表示在接近平衡(鐵一石墨)和亞穩(wěn)條件(鐵一碳化鐵)下鐵碳合金在不同碳含量、不同溫度下所呈現(xiàn)的相和這些相之間平衡關(guān)系的圖，又稱鐵碳相圖。它是研究和使用鋼鐵材料、制定其鑄造、熱加工和熱處理工藝以及分析工藝廢品時(shí)的重要依據(jù)。
簡史 1868年，俄國學(xué)者切爾諾夫(д．K．ЧepHOB)注意到只有把鋼加熱到某一溫度以上再快冷，才能使鋼淬硬，從而有了臨界點(diǎn)的概念。1887～1892年，法國人奧斯蒙(F．Osmond)等發(fā)現(xiàn)臨界點(diǎn)A3和A2，他認(rèn)為這表示鐵有同素異構(gòu)體，他稱從室溫至A2溫度保持穩(wěn)定的相為%26alpha;-Fe；A2～A3間為%26beta;-Fe；A3以上為%26gamma;-Fe。1895年，他進(jìn)一步證明，如鐵中含有少量碳，則在690℃或710℃左右出現(xiàn)臨界點(diǎn)，即A1點(diǎn)，標(biāo)志在此溫度以上碳溶解在鐵中，而低于此溫度時(shí)，碳以滲碳體形式由固溶體中分解出來，隨鐵中碳含量提高，A3下降與A2相合，然后繼續(xù)下降，當(dāng)碳含量為0.8％～0．9％時(shí)與A1合為一點(diǎn)。1904年，又發(fā)現(xiàn)A4至熔點(diǎn)間為%26delta;-Fe。以上述臨界點(diǎn)工作的成果為基礎(chǔ)，1899年，英國人羅伯茨(w．C．Roberts)和奧斯汀(Austen)制定了第一張鐵碳平衡圖。荷蘭人洛茲本(H．W．Bakhius Rooze-一boom)首先在合金系統(tǒng)中應(yīng)用吉布斯相律，于1900年制定出較完整的鐵碳平衡圖。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鐵碳平衡圖不斷得到修訂，日臻完善。
釋義 目前采用的鐵碳平衡圖示于圖1。圖1中的特性點(diǎn)含義列于表中。圖中實(shí)線繪出亞穩(wěn)的Fe-Fe3C系；虛線和相應(yīng)的一部分實(shí)線表示穩(wěn)定的Fe%26mdash;c(石墨)系；平衡圖中絕大多數(shù)線是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)繪制的，有些線，如Fe3C的液相線、石墨在奧氏體中溶解度等是由熱力學(xué)計(jì)算得出的。在鐵碳平衡圖中所出現(xiàn)的單相區(qū)，除液相(L)外，還有碳在鐵中的固溶體%26alpha;、%26delta;、%26gamma;滲碳體和x碳化物。%26alpha;和%26delta;分別稱為鐵素體和%26delta;鐵素體，它們是碳原子作為間隙式溶質(zhì)溶于體心立方結(jié)構(gòu)的%26ldquo;%26alpha;-Fe和%26delta;-Fe所形成的固溶體。%26gamma;稱為奧氏體，它是碳溶于面心立方結(jié)構(gòu)的%26gamma;一Fe形成的固溶體。超過溶解度的碳可能有兩種存在形式：滲碳體或石墨。滲碳體是由鐵與碳組成的化合物，其分子式為Fe3C，它是一種具有復(fù)雜點(diǎn)陣的間隙化合物，屬于正交晶系。滲碳體的硬度很高(HB約為800)、范性很差。在230℃以下滲碳體可能轉(zhuǎn)變成x碳化物，其分子式為Fe2.2C,它具有底心單斜點(diǎn)陣，在轉(zhuǎn)低溫度X碳化物熱力學(xué)穩(wěn)定性要比Fe3C高，在較高溫度Fe3C比x碳化物穩(wěn)定。由于臨界溫度很低，F(xiàn)e3C向x碳化物轉(zhuǎn)變速度很慢，在忽略Fe3C向x碳化物轉(zhuǎn)變的情況下，認(rèn)為滲碳體可以一直穩(wěn)定存在到室溫，并將滲碳體作為一種組元看待，這樣繪出的鐵碳平衡圖就是Fe%26mdash;Fe3C平衡圖。滲碳體是一個(gè)亞穩(wěn)相，當(dāng)條件適當(dāng)時(shí)，它將按下式分解：Fe3C%26rarr;3Fe+C(石墨)。在Fe%26mdash;c平衡圖中出現(xiàn)單質(zhì)狀態(tài)的碳， 即石墨，它具有簡單六方結(jié)構(gòu)，原子排列呈層狀，石墨的強(qiáng)度與范性都極低。
Fe%26mdash;Fe3C平衡圖由包晶、共晶、共析三個(gè)基本反應(yīng)組成：(1)在1495℃(HJB線)發(fā)生包晶反應(yīng)，LB+%26delta;H≒%26gamma;J，冷卻時(shí)反應(yīng)結(jié)果形成奧氏體。(2)在1148℃(ECF線)發(fā)生共晶反應(yīng)，LC≒%26gamma;E+Fe3C，冷卻時(shí)反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生奧氏體與滲碳體組成的兩相共晶體，稱為萊氏體，其形態(tài)是呈顆粒狀的奧氏體分布在滲碳體的基體上。(3)在727℃(PSK線)發(fā)生共析反應(yīng)，%26gamma;S≒%26alpha;P+Fe3C，冷卻時(shí)反應(yīng)結(jié)果生成共析體，它為鐵素體與滲碳體的兩相彌散混合組織，稱為珠光體。共析轉(zhuǎn)變溫度稱為A1溫度。
