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铁碳相图简史 简介 铁碳平衡图（iron-carbon equilibrium diagram），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Fe3C 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710℃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. Bakhius Roozeboom)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。 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A