铁碳相图详解：平衡图、关键相与工程应用

本文深度解析铁碳平衡图、用途、类型及相关相变与术语。

什么是相图？

相图是合金在不同温度、压力、化学成分下相组成的图形表示。金属合金凝固规律通过平衡图清晰呈现。平衡图反映温度、浓度变化引起的状态变化，指示合金性质、组成、相种类、数量及成分，故亦称组织图或相图。

平衡图特征与用途

平衡指系统正向过程变化被逆向过程完全补偿，原子运动动态平衡，宏观结果为零。实验中温度/成分变化极缓慢，使合金充分“静止”后再改变变量，属静止态而非变化态。

平衡图指示：

1. 固态合金开始熔化与熔化终了温度。
2. 改变成分或温度引发的可能相变。

平衡图的物理意义

描述两相或多相共存平衡的条件。如水相图三相点（0.01°C、0.006 atm）水可三相共存。

平衡图在冶金学中的用途

• 按应用需求开发新合金。
• 生产新合金。
• 制定热处理工艺改善化学/物理/力学性能。
• 排查新合金使用问题，提升产品可预测性。

铁碳平衡图

铁碳平衡图（铁碳相图）是铁碳合金（Fe-C）随温度与含碳量变化的微观组织状态图。钢与铸铁均为 Fe-C 合金，含微量杂质。因关注 Fe₃C，仅考察 ≤ 6.67 wt% C 区域。

铁碳平衡图类型

二元铁碳平衡图是钢铁基础，涵盖纯铁至渗碳体（6.67% C）成分范围的转变。按冷却速度分两体系：

1. 铁-渗碳体体系（亚稳态）：快冷得渗碳体，固态相未达充分平衡。
2. 铁-石墨体系（稳态）：慢冷析出石墨，固态相达充分平衡。

铁碳平衡图上的铁碳合金分类

横轴含碳量 0–6.67 wt%。

• 纯铁/工业纯铁：C ≤ 0.008%，室温为铁素体。
• 钢：C 0.008–2.14%。细分低碳钢（软钢）、中碳钢、高碳钢。
• 铸铁：C > 2.14%，极硬但脆性大，成形应用受限。

铁-渗碳体体系

不同含碳钢加热曲线临界点绘制得部分铁碳相图（仅适用缓冷条件）。可直接读取任意碳钢淬火温度。PSK 线临界点记 A₁，GS 线记 A₃，SE 线记 Acm。

铁碳平衡图详解

奥氏体

奥氏体：碳等在 γ-Fe（面心立方）中形成的间隙固溶体。例 0.20% C 钢加热至 850°C，A₃（GS 线）以上为奥氏体，非磁性。最多溶解 ~2% C（1130°C）。冷却至 A₃ 以下铁原子转为体心立方，析出铁素体（α-Fe）（室温溶碳 ≤ 0.008%）。继续冷却至 A₁（PSK 线）析出更多铁素体，A₁ 线剩余奥氏体转变为珠光体（因珠光状得名），由铁素体与渗碳体交替薄层组成，含 ~87% 铁素体。珠光体可为细/粗片层或球粒状，可切削加工。

共析钢

含碳量升至 0.80% C（S 点）以上，奥氏体不再析出游离铁素体，全转变为珠光体，称共析钢（100% 珠光体）。

共析点

什么是共析点？

固溶体发生相变的最低温度。含碳 > 共析成分（0.8% C）时，相图出现 Acm 线（SE 线），指示渗碳体（Fe₃C）而非铁素体从奥氏体析出。渗碳体极硬脆，呈平行板层、球粒或包裹珠光体晶界。C 点共晶成分 4.3% C 称渗碳体共晶，缓冷下稀见（凝固后分解）。

亚共析与过共析钢

C < 0.80% 称亚共析钢；C > 0.80% 称过共析钢。仅适用普通/低合金钢，高合金钢共析成分偏移甚至不存在。
常规平衡图实为铁-渗碳体亚稳平衡。渗碳体亚稳，真平衡应为铁-石墨。铸铁（2–4% C）易得石墨，钢（0.03–1.5% C）难得平衡石墨相，故工程上以亚稳铁-渗碳体平衡为准。

铁-石墨体系

渗碳体虽亚稳但常温下无限持久。分解反应：Fe₃C → 3Fe + C。稳态相中以游离碳/石墨代替渗碳体。微度过冷铸铁凝固时析出石墨。缓冷促石墨化，快冷抑制石墨化生成渗碳体。
图 2.14 虚线为铁-石墨系。以 3.5% C 合金为例：
① 液态 → ② 冷却线上反应：L → γ + 石墨
②–③ 奥氏体过饱和碳析出石墨非渗碳体。③ 共析反应：γ (0.8% C) → α + 石墨。
共析分解机制：单相转变为两异组分新相。以铁共析为例，奥氏体 (0.8% C) → 铁素体 (近零 C) + 渗碳体 (Fe₃C, 25 at% C)。碳原子短程扩散聚集成 Fe₃C，留下铁素体。奥氏体晶界核生微小铁素体/渗碳体片层，碳在界面前沿局部扩散，片层长大吞噬奥氏体形成珠光体。石墨化受冷却速率与合金化调控。

铁碳平衡图关键术语

共晶点

固溶体相变最低温度。液相凝固为两固相混合物。共晶成分合金冷却至共晶温度发生共晶反应。共晶点两侧合金称亚共晶与过共晶（hypo=少于，hyper=大于）。

奥氏体

碳在 γ-Fe (FCC) 中固溶体，最大溶解度 2.14% C。升温至 1395°C 转为 BCC 铁素体。共析温度 (727°C) 以下不稳定，除非快冷。

α-铁 / 铁素体

低温低碳区稳定相，碳在 BCC Fe 中固溶，室温稳定。图中左侧狭窄区域（左 Y 轴至 A₂ 线）。768°C 以下强磁性。最大含碳 0.022%，912°C 转 γ-奥氏体。

渗碳体

Fe₃C 固定成分亚稳相。室温极缓慢分解为铁+石墨，分解时间远超使用寿命。高温及特定合金元素促进石墨化。渗碳体高硬脆，是钢强化相。力学性能取决于其与铁素体复合显微组织形态。

本文系统梳理铁碳相图各相、术语与工程意义，助您深入理解钢铁热处理基础。欢迎评论反馈。