铁碳相图：了解铁与碳的相互作用与性质

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：铁碳相图表示了钢的成分、内部组织与温度三者之间的相互关系。合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相。但合金溶液经冷却结晶后，由于各组元之间相互作用不同，固态合金中将形成不同的相结构，合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。它们的断口有白亮光辉，故称为白口铸铁。表4-10 铁碳合金的基本组织和铁碳相图中各相特征注：名称栏中某氏体，除珠光体外，都是以发现者的名字命名的。

铁碳相图表示了钢的成分（碳的质量分数）、内部组织与温度三者之间的相互关系。采用直角坐标［纵坐标表示温度（℃）、横坐标表示碳的质量分数（％）］的形式画成的图，用来表达它们之间随碳的质量分数和温度的不同变化而引起合金组织发生不同变化的特征与规律。

有了铁碳相图，为熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用提供了方便；反之，通过研究铁碳相图，对加深了解钢铁材料组织与性能，以及制订热处理工艺等工作起到很好的指导作用。

有关铁碳相图的版本较多，数据上也略有出入，这里采用如图4-9所示版本，供学习参考。

图4-9 铁碳相图

1.合金及合金结构中的相

由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。例如黄铜是一种合金，它是由铜和锌两种元素组成的；碳钢和铸铁也是合金，是由铁和碳组成的。

组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。

合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相。合金中，相与相之间有明显的界面。

若合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的，各晶粒间虽有界面分开，但它们仍属于同一种相；若合金是由成分、结构都不相同的几种晶粒构成的，则它们将属于不同的几种相。例如，纯铁在常温下是由单相的α-Fe组成的。铁中加碳后组成合金，由于铁与碳互相作用形成一种化合物Fe₃C，这种Fe₃C的成分、结构与α-Fe完全不同，因此，在铁碳合金中就出现了一个新相Fe₃C，称为渗碳体。

合金的性能一般都是由组成合金的各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况决定的。

2.合金的相结构种类

如果把合金加热到熔化状态，则组成合金的各组元即相互溶解成均匀的溶液。但合金溶液经冷却结晶后，由于各组元之间相互作用不同，固态合金中将形成不同的相结构，合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。

3.固溶体

当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。一般又分为间隙固溶体和置换固溶体。

4.金属化合物

组成合金的两个元素，当它们在化学元素周期表上的位置相距较远时，往往容易形成化合物。金属材料中的化合物可以分为金属化合物和非金属化合物两类。

凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，称为金属化合物。它可以成为金属材料的组成相。例如，碳钢中的渗碳体（Fe₃ C）属于金属化合物。凡是没有金属键结合，并且没有金属特性的化合物，称非金属化合物。例如，碳钢中依靠离子键结合的FeS和MnS都是非金属化合物。非金属化合物是合金原材料熔炼过程带来的杂质，数量虽少，但对合金性能影响较坏，故也称非金属夹杂。

5.铁碳相图上各种合金按其含碳的质量分数和组织不同的分类

可分为以下三类：

1）工业纯铁（碳的质量分数＜0.0218％，图4-9中P点，碳的质量分数表示为0.02％）。

2）钢（碳的质量分数在0.0218％～2.11％之间）。其特点是高温固态组织为塑性很好的奥氏体，因而可以热压力加工。根据其室温组织不同，碳钢又可分为三种：

①共析钢（碳的质量分数为0.77％，图4-9S点碳的质量分数用0.8％表示），由单一的珠光体组成。

②亚共析钢（碳的质量分数＜0.77％），由铁素体＋珠光体组成。

③过共析钢（碳的质量分数＞0.77％），由珠光体＋渗碳体组成。

3）白口铸铁（碳的质量分数在2.11％～6.69％之间）：其特点是液态结晶时有共晶转变。因而与钢相比有较好的铸造性能。它们的断口有白亮光辉，故称为白口铸铁。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为三种。

①共晶白口铸铁（碳的质量分数为4.3％）。

②亚共晶白口铸铁（碳的质量分数为＜4.3％）。

③过共晶白口铸铁（碳的质量分数为＞4.3％）。

6.铁碳合金的基本组织