鐵碳合金相圖是描述在極其緩慢加熱或極其緩慢冷卻的條件下鐵碳合金的不同成分、溫度、組織之間的關系圖，它的前提是：
①鐵與碳的成分組成；
②是在極其緩慢的轉變過程組織形成過程；
③Fe3C實際是亞穩相，在一定條件下可以分解為鐵固溶體和石墨，所以鐵碳相圖實際上市含有鐵-石墨相圖的雙重相圖；
④大于6.69%的鐵碳合金由于脆性極大，沒有使用價值，沒有列入研究范圍。
鐵碳相圖如下圖所示：
在熱處理過程中，相圖中的左上角的ABN的實際運用意義不大，可以不考慮組織。但是GPQ相區有實際意義，不用忽略。
相圖中的特性線主要有6條，分別如下。
ACD線：鐵碳合金的液相線；
AECF線：鐵碳合金的固相線；
GS線：冷卻時奧氏體析出鐵素體的開始轉變線，用A3表示；
ES線：碳在奧氏體中溶解度線，用Acm表示；
ECF水平線：共晶轉變線，L4.3→A0.77+Fe3C，轉變溫度1148℃；
PSK水平線：共析轉變線，A0.77→Fe0.0218+Fe3C，用A1表示，轉變溫度727℃。
相圖中的相區(忽略ABN相區)見表1-1，共機12個相區，其中：5個單相區，5個雙相區，2個三相區。
單相區 | 兩相區 | 三相區 | |||
相區范圍 | 相組成 | 相區范圍 | 相組成 | 相區范圍 | 相組成 |
ACD線以上 | L(液態） | ACEA | L+A | ||
AESGA | A(奧氏體） | CDFC | L+Fe3C | ||
GPQG | F(鐵素體） | GSPG | A+F | ECF線 | L+A+Fe3C |
DKF縱軸線 | Fe3C（滲碳體） | EGKSE | A+Fe3C | PSK線 | A+F+Fe3C |
ANGQ縱軸線 | 純鐵Fe | QPSK線以下 | F+Fe3C | ||
1,鐵素體(ferrite)
鐵素體是碳在α-Fe中的間隙固溶體,用符號"F"(或α)表示,體心立方晶格;
雖然BCC的間隙總體積較大,但單個間隙體積較小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃時),室溫時幾乎為0,因此鐵素體的性能與純鐵相似,硬度低而塑性高,并有鐵磁性.
鐵碳合金中的基本相
鐵素體的力學性能特點是塑性,韌性好,而強度,硬度低.
δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.
鐵碳合金中的基本相
鐵素體的顯微組織與純鐵相同,用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈現明亮的多邊形等軸晶粒,在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布,但當含碳量接近共析成分時,鐵素體因量少而呈斷續的網狀分布在珠光體的周圍.
鐵碳合金中的基本相
2,奧氏體(Austenite )
奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體,用符號"A"(或γ)表示,面心立方晶格;
雖然FCC的間隙總體積較小,但單個間隙體積較大,所以它的溶碳量較大,最多有2.11%(1148℃時),727℃時為0.77%.
鐵碳合金中的基本相
在一般情況下, 奧氏體是一種高溫組織,穩定存在的溫度范圍為727~1394℃,故奧氏體的硬度低,塑性較高,通常在對鋼鐵材料進行熱變形加工,如鍛造,熱軋等時,都應將其加熱成奧氏體狀態,所謂"趁熱打鐵"正是這個意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.
另外奧氏體還有一個重要的性能,就是它具有順磁性,可用于要求不受磁場的零件或部件.
鐵碳合金中的基本相
奧氏體的組織與鐵素體相似,但晶界較為平直,且常有孿晶存在.
鐵碳合金中的基本相
3,滲碳體(Cementite)
滲碳體是鐵和碳形成的具有復雜結構的金屬化合物,用化學分子式"Fe3C"表示.它的碳質量分數Wc=6.69%,熔點為1227℃,
質硬而脆,耐腐蝕.用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蝕,滲碳體呈暗黑色.
鐵碳合金中的基本相
滲碳體是鋼中的強化相,根據生成條件不同滲碳體有條狀,網狀,片狀,粒狀等形態,它們的大小,數量,分布對鐵碳合金性能有很大影響.
