铁碳合金的平衡结晶过程
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：
⑴工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。
⑵碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。
⑶白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）
下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。
图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置
㈠ 工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程
合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。温度降低到3点以后，开始从d 铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，d 铁素体全部转变为奥氏体。在4~5点之间，不发生组织转变。冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。在6-7点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为：
%31.0%1000008.069.60008.00218.03=?--=ⅢC Fe Q 。图3-27为工业纯铁的冷却曲线及
组织转变示意图。工业纯铁的室温组织为a+Fe 3C III ，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界是Fe 3C III 。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400×
㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程
共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。合金液体在1 ~ 2 点间通过匀晶反应转变为奥氏体。在2 ~ 3点之间,不发生组织转变。到达3点以后，发生共析转变：g 0。77 ? a 0。0218 +Fe 3C ，由奥氏体相同时析出铁素体和渗碳体。反应结束后，奥氏体全部转变为珠光体。继续冷却会从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体，但是它们往往依附在共析渗碳体上，难于分辨。共析钢的室温组织为100%的珠光体，如图3-30所示。由图3-30可以看出，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈指纹状，其中白色的基底为铁素体，黑色的层片为渗碳体。室温下珠光体中两相的相对重量百分比为：
，%5.88%1000008.069.677.069.6=?--=αQ %5.11%5.88%1003=-=C Fe Q 。
图3-29 共析钢的冷却曲线及组织转变示意图图3-30 珠光体组织400×
㈢亚共析钢（图3-27中合金③）的结晶过程
含碳量在0.09%~0.53%之间的亚共析钢结晶时将发生包晶反应。现以含0.45%C的钢为例分析亚共析钢的结晶过程，其冷却曲线及组织转变示于图3-31。该合金从液态缓慢冷却到1点后，发生匀晶反应,开始析出d铁素体。到达2点温度时，匀晶反应停止，开始发生包晶转变：L0.53 + d0.09? g0.17。包晶转变结束后，除了新形成的奥氏体外，液相还有剩余。温度继续下降，在2-3点之间，剩余的液相通过匀晶反应全部转变为奥氏体。在3-4点之间，不发生组织变化。冷却到4点，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降低，铁素体数量增多。温度降到5点，奥氏体的成分沿GS线变化到S点，此时，奥氏体向铁素体的转变结束，剩余的奥氏体发生共析反应：g0.77? a0.0218 + Fe3C，转变为珠光体。温度继续下降，从铁素体中析出三次渗碳体，但是由于其数量很少，因此可忽略不计。亚共析钢的室温组织为珠光体+铁素体，如图3-32所示，图中的白色组织为先共析铁素体，黑色组织为珠光体。
图3-31 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图
(a) 0.20%C (a) 0.45%C
图3-32 亚共析钢的显微组织400×
室温下，含0.45%C亚共析钢中先共析铁素体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：%6.41
%
4.
58
%
100
%
4.
58
%
100
0008
.0
77
.0
0008
.0
45
.0
=
-
=
=
?
-
-
=α
Q
Q P，
。而铁素体和渗碳体两相的相对重量百分比为：%3.93
%
7.6
%
100
%
7.6
%
100
0008
.0
69
.6
0008
.0
45
.0
3
=
-
=
=
?
-
-
=α
Q
Q C
Fe
，
。
在
0.0218%~0.77%C 围珠光体的相对重量随含碳量的增加而增加。由于室温下铁素体中含碳量极低，珠光体与铁素体密度相近，所以在忽略铁素体中含碳量的情况下，可以利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，近似地估算亚共析钢的含碳量：
%77.0%%?=面积P C 。式中，P Q P =面积，为珠光体的面积百分比。
㈣ 过共析钢（图3-26中合金④）的结晶过程
