铁碳相图

铁碳相图

相图是合金研究中非常重要的工具，可以解决冶金中的许多实际问题。这些图表定义了在恒定大气压条件下可以存在于合金系统中的相的稳定性区域。对于二元系统，这些图的坐标是温度和成分。合金体系中的相、温度和成分之间的相互关系通常仅在平衡条件下通过相图表示。这种情况发生在合金缓慢加热和冷却的过程中，此时转变的动力学并不起重要作用。

最简单的铁和钢是铁 (Fe) 和碳 (C) 的合金。有三种类型的铁合金。这些合金由 (i) 在室温下 C 含量低于 0.0008% 的铁组成，(ii) C 含量在 0.008% 至 2.14%（通常低于 1%）的钢，并具有由铁素体和渗碳体组成的微观结构)，和 (iii) 铸铁，C 含量在 2.14 % 到 6.7 % 之间（通常低于 4.5 %）。对钢铁的组成和结构的研究从铁碳 (Fe-C) 相图开始（图 1）。 Fe-C相图也是理解热处理工艺的基础。

Fe-C 系统的许多基本特征甚至会影响最复杂的合金钢铁的行为。例如，在简单二元 Fe-C 系统中发现的相在复杂钢中持续存在，但有必要检查合金元素对这些相的形成和性能的影响。 Fe-C 图为建立普通碳钢和合金钢的知识提供了宝贵的基础。

图1铁碳相图

C 是 Fe 中的间隙杂质。它与铁的 alpha、gamma 和 delta 相形成固体溶液。在 727 摄氏度时，C 在 α 铁中的最大溶解度为 0.025%。体心立方 (BCC) 铁的间隙位置相对较小。在 1148 摄氏度时，C 在面心立方 (FCC) γ 铁中的最大溶解度为 2.14%。FCC 铁具有较大的间隙位置。铁碳合金（铁和钢）的机械性能取决于它们的微观结构，即不同相的混合方式。

图2中的铁-碳相图实际上显示了两个图，即（i）稳定的铁-石墨图（红线），（ii）和亚稳态的Fe-Fe3C图。渗碳体是亚稳态的，真正的平衡是在铁和石墨（C）之间。尽管石墨广泛存在于铸铁中，但通常很难在钢中获得这种平衡相。稳定状态通常需要很长时间才能发展，特别是在低温和低碳范围内。因此，通常使用的正态平衡图是亚稳态 Fe-Fe3C 图，因为它与实践中大多数钢的行为有关。

Fe-C 系统的稳定和亚稳相图的细节，特别是在富铁侧，比任何其他具有类似复杂性的二元系统都要清楚得多。然而，在温度、成分和压力范围等与钢铁制造没有直接关系的领域，仍有相当多的相图尚未建立。

图2 稳定相和亚稳相的铁碳图

铁碳体系中有一些重要的冶金相和微量成分。在 Fe-Fe3C 体系中，碳是 Fe 中的一种间隙杂质。它与铁的 α（α 铁素体）、γ（奥氏体）和 δ（δ 铁素体）相形成固溶体。这些是 Fe - Fe3C 相图中的重要相。在单相场之间，发现了铁素体与渗碳体、奥氏体与渗碳体、铁素体与奥氏体等两相混合区。在最高温度下，可以找到液相场，在此温度之下是液体和奥氏体、液体和渗碳体、以及液体和铁素体的两相场。在钢的热处理中，总是避免使用液相。在共晶点（4.26 % C），液态合金在冷却时直接转化为奥氏体和渗碳体，没有任何两相场。同样，在共析点 (0.76 % C)，奥氏体相在冷却时直接转化为铁素体和渗碳体，没有任何两相场。为便于理解图表，对单相场的一些重要边界进行了特殊命名。

