简析铁碳合金相图的教学

尹丽萍

摘 要：由于钢铁材料的成分（含碳量）不同，因此组织和性能也不相同，应用场合也不一样。在材料学中，相图已成为研究合金组织形成和变化规律的有效工具；在生产实践中，铁碳合金相图可作为制订钢材冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。故铁碳合金相图是金属材料与热处理课程教学的一个重点内容，由于其理论抽象、概念繁杂，对于中技生而言要学好这门课有一定的难度。本文根据笔者教学实践，就如何提高课堂教学效果展开探讨。

关键词：铁碳合金相图 教学方法 教学效果

钢铁是现代工业中应用最为广泛的金属材料，其基本组元是铁和碳两种元素，故统称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁均属铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁实际上是有意加入了合金元素的铁碳合金。铁碳合金因铁、碳含量的不同，形成一个复杂的合金系，不同成分的合金，其组织不同，即使是同一成分的合金，其组织也随温度变化而变化。因此，为了掌握铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系，必须了解铁碳合金相图。

铁碳合金相图是反映“成分—温度—组织”三者之间关系的图解。它是一个以含碳量为横坐标、温度为纵坐标的坐标系，坐标系内的平面区域反映不同成分和温度条件下的合金组织。铁碳合金相图的建立，为分析合金成分和温度对其组织的影响，继而推断其力学性能，确定其应用范围和加工方法等，提供了直观手段。

一、铁碳合金相图分析

在铁碳合金相图中，Fe和Fe3C是组成铁碳合金的两个基本组元，故又称为Fe－Fe3C相图（图1）。由于铁与碳之间相互作用不同，铁碳合金固态下的相结构形成固溶体和金属化合物两类，属于固溶体相有铁素体F和奥氏体A，属于金属化合物相有渗碳体Fe3C。与绝大多数合金的组织一样，铁碳合金也是固溶体和少量金属化合物组成的混合物。组成铁碳合金的混合物有珠光体P（F+Fe3C）和莱氏体Ld（A+Fe3C）两种。

图1 简化后的Fe－Fe3C相图

1.铁碳合金相图中包含有三方面内容

一是铁的同素异构转变。纯铁在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。纯铁的同素异构转变表达式为：

液态Fe1538℃δ—Fe1394℃γ—Fe 912℃α—Fe

（体心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）

二是铁碳合金在高温液态下的共晶转变。一定成分的液态合金，在某一恒温下同时结晶出两种均匀混合固相的转变称为共晶转变，共晶转变由液相发生生成共晶体。铁碳合金共晶转变的表达式为：

Lc（A+Fe3C），即莱氏体Ld。

三是铁碳合金在中温固态下的共析转变。一定成分的固溶体，在某一恒温下同时析出两种均匀混合固相的转变称为共析转变，共析转变与共晶转变很相似，不同的是由固相发生生成共析体。铁碳合金共析转变的表达式为：

As（F+Fe3C），即珠光体P。

2.将铁碳合金相图归纳为六点六线上下两部分进行分析

特性点 含义 温度/℃ 含碳量/%

A

E

G

C

S

D

（1）上半部分图形——由液态变为固态的一次结晶（912℃以上部分）。

图2 Fe－Fe3C相图上半部分图形

如图2所示，A点为纯铁的熔点，D点为渗碳体的熔点，C点为共晶点，含碳量为4.3%的液态合金在1148℃时发生共晶转变，生成奥氏体和渗碳体均匀混合的莱氏体Ld。ACD为液相线，液相线以上各种成分的合金均为液相L。含碳量＜4.3%的液态合金在液相线下，过饱和的铁逐渐以先析相奥氏体的形式从液相中先结晶出来，使剩余液体的含碳量趋近4.3%，1148℃时亦发生共晶转变而生成莱氏体Ld；同理，含碳量＞4.3%的液态合金在液相线下，过饱和的碳逐渐以先析相一次渗碳体（Fe3CⅠ）的形式从液相中先结晶出来，使剩余液体的含碳量趋近4.3%，1148℃时亦发生共晶转变而生成莱氏体Ld。AECF为固相线，固相线以下各种成分的合金均结晶为固相，E点成分以左是固溶体单一奥氏体区，E—C成分之间是先析相奥氏体+莱氏体区，C—F成分之间是先析相一次渗碳体+莱氏体区。ECF又称为共晶线，该线以下所有液体合金均结晶为莱氏体。

