铁碳相图深度解析：冶金学核心基石

铁碳相图

相图是合金研究中解决冶金学诸多实际问题的重要工具。这些图表定义了合金体系在恒定大气压条件下相稳定存在的区域。对二元体系，坐标为温度与成分。合金体系中相、温度、成分相互关系通常仅在平衡条件下由相图呈现。此条件发生于合金缓慢加热冷却时，转变动力学不起主要作用。

最简形式下，铁与钢是铁(Fe)与碳(C)合金。有三类铁碳合金：

1. 室温碳含量<0.0008%的铁
2. 碳含量0.008%-2.14%（通常<1%）钢，显微组织含铁素体与渗碳体
3. 碳含量2.14%-6.7%（通常<4.5%）铸铁

铁钢组织结构研究始于铁碳(Fe-C)相图（图1）。Fe-C相图也是理解热处理工艺基础。

图1 铁碳相图

Fe-C体系基本特征影响甚至最复杂合金铁钢行为。例如，简单二元Fe-C体系相在复杂钢中依然存在，但须考察合金元素对这些相形成性能的影响。Fe-C相图为普通碳素钢与合金钢知识构建提供宝贵基础。

C是Fe间隙杂质。与α、γ、δ相铁形成固溶体。α铁中C最大溶解度727°C时0.025%。体心立方(BCC)铁间隙位置较小。面心立方(FCC)γ铁中C最大溶解度1148°C时2.14%。FCC铁间隙位置较大。铁碳合金（铁与钢）力学性能取决于显微组织，即不同相如何混合。

图2铁碳相图实显示两个图：(i)稳定铁-石墨图(红线)，(ii)亚稳Fe-Fe₃C图。渗碳体亚稳，真实平衡在铁与石墨(C)间。石墨在铸铁大量存在，但在钢中难获此平衡相。稳定状态发展需极长时间，尤其低温低碳区。故通常使用亚稳Fe-Fe₃C图，因其对大多数钢实际行为相关。

Fe-C体系稳定亚稳相图细节，特别是富铁侧，比同等复杂度其他二元体系了解更透彻。但仍有大量温度、成分、压力范围（非直接关联炼铁炼钢）相图未充分确立。

图2 铁碳相图显示稳定与亚稳相

铁碳体系重要冶金相与微观成分

Fe-Fe₃C体系中，碳是Fe间隙杂质。与α(α铁素体)、γ(奥氏体)、δ(δ铁素体)相铁形成固溶体。这些是Fe-Fe₃C相图重要相。单相区间存在双相混合区：铁素体+渗碳体、奥氏体+渗碳体、铁素体+奥氏体。最高温液相区，以下为液相+奥氏体、液相+渗碳体、液相+铁素体双相区。钢热处理总避免液相。共晶点(4.26% C)液态合金冷却直接转变为奥氏体+渗碳体，无双相区。共析点(0.76% C)奥氏体冷却直接转变为铁素体+渗碳体，无双相区。单相区重要边界有专门名称便于理解相图。

铁钢平衡主要相

• 铁素体/α铁相：室温铁稳定形式。相对软低温相，稳定平衡相。910°C转变为FCC奥氏体(γ相)。铁素体为钢常见成分，BCC结构，堆积密度低于FCC。软、韧性好。768°C以下磁性。低强度好韧性。
• 奥氏体/γ铁相：高温相。C在FCC铁中固溶体，故FCC结构，密堆积结构。非磁性、韧性相。1394°C转变为BCC δ铁素体。共析温度(727°C)以下不稳定除非快速冷却。奥氏体强度韧性好。
• δ铁素体相：C在BCC铁中固溶体。仅>1394°C稳定。1538°C熔化。顺磁性。
• 渗碳体：Fe₃C即碳化铁。Fe与C金属间化合物。复杂斜方晶系结构，亚稳相。硬脆相。低抗拉强度、好抗压强度、低韧性。650-700°C极慢（数年）分解为α铁素体+C(石墨)。

对比奥氏体与铁素体，碳在奥氏体溶解度更大，最大值1148°C时2.14%。奥氏体高碳溶解度在热处理中极重要：奥氏体固溶处理后快速淬火至室温，允许形成碳在铁中过饱和固溶体。铁素体相受限，最大碳溶解度727°C时0.025%。常用钢碳范围0.05%-1.5%，铁素体通常以某种形式与渗碳体共存。δ相受限于1394-1538°C温度范围，碳含量达0.5%时完全消失。

共析成分合金(0.76% C)缓冷形成珠光体，为α-铁素体与渗碳体两相层状结构。珠光体为铁素体-渗碳体相混合物。有特征外观，可视为微观结构实体或微观成分。为交替铁素体渗碳体片层集合体，727°C以下长时保持退化(球化或粗化)为分散铁素体基体中渗碳体颗粒。为共析结构，BCC结构。Fe与C部分固溶体。力学性能介于软韧铁素体与硬脆渗碳体间。高强度低韧性。