鐵碳合金中的基本相
總結:
在鐵碳合金中一共有三個相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體一般僅存在于高溫下,所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個相,就是鐵素體和滲碳體.由于鐵素體中的含碳量非常少,所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中.這一點是十分重要的.
鐵和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有實用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常稱其為 Fe-Fe3C相圖, 此時相圖的組元為Fe和Fe3C.
_由于實際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分軸從0~6.69%.所謂的鐵碳合金相圖實際上就是Fe—Fe3C相圖.
二、鐵碳合金相圖分析
Fe—Fe3C相圖看起平比較復雜,但它仍然是由一些基本相圖組成的,我們可以將Fe—Fe3C相圖分成上下兩個部分來分析.
1.上半部分-------共晶轉變
在1148℃,4.3%C的液相發生共晶轉變:
Lc (AE+Fe3C),
轉變的產物稱為萊氏體,用符號Ld表示.
存在于1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體,用符號Ld表示,組織由奧氏體和滲碳體組成;存在于727℃以下的萊氏體稱為變態萊氏體或稱低溫萊氏體,用符號Ldˊ表示,組織由滲碳體和珠光體組成.
低溫萊氏體是由珠光體,Fe3CⅡ和共晶Fe3C組成的機械混合物.經4%硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察,其中珠光體呈黑色顆粒狀或短棒狀分布在Fe3C基體上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交織在一起,一般無法分辨.
2.下半部分-----共析轉變
在727℃,0.77%的奧氏體發生共析轉變:
AS (F+Fe3C),轉變的產物稱為珠光體.
共析轉變與共晶轉變的區別是轉變物是固體而不非液體.
3.相圖中的一些特征點
相圖中應該掌握的特征點有:A,D,E,C,G(A3點),S(A1點),它們的含義一定要搞清楚.
4. 鐵碳相圖中的特性線
相圖中的一些線應該掌握的線有:ECF線,PSK線(A1線),GS線(A3線),ES線(ACM線)
水平線ECF為共晶反應線.
碳質量分數在2.11%～6.69%之間的鐵碳合金, 在平衡結晶過程中均發生共晶反應.
5.水平線PSK為共析反應線
碳質量分數為0.0218%～6.69%的鐵碳合金, 在平衡結晶過程中均發生共析反應.PSK線亦稱A1線.
GS線是合金冷卻時自A中開始析出F的臨界溫度線, 通常稱A3線.
ES線是碳在A中的固溶線, 通常叫做Acm線.由于在1148℃時A中溶碳量最大可 達2.11%, 而在727℃時僅為0.77%, 因此碳質量分數大于0.77%的鐵碳合金自1148℃冷至727℃的過程中, 將從A中析出Fe3C.析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII). Acm線亦為從A中開始析出Fe3CII的臨界溫度線.
PQ線是碳在F中固溶線.在727℃時F中溶碳量最大可達0.0218%, 室溫時僅為0.0008%, 因此碳質量分數大于0.0008%的鐵碳合金自727℃冷至室溫的過程中, 將從F中析出Fe3C.析出的滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII).PQ線亦為從F中開始析出Fe3CIII的臨界溫度線.Fe3CIII數量極少,往往予以忽略.
三、含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響
1．含碳量對鐵碳合金平衡組織的影響
按杠桿定律計算，可總結出含碳量與鐵碳合金室溫時的組織組成物和相組成物間的定量關系
2．含碳量對機械性能的影響
滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強度越高，塑性和韌性越低；但當滲碳體分布在晶界或作為基體存在時，則材料的塑性和韌性大為下降，且強度也隨之降低。
3．含碳量對工藝性能的影響
對切削加工性來說，一般認為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過高或過低，都會降低其切削加工性能。
對可鍛性而言，低碳鋼比高碳鋼好。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態時，塑性好、強度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在奧氏體狀態下進行。鍛造時必須根據鐵碳相圖確定合適的溫度，始軋和始鍛溫度不能過高，以免產生過燒；始軋和溫度也不能過低，以免產生裂紋。
對鑄造性來說，鑄鐵的流動性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結晶溫度低，流動性也好，更具有良好的鑄造性能。從相圖的角度來講，凝固溫度區間越大，越容易形成分散縮孔和偏析，鑄造性能越差。
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