材料基础：铁碳相图（铁碳状态图）详解

铁碳相图，又称铁碳平衡相图或铁碳状态图，是研究铁碳合金在加热和冷却时的结晶过程和组织转变的图解。它以温度为纵坐标，铁碳含量为横坐标，表示在接近平衡条件和亚稳条件下（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。以下是关于铁碳相图的详细解析：

一、铁碳相图的基本组成（图1）

铁碳相图主要由以下几个部分组成：

图1 铁碳相图

1. 液相线（ACD）：表示合金开始凝固的温度线。
2. 固相线（AECF）：表示合金完全凝固的温度线。
3. 包晶反应线（HJB）：在1495℃时发生包晶反应，即液相LB、δ铁素体δH和奥氏体AJ三相共存。
4. 共晶反应线（ECF）：在1148℃时发生共晶反应，即液相LC、奥氏体AE和渗碳体Fe3C三相共存，形成莱氏体。
5. 共析反应线（PSK）：在727℃时发生共析反应，即奥氏体As转变为铁素体FP和渗碳体Fe3C的混合物，称为珠光体。

二、铁碳相图中的主要相

1. 液相（L）：合金在凝固前的液态。
2. δ相（高温铁素体）：存在于高温下的铁素体相。
3. α相（铁素体F）：碳在α-Fe中的固溶体，体心立方晶格，室温下碳的溶解度极小。
4. γ相（奥氏体A）：碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格，高温下稳定存在，具有一定的强度和硬度，塑性和韧性也好。
5. 渗碳体（Fe3C）：铁和碳的化合物，硬度高、耐磨，但脆性很大，塑性几乎为零。

三、铁碳合金的分类

根据铁碳相图，铁碳合金可以分为以下几类：

1. 工业纯铁：含碳量小于等于0.0218%，其显微组织为铁素体晶粒，工业上应用较少。
2. 钢：含碳量在0.0218%至2.11%之间，根据含碳量的不同，又可分为亚共析钢（0.0218%至0.77%）、共析钢（0.77%）和过共析钢（0.77%至2.11%）。
3. 白口铸铁：含碳量大于2.11%，铸造性能好，但硬而脆，根据含碳量的不同，又可分为亚共晶白口铸铁（2.11%至4.3%）、共晶白口铸铁（4.3%）和过共晶白口铸铁（4.3%至6.69%）。

四、铁碳相图的应用

铁碳相图是研究钢铁材料的重要工具，广泛应用于以下几个方面：

1. 制定热加工和热处理工艺：通过分析铁碳相图，可以确定合金在不同温度下的相变点和组织转变规律，从而制定合理的热加工和热处理工艺。
2. 分析工艺废品原因：当工艺过程中出现废品时，可以通过铁碳相图分析废品产生的原因，从而采取相应的改进措施。
3. 指导材料选择：根据铁碳相图可以了解不同成分的铁碳合金的性能特点，从而指导材料的选择和使用。

综上所述，铁碳相图是研究铁碳合金在加热和冷却时的结晶过程和组织转变的重要图解工具，对于钢铁材料的生产、加工和使用具有重要意义。

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