含说明的铁碳平衡图【相图】

在本文中，我们将讨论铁碳平衡图 、平衡图的用途、铁碳平衡图的类型以及与铁碳相图相关的各种相和术语。

什么是相位图？

相图 是不同温度、压力和化学成分条件下合金中存在的相的图形表示。

通过平衡图可以清楚地理解金属合金的凝固。这些是由于温度和浓度变化而导致的状态变化的图形表示。由于该图表示合金的性质和组成，以及给定系统中相的数量和组成，因此也称为组成图或相图。

平衡图特征和用途

平衡 意味着由于过程在一个方向上进行而在系统中发生的变化完全可以通过由于系统中过程的反转而引起的变化来补偿。因此，它被认为是结果为零的原子运动之间平衡的动态条件。

在实验过程中，温度或成分的变化速度非常缓慢，因此合金会在温度等变量再次改变之前“静止”。因此，条件是休息而不是变化。

平衡图说明如下：

1. 固体合金开始熔化和完成熔化的温度。

2. 由于改变成分或温度而可能发生的相变。

平衡图代表什么？

该图描述了两相或多相平衡存在的合适条件。例如，水相图描述了一个点（三点），水可以同时以三个不同的相共存。这发生在略高于冰点 (0.01°C) 和 0.006 atm 的温度。

平衡图在冶金中的使用

• 根据应用要求开发新合金。
• 这些合金的生产。
• 开发和实施适当的热处理程序，以改善这些新合金的化学、物理和机械性能。
• 解决这些新合金在使用过程中出现的问题，最终提高产品的可预测性。

铁碳平衡图

铁碳平衡图 （也称为铁碳相图）是合金铁 - 碳 (Fe-C) 的相应微观结构状态的图形表示，具体取决于温度和碳含量。

铁碳相图 常用来全面了解钢和铸铁的各个相。钢和铸铁都是铁和碳合金。此外，这两种合金都含有少量的微量元素。

该图相当复杂，但由于我们将调查范围限制在 Fe3C，因此我们只会查看高达 6.67 重量百分比的碳。

铁碳平衡图的类型

二元铁碳平衡图是钢和铸铁的基础。它涉及合金成分从纯铁到渗碳体（6.67% 碳）的转变。铁碳平衡图有两个版本：

1. 铁-渗碳体系统。 2. 铁-石墨系统。

这两个系统取决于冷却速度。快速冷却产生渗碳体，该系统称为铁-渗碳体系统 .在该系统中，凝固相中形成的结构没有达到足够完全的平衡。所以铁-渗碳体系统是一个亚稳态 一。

而缓慢冷却产生石墨，该系统称为铁石墨系统 .在凝固相中形成的结构达到足够完全的平衡。所以这是一个稳定的 一。

铁碳平衡图上的铁合金类型

铁碳相图 X轴上的重量百分比刻度 范围从 0% 6.67% 碳。该金属简称为铁或纯铁，最大碳含量为 0.008 碳的重量百分比。在室温下，它存在于铁氧体中 状态。

钢 是一种含碳量在0.008到2.14之间的铁碳合金 百分。此范围内的钢种称为低碳钢 （或低碳钢），中碳钢 , 和 高碳钢 .

当含碳量超过2.14 百分比，我们到达 铸铁 阶段。铸铁的硬度极高，但其脆性严重限制了它的应用和成型方法。

铁-水泥系统

如果对不同碳含量的钢制作一系列时间-温度加热曲线，并将相应的临界点绘制成类似于图 2.14 的图表。此图仅适用于缓慢冷却条件下，称为部分铁碳相图 .参考此图，可以很容易地观察到任何碳钢的适当淬火温度，图 2.14 中 PSK 线上的临界点用 A1 表示，GS 线上的临界点用 A3 表示，SE 线的临界点用 Acm 表示

含说明的铁碳平衡图

奥氏体

奥氏体 ，碳和其他成分在特定形式的铁中的固溶体，称为 γ (γ) 铁。让我们以一块 0.20% 的碳钢为例，它已被加热到 850°C 左右的温度。 Ar3 以上点（GS 线）这种钢是碳在 γ 铁中的固溶体（间隙型），称为 奥氏体 .它具有面心立方晶格，无磁性。

在 1130°C 的温度下，普通奥氏体可能含有高达约 2% 的碳。冷却这种钢后，铁原子开始在 Ar3 点（GS 线）下方形成体心立方晶格。这种正在形成的新结构称为铁素体或α铁 是碳在室温下含高达 0.008% 碳的 α 铁中的固溶体。

随着钢冷却到 Ar1，（PSK 线），形成额外的铁素体。在 Arı 线，剩余的奥氏体转变为一种称为 珠光体的新结构 .珠光体之所以得名，是因为它有珍珠般的光泽。它由交替的铁素体和渗碳体板组成，含有约 87% 的铁素体。珠光体可以是细到粗的层状或粒状结构。这是一种坚固的物质，可以用切削工具很好地切割，即钢中的珠光体成分是可加工的。

共析钢

随着钢的碳含量增加到 0.20% 以上，铁素体首先从奥氏体中排出的温度下降，直到在大约 0.80% 的碳（S 点）处，没有游离铁素体从奥氏体中排出。这种钢叫做共析钢 并且是 100% 珠光体 .

