體析出鐵素體的開始線，或者說在加熱過程中，鐵素體溶入奧氏體的終了線。實際上，GS 線是由 G 點(A3)演變而來的，随着含碳量的增加，使奧氏體向鐵素體的同素異晶轉變溫度逐漸下降，從而由 A3 點變成了 A3 線。

2. ES 線

ES 線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。當溫度低于此曲線時，從奧氏體中析出次生的滲碳體，通常稱之為二次滲碳體，因此該曲線又是二次滲碳體析出的開始線。ES 線又叫Acm線。

由相圖可以看出，E 點表示奧氏體的最大溶碳量，即奧氏體的含碳量在 1148℃時為2.11%，其物質的量比相當于 9.1%。可以表明，此時鐵與碳的物質的量比差不多是 10: 1，相當于 2.5 個奧氏體晶胞中才有 1 個碳原子。

3. PQ 線

PQ 線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵素體中的最大碳的溶解度，在 727℃時達到最大值為 0.0218%。随着溫度的降低，鐵素體的溶碳量逐漸降低，在 300℃以下，溶碳量小于0.001%。因此，當鐵素體從 727℃冷卻下來時，要從鐵素體中析出滲碳體，稱之為三次滲碳體，通常用 Fe3CⅢ表示。