此外，F(xiàn)e%26mdash;Fe3C平衡圖中還有幾條重要的固態(tài)轉(zhuǎn)變線：(1)GS線。奧氏體開始轉(zhuǎn)變成鐵素體或鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體的轉(zhuǎn)變線，稱A3溫度。(2)ES線。碳在奧氏體中的溶解度線，稱Acm溫度。低于此溫度時(shí)，奧氏體中將析出滲碳體，稱為二次滲碳體，以區(qū)別于從液態(tài)析出的一次滲碳體。(3)PQ線。碳在鐵素體中的溶解度線，在PQ線以下鐵素體中均有析出滲碳體的可能性，通常稱此類滲碳體為三次滲碳體。(4)NJ線。奧氏體開始轉(zhuǎn)變成%26delta;鐵素體或%26delta;鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體的轉(zhuǎn)變線，稱以A4溫度。(5)770℃水平線。表示鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變溫度，稱A2溫度。在此溫度以下鐵素體呈鐵磁性。(6)210OC表示滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度，滲碳體在210℃以下略有鐵磁性，稱A0溫度。
相變過程 典型鐵碳合金的平衡凝固和固態(tài)轉(zhuǎn)變過程為：(1)含碳低于0.0218％的鐵碳合金(工業(yè)純鐵)。合金按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出%26delta;固溶體，結(jié)晶完了變成均一的%26delta;相，冷至NH線，從%26delta;相中析出%26gamma;相，冷至NJ，線全部%26delta;相轉(zhuǎn)變成%26gamma;奧氏體，冷至GS線，從%26gamma;相中析出%26gamma;%26alpha;鐵素體，冷至GP線全部%26gamma;了相變成鐵素體，冷至PQ線鐵素體被碳所飽和，在以后的冷卻中從鐵素體中析出三次滲碳體。該合金室溫平衡組織如圖2所示。
(2)含碳0．4％的鐵碳合金(亞共析鋼)。合金按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出%26delta;固溶體，冷到1495lC，%26delta;固溶體碳含量為0.09％(H點(diǎn))，液相的碳含量為0.53％(B點(diǎn))，此時(shí)%26delta;固溶體和液相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：L0.53+%26delta;0.09%26rarr;%26gamma;0.07。由于合金的碳含量大于0.17％(J點(diǎn))，包晶轉(zhuǎn)變終了以后，還有剩余的液相存在，剩余液相又以勻晶轉(zhuǎn)變方式繼續(xù)結(jié)晶出奧氏體，當(dāng)溫度到達(dá)JE線時(shí)，該合金全部由奧氏體組成。單相奧氏體冷至GS線時(shí)，開始在奧氏體晶界上析出鐵素體，稱為先共析鐵素體，隨著溫度下降，鐵素體量不斷增多而奧氏體量不斷減少。鐵素體的碳含量沿GP線變化，而剩余奧氏體的碳含量沿GS線變化。當(dāng)溫度達(dá)到727℃時(shí)，剩余奧氏體碳含量為0.77％(S點(diǎn))，鐵素體的碳含量為0.0218％(P點(diǎn))，于是發(fā)生剩余奧氏體的共析轉(zhuǎn)變：%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，轉(zhuǎn)變結(jié)果形成珠光體。此時(shí)合金的組織就由先共析鐵素體和珠光體組成。從727C冷卻到室溫，在鐵素體中將析出少量細(xì)小三次滲碳體。該合金室溫平衡組織如圖3所示。
(3)含碳0.77％的鐵碳合金(共析鋼)。合金在液
固相線之間按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出奧氏體，結(jié)晶完成后全部為單相奧氏體。當(dāng)溫度達(dá)到727℃時(shí)，因?yàn)閵W氏體的碳含量為0.77％(S點(diǎn))，所以在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，奧氏體全部轉(zhuǎn)變成珠光體。該合金室溫平衡組織如圖4所示。
