铁碳相图深度解析：钢铁材料微观组织与相变关键

铁碳相图

铁碳相图广泛用于理解钢和铸铁的不同相。两者均为铁碳合金，并含少量微量元素。图表虽复杂，但我们将探讨限于Fe₃C，故仅关注6.67 wt.%碳以内范围。

铁碳相图横轴为碳质量分数，纵轴为温度。图示Fe-C平衡图展示加热冷却过程中获得的各种组织、相及钢铁微观成分。下文讨论主要组织、各线意义及临界点。

Fe-C相图中的主要微观组织

铁钢主要微观成分：

• 奥氏体
• 铁素体
• 渗碳体
• 珠光体

1. 奥氏体

游离碳(铁素体)在γ铁中形成的固溶体。加热钢材超过上临界温度后，组织完全转变为奥氏体，质硬、延展、非磁性。能溶解大量碳。处于加热冷却临界/转变区间。钢含碳至1.8%在1130℃形成。冷却至723℃以下开始转变为珠光体和铁素体。奥氏体钢不能通过常规热处理硬化，无磁性。

2. 铁素体

铁中含极少或无碳。纯铁晶体称铁素体，质软延展。低碳钢缓冷至临界温度以下产生铁素体组织。快冷不硬化。极软、强磁性。

3. 渗碳体

碳与铁化学化合物，即碳化铁(Fe₃C)。含碳6.67%铸铁具完全渗碳体组织。含碳>0.83%钢中游离渗碳体存在，随碳%增加而增加(Fe-C平衡图反映)。极硬。铸铁硬脆被认为源于渗碳体存在。降低抗拉强度。碳以碳化铁形式与铁结合形成极硬碳化物。铸铁脆硬主要受渗碳体控制。200℃以下有磁性。

4. 珠光体

铁素体和渗碳体的共析组织。特别在中低碳钢中以机械混合物形式存在，铁素体:渗碳体比87:13。硬度随铁素体中珠光体比例增加而提高。珠光体相对强硬延展，铁素体弱软延展。由明暗交替薄层构成，交替为铁素体和渗碳体。显微镜下表面似珍珠光泽，故名珠光体。硬钢为珠光体+渗碳体混合，软钢为铁素体+珠光体混合。

碳含量超0.2%时，铁素体从奥氏体析出温度下降，至0.8%以上碳时无游离铁素体析出。此钢称共析钢，组成即珠光体。含碳至6%铁加热冷却时，以下相变线揭示铁组织及其变化。

相变线的意义

1. ABCD线

加热铁时，此线以上熔化完成。熔融金属纯液相。此线与AHJECF线之间金属半固半液。固相为奥氏体。ABCD线代表熔化完成温度。此线以上金属全熔融。非水平线，熔点随碳含量变化。

2. AHJECF线

金属开始熔化温度线。非水平，熔点随碳含量变化。此线与GSEC线之间金属固相，组织为奥氏体。

3. PSK线

约723℃水平线，称下临界温度线，钢相变起始线。碳%不影响，不同碳%钢同温度转变。此线至GSEC范围称转变区。此线指示碳≤0.8%钢加热时从铁素体+珠光体开始转变为奥氏体。

4. ECF线

1130℃温度线。指示碳2%-4.3%铸铁。此线与SK线之间铸铁组织为奥氏体+渗碳体+莱氏体。

常见问题解答

什么是铁碳图？

Fe-C图(铁碳相图/平衡图)是铁碳合金(Fe-C)随温度和碳含量变化的微观组织状态图形表示。解释此图需先了解金属结构和纯铁。

如何阅读铁碳图？

为什么铁碳图称平衡图？

碳化铁为亚稳相。故铁-碳化铁图虽技术上代表亚稳条件，但在相对缓慢加热冷却条件下可视为平衡变化。

铁碳相图有哪些相？

关注相区：铁素体、渗碳体、奥氏体、铁素体+渗碳体、铁素体+奥氏体、奥氏体+渗碳体相区。

什么是碳平衡图？

铁碳平衡图(铁碳相图)是铁碳合金(Fe-C)随温度和碳含量变化的微观组织状态图形表示。

共析钢碳百分比？

含0.8%C钢称共析钢。室温平衡微观组织为珠光体。

什么是低碳钢？

铁碳铁素体金属。低价材料，性能适合大多数通用工程应用。高铁含量赋良好磁性，属铁磁性。

钢由什么制成？

铁碳合金，碳含量≤2%(更高则为铸铁)。最广泛用于世界基建和工业材料，从缝衣针到油轮皆由此制造。

铁碳化铁图中A₀温度意义？

A₁线为共析温度线，是f.c.c.铁在平衡条件下存在的最低温度。A₁线刚上方微观组织约25%奥氏体、75%铁素体。

铁碳图中临界温度？

亚共析钢γ+α/γ相界对应温度，为钢碳含量函数，从0%C的910℃降至0.76%C的727℃。亦称亚共析钢上临界温度。

铁碳图中共析温度？

共析反应描述一固相转变为两不同固相。Fe-C系统在约0.8wt%C、723℃有共析点。平碳钢共析温度上方相称奥氏体/γ相。

铁碳图重要性？

广泛用于理解钢铸铁不同相。两者均为铁碳混合物并含少量微量元素。

碳是FCC吗？

碳在FCC相(相图γ区)溶解度大于BCC相。碳百分比决定从FCC相或液态铁冷却时形成铁合金类型：α铁、碳钢(珠光体)、铸铁。

如何判断BCC或FCC？

原子排列最直接区别：FCC八角心+六面心各有原子；BCC八角心+立方体心各有原子。

钢是BCC还是FCC？

α相称铁素体。铁素体是钢常见成分，具体心立方(BCC)结构[堆积密度小于FCC]。

什么是铁碳平衡？

平衡条件下，含碳≤0.8%铁碳合金析出前共析铁素体。纯铁910℃反应，铁碳合金在910-723℃间进行。

铁碳图中珠光体？

渗碳体和铁素体共析混合物。Fe-Fe₃C相图非真平衡，因碳化铁不稳定，长时热处理分解为铁和碳(石墨)。

铁碳图中铁素体？

称α固溶体。少量碳溶于α(BCC)铁的间隙固溶体。最大溶解度723℃时0.025%C，室温仅0.008%C。图中最软组织。

哪个是近纯铁相？

纯铁(α-铁/铁素体)910℃以上晶体结构变化形成γ-铁/奥氏体。

为什么ACM线比A3线陡峭？

Acm线远陡于A3线，意味着商业钢中前共析渗碳体量虽小，但需过高温度加热溶解该渗碳体以实现奥氏体完全均匀化。