铁碳相图6问

1. 什么是铁碳（Fe-Fe₃C）相图？

答：铁碳合金相图是描述在极其缓慢加热或极其缓慢冷却的条件下铁碳合金的不同成分、温度、组织之间的关系图，它的前提是：

①铁与碳的成分组成；

②是在极其缓慢的转变过程组织形成过程；

③Fe₃C实际是亚稳相，在一定条件下可以分解为铁固溶体和石墨，所以铁碳相图实际上还含有铁-石墨相图，这样的双重相图；

④大于6.69%的铁碳合金由于脆性极大，没有使用价值，没有列入研究范围。铁碳相图如图1-1：

图1-1  Fe-Fe₃C相图

在热处理过程中，相图中的左上角的ABN的实际运用意义不大，可以不考虑组织。但是GPQ相区有实际意义，不要忽略。

相图中的特性线：

ACD线：铁碳合金的液相线；

AECF线：铁碳合金的固相线；

GS线：冷却时奥氏体析出铁素体的开始转变线，用A₃表示；

ES线：碳在奥氏体中溶解度线，用A_cm表示；

ECF水平线：共晶转变线，L_4.3→A_0.77+Fe₃C， 转变温度1148℃；

PSK水平线：共析转变线，A_0.77→Fe_0.0218+ Fe₃C;用A₁表示，转变温度727℃。

共计6个主要特性线。

相图中的相区（忽略ABN相区），见表1-1，共计12个相区，其中：5各单相区，5个双相区，2个三相区。

表1-1：Fe-Fe₃C相图的相区及组成

2. 杠杆原理是什么？

答：某一成分的二元合金（图1-2）在某温度时，处于二元相图的两相区内，则两相之间的质量比可用“杠杠法则”求得。在此温度处做一个水平线与该两相区的相界线相交，两个交点内水平线被合金的成分垂线分成两段，两相的质量比与这两线段的长度成反比，用相对百分数表示，这个现象好像力学中的杠杆，所以称为“杠杆定律”。 

杠杠定律计算公式：

根据图1-2，图中一个水平线与两相区的相界线分别是液相成分S点和固相成分F点，S点的浓度是X₁，F点的浓度是X₂。

C的相组成是X₁浓度的液相（假设质量是W_L）和X₂浓度的固相（假设质量W_S）：

W_L / W_S = MF / SM          （1）

或：

W_L=MF/SF×100%;              （2）

W_S=SM/SF×100%

图1-2  二元相图

在铁碳平衡相图中：

①、利用杠杆定律计算：45钢退火之后的珠光体P和铁素体F相对含量各是多少？

W_F =(0.77-0.45)/(0.77-0.0218)×100%=42.7%；

W_P =(0.45-0.0218)/(0.77-0.0218)×100%=57.2%；

②利用杠杆定律计算：3.5%亚共晶白口铁在室温下组织P、Fe₃C_Ⅱ、L′_d 的相对含量各是多少？按相组成物计算F和Fe₃C的相对含量各是多少？

W _L’d =(3.5-2.11)/(4.3-2.11)×100%=63.47%;

W _P+Fe3CⅡ = (4.3-3.5)/(4.3-2.11)×100%=36.53%;

W_P =(6.69-2.11)/(6.69-0.77)×W _P+Fe3CⅡ =28.26%;

W _Fe3CⅡ = (2.11-0.77)/( 6.69-0.77)×W _P+Fe3CⅡ =22.64%

W _Fe3C =3.5/6.69×100%=52.32%;

W_F =(6.69-3.5)/6.69×100%=47.68%

3. 什么是钢的临界转变温度和临界点？有什么意义？

答：Fe-Fe₃C相图中共析转变线A₁，亚共析钢A₃，以及过共析钢Acm称为碳钢的加热或冷却临界转变温度。

Fe-Fe₃C相图是平衡状态图，是理想的加热和冷却情况，但是实际热处理的加热和冷却的相变是不平衡的条件下完成的。其相变点和平衡铁碳相图是有差异的。加热时相变温度偏向高温，冷却时温度偏向低温，有滞后现象。加热时钢的临界转变温度分别用Ac₁，亚共析钢Ac₃，以及过共析钢Ac_cm来表示；冷却时钢的临界转变温度分别用Ar₁，亚共析钢Ar₃，以及过共析钢Ar_cm来表示；这些温度偏移曲线就是钢的实际转变临界点。

4. 铁碳相图中基本组织的力学性能是什么？

答：铁碳相图中基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、石墨，珠光体。其中室温相有铁素体、渗碳体、珠光体、石墨，奥氏体是高温相。

室温相铁素体是软韧的相基本力学性能：

σ_b=10~24MPa;

σ_s=10~18 MPa;

HB=50~80 MPa;

δ=30~50%;

ψ=70~80%;

α_k=160~200J/cm²。

渗碳体是脆性相：HB=800 MPa; δ≈0;

珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，取决于珠光体的分散程度，一般是：

粗珠光体的力学性能：

≈130HB，

σ_b≈735MPa；

δ≈20~35%;

α_k=29.4~39.2J/cm²。

细珠光体的硬度≈250~320HB。

奥氏体组织的力学性能：

σ_b=352~704MPa;

HB=170~220 MPa;

δ=40~50%。

5. 碳在铁碳合金中存在形式是什么？

答：碳在铁碳合金中的存在形式：

其一，在平衡状态时：与一些合金元素形成碳化物，即化合物相存在；当钢中有几种能形成碳化物的合金元素时，形成规律是：当碳含量比较低时，强碳化物形成元素优先与碳结合，随着碳含量增加，弱碳化物形成元素才能形成碳化物。对于400℃以上的回火处理时：碳化物的形成规律与在平衡状态时相反，而在400℃以下的回火处理时对碳化物形成没有什么影响。

其二，溶解于基体（固溶体——奥氏体、铁素体）中；以间隙固溶体形式存在。

其三，自由状态存在，过量的碳以石墨形式存在，例如在球铁中的球状石墨。

6. 碳在铁碳合金中的作用是什么？

答：纯金属Fe的同素异构是热处理的相变基础，但是在材料的力学性能上提高不多。碳元素的引入使纯金属铁形成固溶体，获得固溶强化，适当的碳量还能形成合金化合物。在铁碳合金相图中的平衡组织，碳对组织性能的影响见图：

碳含量对平衡状态下钢组织的力学性能的影响，当钢中碳的质量分数低于0.9%时,随着碳含量的增加,钢的强度硬度直线上升,塑性韧性不断下降.当碳含量大于0.9%时,由于出现二次碳化物网,钢的塑性、韧性进一步降低，同时强度也明显下降。所以实际用的钢种，为了保证足够的强度和一定的塑性、韧性，碳含量一般不超过1.3~1.4%。

铁碳合金的基体的淬火硬度主要来自于碳的固溶强化作用。

图1-3 碳钢的机械性能与含碳量的关系