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铁碳合金相图


铁碳合金相图是铁-碳二元合金系统的相图。

表示各种相态所需条件的铁碳合金相图，其中莱氏体为奥氏体与渗碳体的共熔混合物，珠光体为铁素体与渗碳体的层状组织物，而α、β及δ为不同种类的固溶体

在加工完的钢和铸铁中，总会含有一定数量的碳元素，这些碳元素所占的比重决定了钢/铸铁的特性。通过铁碳合金相图，人们可以直观的看出（钢铁）形成过程中的组分变化与碳元素含量、温度间的相互关系。

若需要知道在不同冷却速率下的微结构（英语：Microstructure），一般会参考恒温变态图。

碳是铁碳合金中最重要的合金元素，碳含量小幅的变化也可能会对合金的材质或性质有大的影响。铁碳合金相图可以表达温度及碳的浓度对钢铁的影响，不过没有其他金属的资讯。铁碳合金相图可以分为二部分：亚稳定的Fe-Fe3C系统，其中的碳已和铁键结，以及稳定的Fe-C系统，其中碳以石墨的形式存在。铁碳合金相图一般会包括这两个系统，不过Fe-Fe3C系统用到的比较多。

铁碳合金相图中的代表性区域

 
铁碳合金相图

相图中的X轴是碳的含量，Y轴是温度。图中只标示一般比较常用到的部分，也就是碳含量在0%到6.67%的区域（只有少量合金的含量高过此值），碳含量6.67%约对应100%的碳化三铁。相图中代表性的位置用英文字母表示，有些标示方式会省略英文字母I，改用字母J表示。

其中折线ABCD是液相线，在液相线以上的部分为液体。折线AHIECF为固相线，低于固相线的部分为固体。在液相线和固相线之间的是糊状、部分熔化的区域，其中包括δ铁、γ铁和碳化三铁（Fe3C）．有不同的浓度及比例。若合金冷却到液相线下时，会渐渐的结晶。

随着碳含量的不同，铁碳合金中的铁也会出现不同的同素异形体，像分别由δ铁、γ铁及α铁形成的固溶体，对碳就有不同的溶解度，其原因是不同的晶格结构及晶格常数。像铁素体就是由δ铁或α铁形成的固溶体，而奥氏体则以γ铁为主。

大致的分区

珠光体和莱氏体不算是特别的相，只是一种相混合状态（微结构（英语：Microstructure））。珠光体和莱氏体只会出现在稳定，或是亚稳定的系统中，例如缓慢的冷却。若是快速冷却（例如淬火）会形成马氏体，是一种硬脆的结构。以下是在亚稳定的系统中，一些特殊的点、线及现象。

  • 点
    • A：（0%/1536°C），B：（0,53%/1492°C），C：（4.3%/1147°C），D：（6.67%/1320°C），E：（2.06%/1147°C）
    • F：（6.67%/1147°C），G：（0%/911°C），H：（0.1%/1493°C），I：（0.16%/1493°C），K：（6.67%/723°C）
    • N：（0%/1392°C），P：（0.022%/723°C），S：（0.8%/723°C），Q：（0.002%/20°C），M：（0%/769°C）
    • S'：（0.69%/738°C），E'：（2.03%/1153°C），C'：（4.25%/1153°C）

金相名称

以下是各金相的名称，δ固溶体、γ固溶体及α固溶体分别是指铁素体、奥氏体及铁素体。

名称 最高浓度点 对应金相
δ固溶体 0.10% / 1493°C 铁素体
γ固溶体 2.06% / 1147°C 奥氏体
α固溶体 0.02% / 723°C 铁素体

铁碳化合物碳化三铁（Fe3C）也是一个相，但和上述铁和碳混合的相不同，碳化三铁是中间相，碳化三铁会以三种不同的形式出现，但其化学成分是一样的。

名称 形成方式
初级碳化三铁 由液相中直接结晶（CD线）
二级碳化三铁 从奥氏体变成（ES线）
三级碳化三铁 从铁素体变成（PQ线）

以下是一些相和相的混合物：

名称 组成 存在范围
珠光体 88% 铁素体，12% 碳化三铁 0.02% 到 6.67%，T≤723°C
莱氏体 I 51.4% 奥氏体，48.6% 碳化三铁 2.06% 到 6.67%，723°C≤T≤1147°C
莱氏体 II 51.4% 珠光体，48.6% 碳化三铁 2.06% 到 6.67%，T≤723°C

等温过程

铁碳合金相图中有三个等温过程，分别是包晶（德语：Peritektikum）（线 HIB）、共晶（线 ECF）及共析（德语：Eutektoid）（线 PSK）。

点 H：δ铁素体中，最大碳溶解度的点 点 I：包晶 δ+L → γ

当钢加热或是冷却的时候，会出现一些特性不连续变化的情形，主要有以下几点。

  • A1 – 线P-S-K，当碳含量> 0.02 %时，超过723 °C时奥氏体会分解为珠光体。
  • A2 – 线M-O，加热超过769 °C（居里点）时会失去铁磁性。
  • A3 – 线G-O-S，冷却时会形成含碳量较少的铁素体，从奥氏体中游离的碳会开始累积，直到温度到723°C的共晶温度为止。

应用

配合铁碳合金相图，可以清楚的回答一些有关钢（可锻的铁碳合金，碳含量小于2.06%）及铸铁（不可锻的铁碳合金，碳含量大于2.06%）的特性问题。

  • 钢可以锻造，因为其成分为均质的奥氏体，而铸铁中的碳是以石墨或是莱氏体的形式存在，因此延展性变差，不适合锻造，而且其相变化是在熔化时突然发生。
  • 纯铁的熔点是1536°C；也可以看出钢及铸铁在完全固化（或开始熔化）时的温度（A-H-I-E线及E-C-F线），铸铁开始熔化的最低温度是在1147°C，这也说明铸铁比钢更容易用在铸造的应用上。

基于上述原因，铁碳合金相图是在要了解铁碳合金特性时，很重要的工具。

参考资料

  • Hermann Schumann, Heinrich Oettel: Metallografie – 14. Auflage, Wiley-VCH Verlag.
  • Prof. Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bargel und Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze: Werkstofftechnik – 8. Auflage, Springer Verlag Berlin.
  • Prof. Dr.-Ing. Volker Läpple: Wärmebehandlung des Stahls – 9. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel.
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