(4)含碳1．2％的鐵碳合金(過共析鋼)。合金在液固相線之間按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出單相奧氏1奉，當(dāng)繼續(xù)冷卻到ES線時(shí)，從奧氏體中析出二次滲碳體，彌為先共析滲碳體。這種先共析滲碳體多沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布。隨溫度下降及滲碳體不斷析出，奧氏體碳含量沿ES線降低，當(dāng)溫度達(dá)到727rc時(shí)，奧氏體的碳含量降為0.77％，因而在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。該合金的室溫平衡組織(圖5)是網(wǎng)狀的先共析滲碳體和珠光體。
(5)含碳3.0％的鐵碳合金(亞共晶白口鑄鐵)。合金熔液在液相線以下結(jié)晶出奧氏體，此時(shí)，隨溫度下降，液相成分沿BC線變化，而奧氏體成分沿。，E線變化，當(dāng)溫度降到1148C時(shí)，剩余液體成分為共晶成分4．3％(C點(diǎn))，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：L4.3%26rarr;%26gamma;2.11+Fe3C，轉(zhuǎn)變結(jié)果形成萊氏體。在共晶溫度以下冷卻時(shí)，初晶奧氏體和共晶奧氏體中均析出二次滲碳體，隨著二次滲碳體的析出，奧氏體的碳含量沿ES線降低。當(dāng)溫度達(dá)到727oC時(shí)，所有奧氏體碳含量均達(dá)到共析成分，于是初晶奧氏體和共晶奧氏體同時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，轉(zhuǎn)變成珠光體。此時(shí)的共晶體稱為變態(tài)萊氏體。該合金的室溫平衡組織(圖6)為：珠光體，二次滲碳體和變態(tài)萊氏體。
(6)含碳4．3％的鐵碳合金(共晶白口鑄鐵)。合金熔液冷到1148℃時(shí)，在恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：L4.3%26rarr;%26gamma;2.11+Fe3C，全部液體結(jié)晶成萊氏體。在繼續(xù)冷卻時(shí)，共晶奧氏體中不斷析出二次滲碳體，它通常依附在共晶滲碳體上而不能分辨。當(dāng)溫度降至727oC時(shí)，共晶奧氏體的碳含量降至0．77％，在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。該合金室溫平衡組織(圖7)為變態(tài)萊氏體。
(7)含碳大于4．3％的鐵碳合金(過共晶白口鑄鐵)。合金熔液在液相線之下結(jié)晶出一次滲碳體，一次滲碳體呈粗大的片狀，隨溫度下降液相成分沿CD線變化，當(dāng)溫度降到1148%26lsquo;C時(shí)，剩余液體成分為共晶成分，含碳4．3％(C點(diǎn))，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：L4.3%26rarr;%26gamma;2.11+Fe3C，此時(shí)，剩余液體相全部轉(zhuǎn)變成萊氏體。在繼續(xù)冷卻時(shí)，在共晶奧氏體中析出二次滲碳體，當(dāng)溫度達(dá)到727℃時(shí)，所有共晶奧氏體碳含量達(dá)到共析成分并發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：%26gamma;0.77%26rarr;%26alpha;0.0218+Fe3C，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。該合金室溫平衡組織(圖8)為一次滲碳體，變態(tài)萊氏體。
應(yīng)用 由于鐵碳平衡圖形象而準(zhǔn)確地表述了鐵碳合金的溫度、成分(碳含量)和平衡及近平衡狀態(tài)的組織(相組成、組織物的基本類型)之間的關(guān)系，因而在鋼鐵材料的生產(chǎn)和制品的制造技術(shù)及性能評(píng)估、失效分析等諸多方面具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。熔煉和澆鑄(包括與之相當(dāng)?shù)墓ば蛉绾附?時(shí)，合金的熔化一凝固溫區(qū)(液一固相線)以及固液雙相區(qū)的相組成是首要的技術(shù)參數(shù)。在通常情況下，熱壓力加工應(yīng)于奧氏體狀態(tài)(%26gamma;-相區(qū))并適當(dāng)?shù)陀诠滔嗑€的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行。至于鋼鐵的熱處理工藝制定及制品內(nèi)部組織鑒別，則更以鐵碳平衡圖為基本的出發(fā)點(diǎn)。
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