铁碳合金相图在实际生产中应用之我见
摘要：铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，实际应用中对于钢铁材料的应用以及热加工和
热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe
3C、Fe
2
C、
FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe
3C部分，通常称其为 Fe-Fe
3
C相图,相图中的
组元只有Fe和Fe
3
C。
关键词：相图分析结晶应用
一、铁碳合金基本相
1、铁素体δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：
C%=0.0218%）。
2、奥氏体γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形
3、渗碳体 Fe
3
C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
二、Fe-Fe
3
C相图分析
1、相图中的点、线、面
三条水平线和三个重要点
（1）包晶转变线HJB，J为包晶点。1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A
（2.11%C）+Fe
3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe
3
C三
相共存。共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。
（3）共析转变线PSK，S点为共析点。合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分
的A发生共析反应：A →F（0.0218%C）+Fe
3
C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）。共析
反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe
3
C三相共存。共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间, 其机械性能如下：抗拉强度极限σb≈770MPa 冲击韧性ak≈3×105J/m2～4×105J/m2 延伸率δ≈20%～35% 硬度：180HB
液固相线：液相线ABCD 固相线AECF
2、Fe-C合金平衡结晶过程
工业纯铁（C%≤0.0218%）：铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。
L →L+A →A →A+F →F →F+Fe
3C III
相组成物：F+Fe
3
C (C%>0.0008%)或 F（C%<0.0008%）
相相对量：F%= Fe
3
C%=
组织组成物：F和Fe
3C III
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。共析钢（C%=0.77%）：
相组成物：F和Fe
3
C
相相对量：F%= Fe
3
C%=
组织组成物：P
L →L+A →A →A+P →P
亚共析钢（0.0218%＜C%＜0.77%）：
L →L+A →A →A+F →A+P+F →P+F
相组成物：F，Fe
3C 相相对量：F%= Fe
3
C%=组织组成物：F、
P
P%= F%=
过共析钢（0.77%L →L+A →A →A+Fe
3C
II
→A+P+Fe
3
C
II
→P+Fe
3
C
II
相组成物：F，Fe
3C F%= Fe
3
C%=组织组成物：P，Fe
3
C
II
组织相对量： Fe
3C
II
%= P%=
共晶白口铁（C%=4.3%）：
L→L+Le→Le (A+Fe
3C
共晶
)→Le (A+Fe
3
C
共晶
+Fe
3
C
II
)→Le’(P+Fe
3
C
II
+Fe
3
C)
相组成物：F，Fe
3C F%= Fe
3
C%=
组织组成物：Le’
亚共晶白口铸铁（2.11%＜C%＜4.3%）：
相组成物：F%= Fe
3C%=组织组成物：P，Le’，Fe
3
C
II
过共晶白口铸铁（4.3%相组成物：F%= Fe
3
C%=组织组成物：Le’%=Lc%=
Fe
3
C%=
3、Fe-C合金的成分-组织-性能关系
含碳量——铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe
3
C两相组成, 两相的质量分数由杠杆定律确
定。随C%↑→F%↓，Fe
3
C%↑
含碳量——组织 F→ F+P→ PdP+Fe
3C
II
→ P+Fe
3
C
II
+Le’→ Le’→ Le’+Fe
3
C
II
→ Fe
3
C
含碳量——性能 HB：取决于相及相对量
强度：C%↑→σ↑，—— 0.9%↑→σ↓
塑性、韧性：C%↑→塑性↓、韧性↓
三、Fe- Fe
3
C相图的应用
Fe- Fe
3
C相图在生产中具有巨大的实际意义, 主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。
1. 在钢铁材料选用方面的应用 Fe- Fe
3
C相图所表明的成分-组织-性能的规律,为钢铁材料的选用提供了根据。
建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选用碳含量较低的钢材。
机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。
工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选碳含量高的钢钟。
纯铁的强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其导磁率高, 矫顽力低, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、犁铧、球磨机的磨球等。
2. 在铸造工艺方面的应用：根据Fe- Fe
3
C相图确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散缩孔少, 可以获得致密的铸件, 所以选在共晶成分附近。在铸钢生产中, 碳含量规定在0.15-0.6%之间, 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小, 铸造性能较好。
3.在热锻、热轧工艺方面的应用：钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此锻造或
