鐵碳平衡圖

鐵碳平衡圖是研究鐵碳合金在加熱和冷卻時的結晶過程和組織轉變的圖解。熟悉和掌握鐵碳平衡圖是研究鋼鐵的鑄造、鍛造和熱處理的重要依據之一。

基本介紹

• 中文名：鐵碳平衡圖
• 外文名：iron-carbon equilibrium diagram 
• 縱坐標：溫度
• 又稱：鐵碳相圖或鐵碳狀態圖

簡介

鐵碳平衡圖 （iron-carbon equilibrium diagram ），又稱鐵碳相圖或鐵碳狀態圖。它以溫度為縱坐標，碳含量為橫坐標,表示在接近平衡條件（鐵-石墨）和亞穩條件（鐵－碳化鐵）下（或極緩慢的冷卻條件下）以鐵、碳為組元的二元合金在不同溫度下所呈現的相和這些相之間的平衡關係。

鐵碳平衡圖

釋義

純鐵有兩種同素異構體,在912℃以下為體心立方的α－Fe；在912～1394℃為面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔點)又呈體心立方結構,即δ－Fe。當碳溶於α－Fe時形成的固溶體稱鐵素體(F)、溶於γ-Fe時形成的固溶體稱奧氏體(A)，碳含量超過鐵的溶解度後，剩餘的碳可能以穩定態石墨形式存在，也可能以亞穩態滲碳體(Fe3C)形式存在。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩定相。但這過程在室溫下是極其緩慢的；即使加熱到700℃，Fe3C分解成穩定相也需幾年(合金中含有矽等促進石墨化元素時,Fe3C穩定性減弱)，石墨雖然在鑄鐵(2～4%C)中大量存在,但在一般鋼(0.03～1.5%C)中卻較難形成這種穩定相。Fe－Fe3C平衡圖有重要的意義並得到廣泛的套用。圖1中的實線繪出亞穩的 Fe-Fe3C系；虛線和相應的一部分實線表示穩定的Fe-C（石墨）系；平衡圖中絕大多數線是根據實驗測得的數據繪製的；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計算得出的。

鐵碳平衡圖

理論發展

早在 1868 年，俄國學者切爾諾夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把鋼加熱到某一溫度”a”以上再快冷,才能使鋼淬硬,從而有了臨界點的概念。至1887～1892年奧斯蒙（F.Osmond）等利用熱分析法和金相法發現鐵的加熱和冷卻曲線上出現兩個駐點，即臨界點A3和A2，它們的溫度視加熱或冷卻 (分別以Ac和Ar表示)過程而異。奧斯蒙認為這表明鐵有同素異構體，他稱在室溫至A2溫度之間保持穩定的相為α鐵；A2～A3間為β鐵；A3以上為γ鐵。1895年，他又進一步證明，如鐵中含有少量碳,則在690或710℃左右出現臨界點,即Ar1點,標誌在此溫度以上碳溶解在鐵中,而在低於這一溫度時,碳以滲碳體形式由固溶體中分解出來,隨鐵中碳量提高，Ar3下降而與Ar2相合,然後斷續下降，至含碳為0.8～0.9%時與Ar1合為一點。1904年又發現A4至熔點間為δ鐵。以上述臨界點工作的成果為基礎，1899年羅伯茨－奧斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一張鐵碳相圖；而洛茲本 (H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系統中套用吉布斯(Gibbs)相律,於1990年制定出較完整的鐵碳平衡圖。隨著科學技術的發展，鐵碳平衡圖不斷得到修訂，日臻完善。目前採用的鐵碳平衡圖示於圖1，圖中各重要點的溫度、濃度及含義如下表所列。當鐵中含碳量不同時，得到的典型組織如圖2所示。

鐵碳平衡圖

基本組成

Fe-Fe3C平衡圖由包晶、共晶、共析三個基本反應組成（見相圖）。

① 在1495℃（HJB線）發生包晶反應,LB+δH匊AJ。此時液相LB(0.53%C)，δ鐵素體δH(0.09%C)，奧氏體AJ(0.17%C)三相共存。冷凝時反應的結果形成奧氏體。 ② 在1148℃(ECF線)發生共晶反應,LC匊AE+Fe3C。此時液相LC(4.30%C)，奧氏體AE（2.11%C）。滲碳體(6.69%C)三相共存。冷凝時反應的結果形成了奧氏體與滲碳體的機械混合物，通稱為萊氏體。

鐵彈性

③ 在727℃(PSK線)發生共析反應,AS匊FP+Fe3C,此時奧氏體As(0.77%C)，鐵素體FP(0.0218%C)，滲碳體(6.69%C)三相共存。冷卻時反應的結果形成鐵素體與滲碳體的混合物，通稱珠光體。共析反應溫度常標為A1溫度。

線條說明

其他幾條線的含義如下:①GS線,奧氏體中開始析出鐵素體或鐵素體全部溶入奧氏體的轉變線,稱A3溫度。②ES線,碳在奧氏體中的溶解限度線,稱Acm溫度。在1148℃時，碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%,而在727℃時只為0.77%。所以凡是碳含量大於0.77%的鐵碳合金，在Acm溫度以下時，奧氏體中將析出滲碳體,稱為二次滲碳體,以區別於從液態中析出的一次滲碳體。③PQ線,碳在鐵素體中的溶解限度線。在727℃時,碳在鐵素體中最大溶解度為0.0218%，600℃時為0.0057%，400℃時為0.00023%,200℃以下時小於0.0000007%。碳含量大於0.0057%的合金，在PQ線以下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。④NJ線，奧氏體轉變為δ鐵素體，稱A4溫度，純鐵為1394℃，隨碳含量增加而提高。⑤ABCD線，合金的液相線。⑥AHJE線，合金的固相線。

此外，770℃水平線表示鐵素體的磁性轉變溫度,常稱為A2溫度。在此溫度以下,鐵素體呈鐵磁性。230℃水平線表示滲碳體的磁性轉變溫度。磁性轉變時不發生晶體結構的變化，滲碳體在230℃以下呈鐵磁性。

用途

鐵碳平衡圖是研究碳鋼和鑄鐵的基礎，也是研究合金鋼的基礎，它的許多基本特點即使對於複雜合金鋼也具有重要的指導意義，如在簡單二元Fe-C系中出現的各種相，往往在複雜合金鋼中也存在。當然，需要考慮到合金元素對這些相的形成和性質的影響，因此研究所有鋼鐵的組成和組織問題都必須從鐵碳平衡圖開始。工程上依據Fe-Fe3C平衡圖把鐵碳合金分為三類,即工業純鐵(C≤0.021%)、鋼(0.021～2.11%C)和鑄鐵(2.11～6.69%C)。其他在制定鋼鐵材料的鑄造、鍛軋和熱處理工藝等方面，也常以鐵碳平衡圖為依據。實際加熱時鋼鐵的臨界點往往高於Fe-Fe3C平衡圖上的臨界點,冷卻時則低於平衡圖的臨界點。如圖3所示，習慣上以A表示平衡圖上的臨界點,沿用奧斯蒙以法文加熱的首字母c及冷卻的首字母r分別標誌加熱和冷卻，Ac表示加熱時的臨界點,Ar表示冷卻時的臨界點。