共析点

什么是共析点？

共析点 如前所述，在任何金属中，是在固溶体中发生变化的最低温度。

如果钢的碳含量大于共析（0.8% 碳），则在铁碳相图中观察到一条新线，用 Acm 表示（S 线）。该线表示碳化铁首次从奥氏体而不是铁素体中排出的温度。

碳化铁 (Fe3C) 被称为 渗碳体 .它非常坚硬、易碎，表现为平行板（层状层）、圆形颗粒（球体）或珠光体颗粒周围的包层。在 C 点，含 4.3% 碳的共晶混合物称为 莱氏体 .这在缓慢冷却的合金中很少见，因为它在凝固后的冷却过程中由于其不稳定的性质而分解成其他相。

亚共析和超共析

含碳量低于 0.80% 的钢称为 亚共析 碳含量超过 0.8% 的称为 过共析 钢。该术语仅适用于普通钢和低合金钢。对于高合金钢，共析成分会发生变化，甚至可能不存在结构。

首先需要指出的是，正常平衡图真正代表了铁和碳化铁（渗碳体）之间的亚稳态平衡。渗碳体是亚稳态的，真正的平衡应该在铁和石墨之间。

尽管石墨广泛存在于铸铁中（2-4 wt% C），但通常很难在钢中获得这种平衡相（0.03-1.5 wt% C）。因此，应考虑铁和碳化铁之间的亚稳态平衡，因为它与大多数钢在实践中的行为有关。

铁石墨系统

铁石墨系统

已经说过碳化铁或渗碳体是亚稳态的，尽管在正常条件下，它往往会无限期地持续存在。当渗碳体确实分解时，它会根据反应进行：

Fe3C <——–> 3Fe + C

在稳定相中，游离碳或石墨 发生而不是称为 cementite 的阶段 .在过冷度很小的情况下，当铸铁从液态凝固时会形成石墨。缓慢冷却促进石墨化 .快速冷却部分或完全抑制石墨化并导致渗碳体的形成。

铁-石墨系统（虚线）如图 2.14 所示。以含 3.5% 重量碳的碳合金为例进行说明

在点 1，合金处于液态。在冷却线第2点发生的反应可表示为：

图片

> 在第 2 点和第 3 点之间，奥氏体中的过量碳以游离石墨而不是渗碳体的形式沉淀出来。在点 3，发生共析反应。这表示为：

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共析转变的机制必须将一个固相转变为另外两个固相，两者的成分都与原来的不同。

以铁的共析分解为例，含0.8% C的奥氏体转变为铁素体（铁几乎不含碳）和渗碳体（Fe3C，含碳25 at%）。因此，碳原子必须一起扩散形成 Fe3C，留下铁素体。铁素体和渗碳体小板的晶核在奥氏体的晶界处形成，碳扩散发生在界面前方非常局部的尺度上（示意图如下）。

因此，板片生长，同时消耗奥氏体，形成珠光体。石墨化过程是通过改变冷却速度和适当合金化金属基体来控制的。

铁碳平衡图中使用的术语

共晶点

任何金属的共析点是固溶体发生变化的最低温度。

共晶反应发生在这些点，液相冻结成两个固相的混合物。当共晶成分的液态合金一直冷却到其共晶温度时，就会发生这种情况。

共晶合金是此时形成的合金。该点左右两侧的合金称为亚共晶合金和过共晶合金（希腊语中‘hypo’表示小于，‘hyper’表示大于）。

奥氏体

奥氏体，碳和其他成分的固溶体在称为γ（γ）铁的特定形式的铁中。

该相是碳在 FCC Fe 中的固溶体，最大溶解度为 2.14% C。在进一步加热时，它在 1395°C 转化为 BCC 铁氧体。 γ-奥氏体在低于共晶温度（727℃）时不稳定，除非迅速冷却。

Alpha 铁或铁氧体

α-铁氧体在低温和低碳含量下存在，是碳在 BCC Fe 中的固溶体。该相在室温下是稳定的。在图中，可以将其视为左侧边缘的条子，左侧为 Y 轴，右侧为 A2。该相在低于 768°C 时具有磁性。

如图所示，它的最大碳含量为0.022%，在912°C时转变为γ-奥氏体。

水泥

渗碳体是该合金的亚稳相，具有固定的 Fe3C 成分，是该合金的亚稳相。在室温下，它非常缓慢地分解成铁和碳（石墨）。

这种分解时间很长，比应用在室温下的使用寿命要长得多。其他因素，例如高温和某些合金元素的添加，可以通过促进石墨形成来影响这种分解。

渗碳体又硬又脆，是钢筋的理想选择。它的力学性能是由它的显微组织决定的，而显微组织又是由它与铁素体的混合方式决定的。

我们试图涵盖与铁碳相图相关的所有术语，包括其中使用的各种相和术语，以便更好地理解。希望您喜欢这篇关于铁碳平衡图的文章 .请在下面的评论中提供您的反馈。