处于平衡状态的钢铁主要相有以下几种。

• 铁氧体或 α-铁相 - 在室温下它是一种稳定的铁。它是相对较软的低温相，是一个稳定的平衡相。它在 910 摄氏度时转变为 FCC 奥氏体（伽马相）。铁素体是钢中的常见成分，具有 BCC 结构，其密度低于 FCC 结构。它很柔软，而且相当有延展性。 768℃以下有磁性，强度低，韧性好。
• 奥氏体或伽马铁相 - 奥氏体是一种高温相。它是 C 在 FCC 铁中的固溶体。因此，它具有 FCC 结构，这是一种密堆积结构。它是一种非磁性和延展性相。它在 1394 摄氏度时转变为 BCC δ 铁素体。除非快速冷却，否则它在共晶温度（727 摄氏度）以下不稳定。奥氏体具有良好的强度和韧性。
• Delta 铁素体相 - 它是 C 在 BCC 铁中的固溶体。它仅在高于 1394 摄氏度的温度下才稳定。它在 1538 摄氏度时熔化。它具有顺磁性。
• 渗碳体 - 它是 Fe3C 或碳化铁。是Fe和C的金属间化合物，具有复杂的斜方晶系结构，是亚稳相。这是一个艰难而脆弱的阶段。它的抗拉强度低，抗压强度好，韧性低。在 650 摄氏度到 700 摄氏度的温度范围内，它会（非常缓慢地，在几年内）分解成 α 铁素体和 C（石墨）。

将奥氏体与铁素体进行比较，碳在奥氏体中的溶解度更高，在 1148 摄氏度时最大值为 2.14%。碳在奥氏体中的高溶解度在奥氏体中固溶处理然后快速淬火时极为重要。到室温允许在铁中形成碳的过饱和固溶体。铁素体相在 727 摄氏度时的最大碳溶解度为 0.025%。由于普通钢中可用的碳范围为 0.05% 至 1.5%，因此铁素体通常以一种或其他形式与渗碳体结合。同样，δ相也很受限制，处于1394-1538℃的温度范围内，当碳含量达到0.5%时完全消失。

当缓慢冷却时，共析合金 (0.76% C) 形成珠光体，它是两相的层状结构，即 α-铁素体和渗碳体。珠光体是铁素体-渗碳体相混合物。它具有特征性的外观，可被视为微观结构实体或微观成分。它是交替的铁素体和渗碳体片层的聚集体，在 727 摄氏度以下延长保温后退化（球化或粗化）成渗碳体颗粒，分散在铁素体基体中。它是一种共析体，具有 BCC 结构。它是 Fe 和 C 的部分可溶溶液。从力学上讲，珠光体具有介于软、韧性铁素体和硬而脆的渗碳体之间的特性。强度高，韧性低。

亚共析合金含有前共析铁素体（在共析温度以上形成）以及含有共析铁素体和渗碳体的共析珠光体。过共析合金中含有先共析渗碳体（在高于共析温度时与珠光体一起形成，其中含有共析铁素体和渗碳体。

在 Fe-C 系统非平衡凝固的情况下，也可以形成一些额外类型的微观结构。下面给出了其中一些微结构。

• 贝氏体——介于珠光体和马氏体之间的相。它是一种坚硬的亚稳微成分，由极细的铁素体和渗碳体的非层状混合物组成。上贝氏体在较高温度下形成并具有羽毛状外观。下贝氏体在较低温度下形成并具有针状外观。贝氏体的硬度随着其形成温度的降低而增加。它具有良好的强度和韧性。
• 马氏体 - 这是一种非常坚硬的钢晶体结构。它以德国冶金学家阿道夫·马滕斯的名字命名。它是通过快速冷却形成的，硬而脆。它是一种体心四方 (BCT) 形式的铁，其中溶解了一些碳。它是在淬火过程中形成的，当奥氏体的面心立方晶格变形为体心四方结构时，其所含的碳原子没有损失为渗碳体和铁素体。它是C原子在铁氧体中的过饱和溶液。这是一个硬亚稳相。当C小于0.6%时它具有板条形貌，当C大于1%时具有板形形貌，以及两者之间的混合。它具有高强度和高硬度和低韧性。
• 索氏体/屈氏体 - 具有极细薄片的下珠光体阶段的结构称为索氏体和屈氏体。珠光体阶段的转变结构与冷却速度的增加相对应。然而，它改变了结构比和珠光体的形成与薄片距离有关。在光学显微镜下无法看到该结构。
• Widmanstatten 铁素体 – 当亚共析普通碳钢快速冷却至高于 A3 温度的温度时获得。由于快速冷却，铁素体晶体不仅在晶界而且在大奥氏体晶粒内都没有时间成核。它们在晶粒内部迅速生长到某个优选的晶体方向，因此变得偏长。该结构要么呈针状（板条状），要么呈板状，倾向于在一个晶粒内沿同一方向排列。

