铁碳相图简史

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1、铁碳相图简史简介铁碳平衡图（iron-carbonequilibriumdiagram），又称铁碳相图或铁碳状态图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标，表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。释义纯铁有两种同素异构体，在912℃以下为体心立方的α－Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe；在1394～1538℃(熔点)又呈体心立方结构，即δ－Fe。当碳溶于α－Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于γ-Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)，碳含量超过

2、铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体(Fe3C)形式存在。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。但这过程在室温下是极其缓慢的；即使加热到700℃，Fe3C分解成稳定相也需几年(合金中含有硅等促进石墨化元素时，Fe3C稳定性减弱)，石墨虽然在铸铁(2～4%C)中大量存在，但在一般钢(0.03～1.5%C)中却较难形成这种稳定相。Fe－Fe3C平衡图有重要的意义并得到广泛的应用。图1中的实线绘出亚稳的Fe-Fe3C系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe-C（石墨）系；平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3

3、C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。理论发展早在1868年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度“a”以上再快冷，才能使钢淬硬，从而有了临界点的概念。至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）等利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的温度视加热或冷却(分别以Ac和Ar表示)过程而异。奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳，则在690或71

4、0℃左右出现临界点，即Ar1点，标志在此温度以上碳溶解在铁中，而在低于这一温度时，碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来，随铁中碳量提高，Ar3下降而与Ar2相合，然后断续下降，至含碳为0.8～0.9%时与Ar1合为一点。1904年又发现A4至熔点间为δ铁。以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本(H.W.BakhiusRoozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律，于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。用

5、途铁碳平衡图是研究碳钢和铸铁的基础，也是研究合金钢的基础，它的许多基本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意义，如在简单二元Fe-C系中出现的各种相，往往在复杂合金钢中也存在。当然，需要考虑到合金元素对这些相的形成和性质的影响，因此研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳平衡图开始。工程上依据Fe-Fe3C平衡图把铁碳合金分为三类，即工业纯铁(C≤0.021%)、钢(0.021～2.11%C)和铸铁(2.11～6.69%C)。其他在制定钢铁材料的铸造、锻轧和热处理工艺等方面，也常以铁碳平衡图为依据。实际加热时钢铁的临界点往往高于Fe-Fe3C平衡图上的临

6、界点，冷却时则低于平衡图的临界点。如图3所示，习惯上以A表示平衡图上的临界点，沿用奥斯蒙以法文加热的首字母c及冷却的首字母r分别标志加热和冷却，Ac表示加热时的临界点，Ar表示冷却时的临界点。一些解释热处理Ac3、Ac1是一个温度代号，不同含碳量的钢种、不同合金元素含量的钢种，其热处理Ac、3Ac1是不同的，最早Ac3、Ac1的定义来自于铁碳合金，现在已经推广到合金钢了，其历史渊源是：法语加热chaude、冷却refroidir、A代表临界点，c代表加热，r代表冷却，这些都是法语首字母，比如A是法语临界点的首字母，c是法语加热的首字母，r是法语冷却的首字母

7、。在铁碳相图上，人们为了便于应用，命名230°的温度（渗碳体的居里点）为A0，727度为A1（铁碳相图的PSK线），770度（铁素体的居里点，磁性转变点）为A2，727～912°为A3（铁碳相图的GS线），1394～1495度为A4（铁碳相图上面的NJ线）。由于加热会有过热度，冷却会有过冷度，所以实际应用中会跟铁碳相图上测量的温度有偏差，故此，A、Ac、Ar虽然都是一个意思，但是由于过热、过冷的原因，是有一些不一样的，故此分别来命名。一些临界温度临界温度钢加热和（或）冷却时，发生相转变的温度。对合金钢而言，重要的有：（1）Ac1钢加热时，开始形成奥氏体的温

8、度。（2）Ac3亚共析钢加热时，所有铁素体都转变为奥氏体的温度。（