【材料课堂】典型铁碳合金的平衡结晶及组织

　　根据铁碳合金的含碳量及组织不同，可将铁碳合金相图中所有合金分成三大类：工业纯铁、钢、白口铸铁：
　　工业纯铁含碳量小于0。0218的铁碳合金。
　　钢含碳量为0。02182。11的铁碳合金。根据其室温组织的不同，钢又分为三类：亚共析钢（0。02180。77C）、共析钢（0。77C）、过共析钢（0。772。11C）。
　　白口铸铁含碳量为2。116。69的铁碳合金。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为亚共晶白口铁（2。1l4。3C）、共晶白口铁（4。3C）、过共晶白口铁（4。36。69C）。
　　下面以几种典型的铁碳合金为例，分析其平衡结晶过程及组织转变。所选取的合金成分如图1所示。
　　图1典型铁碳合金在FeFe3C相图中的位置
　　工业纯铁的平衡结晶及组织
　　以含碳0。01的合金为例（图1中合金），其结晶过程示意图如图2所示。
　　图2含碳量为0。01的工业纯铁结晶过程示意图
　　合金溶液在12点温度区间，按匀晶转变结晶出固溶体，液相成分沿液相线AB变化，固溶体的成分沿AH线变化。冷到2点，匀晶转变结束，合金全部转变为固溶体。23点间无豪华，组织为固溶体。冷却到3点时，开始发生固溶体的同素异构转变A，A的晶核通常优先在相的晶界上形成，然后长大，这一转变在4点结束。45点合金全部呈单相奥氏体。冷到56点间又发生同素异构转变AF，铁素体同样是在奥氏体的晶界上优先形核长大，到6点结束，全部转变为F。67点F无变化。冷到7点时，碳在铁素体中的溶解量达到饱和，在7点以下将从铁素体中析出沿铁素体晶界分布的片状三次渗碳体Fe3C。所以工业纯铁的室温组织为铁素体和三次渗碳体，其显微组织如图3所示。在含碳量小于0。0218的工业纯铁中，随着含碳量的增加，Fe3C的量也增加，在P点处Fe3C的量达到最大值：
　　图3工业纯铁的室温平衡组织
　　共析钢的平衡结晶及组织
　　共析钢是含碳量为0。77的铁碳合金（图1中合金），其结晶过程示意图如图4所示。
　　图4共析钢结晶过程示意图
　　合金降温至l点，开始从液体中结晶出奥氏体。12点之间合金按匀晶转变结晶出奥氏体，结晶过程中液相的浓度沿BC线变化，奥氏体的浓度沿JE线变化，降温到2点凝固终了。23点之间组织为单相奥氏体组织。冷到3点（727），在恒温下发生共析转变，转变产物为珠光体（P），它是由铁素体与渗碳体两相呈片层相间组成的细密混合物，珠光体中的铁素体和渗碳体称为共析铁素体和共析渗碳体。转变刚结束时，共析铁素体和共析渗碳体的相对含量分别是：
　　在3点以后的冷却过程中，共析铁素体中的含碳量沿PQ线变化，共析铁素体中将析出Fe3C。在缓慢冷却条件下，Fe3C在共析铁素体和共析渗碳体的相界上形成，与共析渗碳体连在一起，显微镜下难以分辨，同时其数量也很少，对珠光体的组织和性能没有明显影响，因此可以认为共析钢的室温组织就是珠光体，如图5所示。
　　图5共析钢的室温平衡组织
　　在室温下，共析钢中的铁素体与渗碳体两相的相对量可按杠杆定律求得：
　　亚共析钢的平衡结晶及组织
　　以含碳0。45的合金为例（图1中合金），其结晶过程示意图如图6所示。
　　图6亚共析钢结晶过程示意图
　　合金在l2点之间按匀晶转变结晶出固溶体，冷到2点（1495），固溶体中碳的含量为0。09，液相中碳含量0。53，此时液相与固溶体发生包晶转变，形成奥氏体。由于合金中含碳量（0。45）大于0。17（包晶点成分），所以包晶转变终了以后，还有过剩的液相存在。从2点冷到3点，剩余的液相又以匀晶转变的形式继续结晶出奥氏体，所有奥氏体成分均沿JB线变化。冷到3点，合金全部由含碳量为0。45的奥氏体组成。单相奥氏体冷到GS线上的4点时，开始在奥氏体晶界上析出铁素体，称为先共析铁素体，随着温度的下降，先共析铁素体量不断增多，而奥氏体量不断减少。先共析铁素体中含碳量沿GP线变化，而剩余奥氏体中碳的含量则沿GS线变化。当温度降至与共析转变线相交的5点时（727），剩余奥氏体中碳的含量达到S点（0。77），于是发生剩余奥氏体的共析转变，形成珠光体。5点以下，先共析铁素体和珠光体中的共析铁素体都将析出三次渗碳体，但其数量很少，一般可忽略不计。故该合金的室温组织由先共析铁素体和珠光体所组成，如图7所示。
　　图7亚共析钢的室温平衡组织
　　含碳量低于0。53的亚共析钢，其结晶过程均与上述情况相似。
　　所有亚共析钢的室温组织都是由先共析铁素体和珠光体组成，其差别仅在于其中先共析铁素体和珠光体的相对量不同，含碳量越高，珠光体越多，而先共析铁素体则越少。它们的相对量均可用杠杆定律求得，如含碳0。45的合金合金，其组织组成物中先共析铁素体和珠光体的相对含量分别为（忽略三次渗碳体）：
　　同样，也可以算出相组成物的相对含量：
　　过共析钢的平衡结晶及组织
　　以含碳1。2的合金为例（图1中合金），其结晶过程示意图如图8所示。