（2）下半部分图形——固态下的相变。

图3 Fe－Fe3C相图下半部分图形

如图3所示，G点为γ—Fe 912℃α—Fe的同素异构转变点；E点为1148℃时，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%，727℃时，该溶解度降为0.77%；S点为共析点，含碳量为0.77%的固态合金在727℃时发生共析转变，生成铁素体和渗碳体均匀混合的珠光体。GS（A3）线为冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始线，含碳量＜0.77%的铁碳合金在GS线下，过饱和的铁逐渐以先析相铁素体的形式从奥氏体中先结晶出来，使剩余奥氏体的含碳量趋近0.77%，727℃时亦发生共析转变而生成珠光体；ES（ACm）线为碳在奥氏体中溶解度线，含碳量＞0.77%的铁碳合金在ES线下，过饱和的碳逐渐以先析相二次渗碳体（Fe3CⅡ）的形式从奥氏体中先结晶出来，使剩余奥氏体的含碳量趋近0.77%，727℃时亦发生共析转变而生成珠光体。PSK又称为共析线，该线以下所有奥氏体均转变为珠光体。同理，莱氏体中的奥氏体也转变成珠光体，此时的莱氏体叫做低温莱氏体Ld'。

二、铁碳合金的成分、组织与性能的关系

根据对铁碳合金相图的分析，铁碳合金在室温的组织都是由铁素体F和渗碳体Fe3C两相组成的。随着含碳量增大，铁素体的量逐渐减小，渗碳体的量则有所增加，并且二者相互结合的形态也发生变化，即：

F→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII+Ld′→Ld′→Ld′+Fe3CII

铁素体是碳溶解于α—Fe中形成的间隙固溶体，其溶碳量仅为0.0218%，室温时几乎为零。故性能近似于纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。

渗碳体是碳在铁碳合金中的存在形式，是碳钢的主要强化物，它的形态（片状、球状、网状或板状）与分布对钢的性能有很大影响。在一般情况下，铁碳合金随着含碳量增加，渗碳体增多，钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性降低。但当含碳量超过0.9%（即过共析钢区域）时，由于二次渗碳体（Fe3CII）呈明显网状，除硬度继续上升外，钢的强度有所降低，塑性、韧性较差。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并且有一定的塑性和韧性，钢中的含碳量一般不超过1.4%。

三、铁碳合金相图的应用

1.作为选用钢材的依据

（1）含碳量较低（C＜0.25%）的钢。其成分为铁素体F+珠光体P，铁素体占主体，强度、硬度低，塑性、韧性好，用于制造要求塑性、韧性好，而强度要求不太高，焊接性能好的构件——普通碳素结构钢。

（2）含碳量适中（0.3%～0.5%）的钢。其成分为铁素体F+珠光体P，珠光体占主体，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性，用于制造要求强度、塑性和韧性等综合性能较好的机械零件——优质碳素结构钢。

（3）含碳量高的钢（C＞0.70%）。其成分为珠光体P +渗碳体Fe3C，渗碳体使钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性降低，用于制造要求硬度高、耐磨性好的各种工具——碳素工具钢。

2.作为制订铸、锻和热处理等热加工工艺的依据

铁碳合金相图的内容、分析及应用，是金属材料与热处理课程的骨干内容。教师若能给学生讲清楚了这个知识点，后续的热处理和钢材的应用知识、典型零件的选材及工艺路线的分析制订学生就能理解与掌握得较好，从而为学生们今后工作中解决实际问题打下扎实的专业基础。

（作者单位：中山市技师学院）