过共析钢的结晶过程及组织转变示于图3-33。合金液体在1~2点间发生匀晶转变，全部转变为奥氏体。冷却到3点后，开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，并在晶界上呈网状分布。在3~4点之间，二次渗碳体量不断增多。温度降到4点，二次渗碳体析出停止，奥氏体成分沿ES 线变化到S 点，剩余的奥氏体发生共析反应：g 0.77 ? a 0.0218 + Fe 3C ，转变为珠光体。继续冷却，二次渗碳体不再发生变化，珠光体的变化同共析钢。过共析钢的室温组织为珠光体 +网状二次渗碳体，如图3–34所示，图中的白色网状的是二次渗碳体，黑色为珠光体。
室温下，含1.2%C 过共析钢中二次渗碳体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：
%74.92%26.7%100%26.7%10077
.069.677.02.13=-==?--=
P C Fe Q Q ，。 过共析钢中Fe 3C Ⅱ的量随含碳量增加而增加，当含碳量达到2.11%时，Fe 3C Ⅱ量最大：
%6.22%10077.069.677.011.23=?--=ⅡC Fe Q 。
图3-33
过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图
(a) 硝酸酒精浸蚀 (b) 苦味酸钠浸蚀
图3-34 过共析钢的显微组织 400×
㈤ 共晶白口铸铁（图3-26中合金⑤）的结晶过程
共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，其结晶过程如图3-35所示。该合金液态冷却到1点即1148°C 时，发生共晶反应：L 4。3 ? g 2。11 + Fe 3C ，全部转变为莱氏体（Le ），莱氏体是共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合物，呈蜂窝状。此时：
%2.52%10011.269.63.469.6=?--=γQ ，%8.47%2.52%1003=-=C Fe Q 。温度继续下降，共晶奥氏体成分沿ES 线变化，同时析出二次渗碳体，由于二次渗碳体与共晶渗碳体 结合在一起而不易分辨，因而莱氏体仍作为一个组织看待。温度降到2点，奥氏体成分达到0.77%，并发生共析反应，转变为珠光体。这种由珠光体与共晶渗碳体组成的组织称为低温莱氏体，用符号Le ’表示，此时，%4.40%10077.069.63.469.6=?--=P Q ，%6.59%4.40%1003=-=C Fe Q 。温度继续下降，莱氏体中珠光体的变化与共析钢的相同，珠光体与渗碳体的相对重量不再发生变化。共晶白口铸铁的室温组织为Le ’（P+ Fe 3C ），它保留了共晶转变产物的形态特征，如图3-36所示，图中黑色蜂窝状为珠光体，白色基体为共晶渗碳体。室温下两相的相对重量百分比为：
%7.35%1000008.069.63.469.6=?--=αQ ，%3.64%7.35%1003=-=C Fe Q 。
图3-35 共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-36 共晶白口铸铁的显微组织 400×
㈥ 亚共晶白口铸铁（图3-26中合金⑥）的结晶过程
以含3.0%C 的亚共晶白口铸铁为例进行分析，图3-37为其冷却曲线及组织转变示意图。当合金液体冷却到1点温度时，发生匀晶反应，结晶出奥氏体，称为一次奥氏体或先共晶奥氏体。在1~2点之间，奥氏体量不断增多并呈树枝状长大。冷却到2点以后，剩余液相的成分沿BC 线变化到C 点，并发生共晶转变，转变为莱氏体。继续降温，将从一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体。由于一次奥氏体粗大，沿其周边析出的二次渗碳体被共晶奥氏体衬托出来。而共晶奥氏体析出二次渗碳体的过程，与共晶白口铸铁相同。温度降到3点，奥氏体成分沿GS 线变到S 点，并发生共析反应，转变为珠光体。其室温组织为P+ Fe 3C Ⅱ+Le ’，如图3-38所示，图中树枝状的黑色粗块为珠光体，其周围被莱氏体中珠光体衬托出的白圈为二次渗碳体，其余为低温莱氏体。
室温下，含3.0%C 白口铸铁中三种组织组成物的相对重量百分比为：
%64.40%10011.23.411.20.3'=?--==Le Le Q Q ，%44.13%10077.069.677.011.211.23.40.33.43=?--?--=ⅡC Fe Q ，
%92.45%44.13%64.40%100%1003'=--=--=ⅡC Fe Le P Q Q Q 。而该合金在结晶过程中所析出的所有
二次渗碳体（包括一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体）的总量为：
%24.18%10011.269.677.011.211.269.60.369.63=?--?--=总ⅡC Fe Q 。
图3-37 亚共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-38 亚共晶白口铸铁的显微组织 400×
㈦ 过共晶白口铸铁（图3-26中合金⑦）的结晶过程
过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示于图3-39。合金液体在1--2点间发生匀晶反应，结晶出一次渗碳体Fe 3C Ⅰ。一次渗碳体呈粗条片状。冷却到2点，余下的液相成分
沿DC线变化到C点，并发生共晶反应，转变为莱氏体。继续冷却，一次渗碳体成分重量不再发生变化，而莱氏体的变化同共晶合金。过共晶白口铸铁的室温组织为Fe3CⅠ+Le’，如图3-40所示，图中粗大的白色条片为一次渗碳体，其余为低温莱氏体。
图3-39 过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-40 过共晶白口铸铁的显微组织400×
㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注
根据以上对铁碳合金相图的分析，可将组织组成物标注在铁碳合金相图中，如图3-41所示。组织组成物的标注与相组成物的标注的主要区别在g+Fe3C和a+Fe3C两个相区，g+ Fe3C相区中有四个组织组成物区，a+ Fe3C相区中有七个组织组成物区。
用组织组成物标注的相图直观地反映了各合金在不同温度下的组织状态。
图3-41 以组织组成物标注的铁碳合金相图