　　图8含碳量为1。2的碳钢结晶过程示意图
　　合金在l2点间按匀晶过程转变为单相奥氏体后，冷到3点，开始从奥氏体析出二次渗碳体（又称先共析渗碳体，Fe3C，一般沿奥氏体晶界呈网状分布），直到4点为止。随着温度的下降及先共析渗碳体的不断析出，奥氏体含碳量沿ES线降低。当温度到达4点（727）时，奥氏体的含碳量降为0。77，因而在恒温下发生共析转变，奥氏体转变为珠光体，最后得到的室温平衡组织是网状的二次渗碳体和珠光体，如图9所示。
　　图9过共析钢的室温平衡
　　在过共析钢中，随着含碳量的增加，组织中二次渗碳体量不断增加，网状趋于完整并逐渐增厚。当含碳量达到2。11时，二次渗碳体的量达到最大值，其相对量可由杠杆定律算出：
　　共晶白口铁的平衡结晶及组织
　　共晶白口铁是含碳量为4。3的铁碳合金（图1中合金），其结晶过程示意图如图10所示。
　　图10含碳4。3的白口铸铁平衡结晶过程示意图
　　合金溶液冷到l点（1148）时，在恒温下发生共晶转变，形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体（称为莱氏体，Ld）。这种由共晶转变而结晶出的奥氏体与渗碳体，分别称为共晶奥氏体与共晶渗碳体，菜氏体即他们的混合物，其形态是呈颗粒状的奥氏体分布在渗碳体的基体上。当降温在12点之间，组织中的共晶渗碳体不再发生变化，而奥氏体却因碳的溶解度不断降低而在其周围不断析出二次渗碳体，它通常依附在共晶渗碳体上长大，从而使二者不易分辨。在该温度区间，奥氏体析出渗碳体后成分将沿ES线变化，当温度降至2点（727）时，共晶奥氏体的含碳量降至0。77，在恒温下发生共析转变，产物为珠光体。因此，在室温下共晶白口铁的组织是由珠光体与渗碳体组成的共晶体，这种组织叫低温莱氏体或变态莱氏体，如图11所示。
　　图11共晶白口铸铁室温平衡组织
　　低温莱氏体保留了高温下共晶转变产物的形态特征，但组成相奥氏体已发生了转变。组织中的黑色颗粒状部分为珠光体，白亮的基体是渗碳体。
　　亚共晶白口铁的平衡结晶及组织
　　以含碳3。0的合金为例（图1中合金），其结晶过程示意图如图12所示。
　　图12亚共晶白口铸铁的平衡结晶过程示意图
　　合金在12点之间，结晶出初晶奥氏体（先共晶奥氏体），此时液相成分沿BC线变化，而奥氏体成分沿JE线变化。温度降到2点（1148）时，剩余液相的成分达到共晶成分，发生共晶转变，变为莱氏体。在2点以下冷却时，初晶奥氏体和共晶奥氏体均析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿ES线降低。当温度达到3点（727）时，所有奥氏体的含碳量均达到共析成分，发生共析转变，初晶奥氏体和共晶奥氏体都转变为珠光体。所以室温时亚共晶白口铁的组织由珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体组成。初晶奥氏体中析出的二次渗碳体，也依附在共晶渗碳体上成长而难于分辨，只能见到大块状树枝珠光体和低温莱氏体，如图13所示。
　　图13亚共晶白口铁的室温组织
　　根据杠杆定律，该铸铁组织组成物中低温莱氏体、初晶奥氏体转变得到的珠光体以及从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体的相对含量分别为：
　　即含碳3。0的亚共晶白口铁在室温下其平衡组织中低温莱氏体约有40。64，初晶奥氏体中析出的二次渗碳体和其转变得到的珠光体分别为13。44、45。92。
　　过共晶白口铁的平衡结晶及组织
　　以含碳5。0的合金为例（图1中合金），其结晶过程示意图如图14所示。
　　图14过共晶白口铸铁的结晶过程示意图
　　合金溶液冷却到12点之间，从液体中结晶出粗大的条片状先共晶渗碳体（称为一次渗碳体，Fe3C），并且液相的成分沿DC线变化。在2点（1148），剩余液相已达到共晶成分，发生共晶转变，变为由共晶奥氏体和共晶渗碳体组成的莱氏体。在23点之间，共晶奥氏体中析出二次渗碳体，到3点（727）时，奥氏体为共析成分，转变为珠光体。3点以下直到室温，组织再无什么变化。因此，过共晶白口铁的室温组织为一次渗碳体和低温菜氏体，如图15所示。图中自亮色的长条状（板状）为初生渗碳体，基体为莱氏体，其中黑点为珠光体，白色部分为渗碳体。
　　图15过共晶白口铸铁的显微组织
　　根据上述分析结果，各类铁碳合金的室温平衡组织如表1中，并将各类铁碳合金结晶过程中的组织变化填入铁碳合金相图中，得到按组织分区的铁碳合金相图，图16所示。
　　表1铁碳合金的室温平衡组织
　　图16按组织分区的铁碳合金相图
　　值得注意的是，以上介绍的是铁碳合金的平衡组织。而在实际生产中所使用的组织，大多数情况下都不是平衡组织。需要根据实际情况改变其组织而获得相应的性能。
　　文章来源：MSE原创，转载请注明材料科学与工程