亚共析合金含共析前铁素体(共析温度以上形成)与含共析铁素体渗碳体的共析珠光体。过共析合金含共析前渗碳体(共析温度以上形成)与含共析铁素体渗碳体的珠光体。

Fe-C体系非平衡凝固可形成额外显微组织类型。部分如下：

• 贝氏体：珠光体与马氏体间相。硬亚稳微观成分，由极细尺度非层状铁素体渗碳体混合物组成。上贝氏体高温形成，羽毛状。下贝氏体低温形成，针状。形成温度越低硬度越高。强度韧性好。
• 马氏体：极硬钢晶体结构。以德国冶金学家Adolf Martens命名。快速冷却形成，硬脆。体心四方(BCT)铁形式，部分碳溶解。淬火时奥氏体面心立方晶格畸变为体心四方结构，碳原子未损失形成渗碳体铁素体。铁素体中C原子过饱和固溶体。硬亚稳相。C<0.6%片状形貌，C>1%板状形貌，中间混合。高强高硬低韧性。
• 索氏体/托氏体：珠光体下级极细片层结构称索氏体/托氏体。为珠光体级对应冷却速度增加的转变结构。但改变结构比与珠光体片距形成。光学显微镜不可见。
• 魏氏铁素体：亚共析平碳钢从A₃温度以上快速冷却获得。因快冷，铁素体晶体来不及不仅在晶界、也在大奥氏体晶粒内核化。快速沿晶内优选晶向生长变长。结构呈针状(翅片)或片状，倾向单晶粒内同方向排列。

铁碳相图关键温度与临界点

铁碳相图中许多温度与临界点从基础实用角度均重要。这些是冷却或加热时相变与磁变发生温度。固态转变温度称临界温度或临界点。主要温度临界点：

• A₀温度：渗碳体居里温度，加热时磁性向非磁性转变(~210°C)。结构可产生位错、断层、空位缺陷。渗碳体金属铁磁性，居里温度~210°C。合金化时金属溶质取代铁位；硼等小原子取代间隙位碳。
• A₁温度：共析转变温度(727°C)。此温度珠光体加热变奥氏体，反之亦然。
• A₂温度：铁素体居里温度(768°C)，铁磁性铁素体加热变顺磁性。此温度无显微组织变化。
• A₃温度：亚共析钢冷却奥氏体开始析出铁素体温度，或加热最后游离铁素体转变为奥氏体温度。即亚共析钢γ+α/γ相界温度，为钢碳含量函数，随碳从0% 910°C降至0.76% 727°C。亦称亚共析钢上临界温度。A₁与A₃温度间隔称临界区间，奥氏体与铁素体平衡共存。
• Acm温度：过共析钢冷却奥氏体开始析出共析前渗碳体温度。代表γ/γ+Fe₃C相界温度，为碳函数。Acm线说明奥氏体碳固溶度随温度降低因低温渗碳体更稳定，从1148°C最大2.14%急剧降至727°C最大0.76%。过共析钢(铸铁称次生渗碳体)多余碳从奥氏体析出为共析前渗碳体。奥氏体析出渗碳体(冷却)伴随放热。
• A₄温度：奥氏体转变为δ铁温度。纯铁最低值1394°C。随碳含量增加温度升高。
• Ms温度：冷却时奥氏体开始转变马氏体温度。
• Mf温度：冷却时马氏体形成完成温度。除马氏体形成外，所有变化冷却时发生温度低于加热，依赖温度变化速率。

相变形貌演变

奥氏体-铁素体转变

平衡条件下，含碳≤0.76%铁碳合金析出共析前铁素体。纯铁反应在910°C发生，铁碳合金在910-727°C区间。然而从奥氏体区淬火至共析温度以下，铁素体可形成至600°C低温。随转变温度降低有显著形貌变化，一般适用于亚共析过共析相，虽各情况因相精确晶体学有差异。例如相同原理适用奥氏体析出渗碳体，但铁素体与渗碳体形貌易区分。

奥氏体-渗碳体转变

随转变温度逐渐降低形成不同形貌渗碳体。初始晶界异质晶核发育与铁素体极似，侧板/魏氏渗碳体生长遵循相同模式。异质晶核形状不反映内部晶体对称性，因倾向在奥氏体晶粒表面核化，形成沿晶界轮廓层。渗碳体片更严格遵循晶体学形式，尽管与奥氏体取向关系更复杂。同铁素体类似，大多侧板源自晶界异质晶核，但渗碳体反应中更多侧板在奥氏体孪晶界核化。

奥氏体-珠光体反应

珠光体是铁碳相图最熟悉显微组织。百年前Sorby发现，正确假设为铁与碳化铁层状混合物。为多种钢常见成分，提供实质强度贡献。此类层状共析结构在钢冶金学广泛存在。此类结构与胞状析出反应有很多共同点。两类反应均通过核化生长发生，故扩散控制。珠光体核在奥氏体晶界发生，但明显也与共析前铁素体渗碳体相关。商业钢中珠光体结核可在夹杂物上核化。