Iron-C 图中有许多温度和临界点，从基本和实用的角度来看，它们都很重要。这些是在冷却或加热过程中发生相变和磁转变时的温度。在固态中发生转变的温度称为临界温度或临界点。主要温度和临界点如下。

• A0 温度——在加热过程中渗碳体发生磁性到非磁性变化时的居里温度。该结构会产生诸如位错、断层和空位等缺陷。渗碳体是金属和铁磁性的，居里温度约为 210 摄氏度。当合金化时，金属溶质替代铁位置；硼等较小的原子在间隙位置取代碳。
• A1 温度——发生共析转变时的温度（727 摄氏度）。在此温度下，珠光体在加热时变为奥氏体，反之亦然
• A2 温度——称为铁氧体的居里温度（768 摄氏度），铁磁体在加热时变为顺磁体。在此温度下，不涉及微观结构的变化
• A3 温度 - 这是铁素体刚从奥氏体开始形成的温度，在冷却亚共析钢时或在加热时最后痕量的游离铁素体转变为奥氏体。因此，它是对应于亚共析钢的 gamma + alpha / gamma 相界的温度，是钢中碳含量的函数，因为它从 0 % C 时的 910 摄氏度降低到 0.76 % C 时的 727 摄氏度. 又称亚共析钢的上临界温度。 A1和A3温度之间的温度区间称为奥氏体与铁素体平衡存在的临界范围。
• Acm 温度 - 这是在过共析钢中，前共析渗碳体刚开始从奥氏体形成（冷却时）的温度。它代表 gamma/gamma + Fe3C 相界的温度，是碳的函数。 Acm 线表明碳在奥氏体中的固溶度从 1148 摄氏度时的最大值 2.14% 迅速下降到 727 摄氏度时的最大值 0.76%，这是因为渗碳体在较低温度下的稳定性更高。额外的碳从奥氏体中沉淀出来，成为过共析钢中的前共析渗碳体（在铸铁中也称为二次渗碳体）。渗碳体与奥氏体的分离（冷却时）也伴随着热量的释放。
• A4 温度 - 这是奥氏体转变为 δ 铁的温度。该温度的最低值为 1394 摄氏度，这是纯铁的情况。随着碳含量的增加，该温度也会升高。
• Ms 温度 - 这是在冷却过程中奥氏体开始转变为马氏体的温度。
• Mf 温度 – 冷却过程中马氏体形成结束的温度。除了马氏体的形成之外，所有的变化都发生在冷却期间比加热期间更低的温度下，并且取决于温度的变化率。

奥氏体-铁素体相变 – 在平衡条件下，先共析铁素体在含碳量高达 0.76% 的铁碳合金中形成。该反应在纯铁中发生在 910 摄氏度，但在铁碳合金中发生在 910 到 727 摄氏度之间。然而，通过从奥氏体状态淬火到低于共析温度的温度，铁素体可以在低至 600 摄氏度的温度下形成。随着转变温度的降低，会出现明显的形态变化，这通常适用于亚共析和超共析相，尽管在每种情况下由于所涉及的相的精确晶体学存在变化。例如，奥氏体形成渗碳体的原理相同，但从形态上区分铁素体和渗碳体并不困难。

奥氏体-渗碳体转变 – 在逐渐降低的转变温度下形成不同形态的渗碳体。晶界同素异形体的初始发展与铁素体的发展非常相似，侧板或威德曼氏渗碳体的生长遵循相同的模式。异形体具有不反映其内部结晶对称性的形状。这是因为它倾向于在奥氏体晶粒表面形核，从而形成遵循晶界轮廓的层。尽管与奥氏体的取向关系更为复杂，但渗碳体板的结晶形式更为严格。与铁素体一样，大部分侧板来源于晶界同素异形体，但在渗碳体反应中，更多的侧板在奥氏体的孪晶界形核。

奥氏体-珠光体反应 – 珠光体是铁碳相图中最常见的微观结构。它是一个多世纪前由索比发现的，他正确地认为它是铁和碳化铁的层状混合物。它是多种钢材中非常常见的成分，对强度有很大贡献。这种类型的层状共析结构在钢的冶金学中很普遍。这些结构与细胞沉淀反应有很多共同之处。这两种类型的反应都是通过成核和生长发生的，因此是扩散控制的。珠光体核出现在奥氏体晶界上，但很明显它们也可能与先共析铁素体和渗碳体有关。在商品钢中，珠光体结节可以在夹杂物上成核。