1.3 合金元素对铁碳相图及相变的影响

合金钢的相图是三元相图乃至多元相图，掌握合金元素对铁碳相图及相变的影响至关重要。

1.3.1 合金元素对铁碳相图的影响

合金元素对铁碳相图的重要影响之一是对临界点的影响。各种钢的临界点（A₁、A₃、A_cm、Ms）温度不等，显示了合金元素的影响。故合金钢的热处理工艺与碳素钢不同，合金元素影响了钢的奥氏体化，也影响了过冷奥氏体的转变，使合金钢热处理后的组织、性能均发生了变化。

扩大γ相区的合金元素Ni、Mn、Cu、N等使形成单相奥氏体的最低温度降低，即A₃点温度降低，因而使Fe-C相图中的Ac₁、Ac₃、Ar₁、Ar₃温度下降。图1-7所示为锰对铁碳相图中A₁、A₃的影响^[2]。可见，锰扩大了γ相区，A₁、A₃均随着锰含量的增加而降低。

钴的作用较为特殊，它使A₁、A₃升高。

钢中加入的合金元素除了Ni、Mn、Cu、N、Co、C外，其他元素均为缩小γ相区（扩大α相区）的合金元素，如Mo、W、Si、Nb、V、Ti等，这些元素使铁碳相图中A₁、A₃温度升高。例如钼使γ相区缩小，如图1-8所示。可见，随着钼含量的增加，γ相区越来越缩小。钼的质量分数为7％时，γ相区已经很小，临界点温度升高到1200℃左右；当钼的质量分数达到8.2％以上时，单相奥氏体区消失。

图1-7 锰含量（质量分数）对铁碳相图临界点的影响

图1-8 钼含量（质量分数）对铁碳相图临界点的影响

图1-9 铬含量（质量分数）对铁碳相图临界点的影响

缩小γ相区（扩大α相区）的合金元素称为铁素体形成元素，它们都有一个使单相奥氏体区消失的临界成分，如w_Si＝8.5％、w_V＝4.5％、w_Ti＝1％、w_W＝12％。

铬也是缩小γ相区的合金元素，但有其特殊性。当铬的质量分数低于7.5％时，使铁碳相图中A₃温度下降，铬的质量分数高于7.5％时才使A₃温度升高。铬对A₁温度的影响是使其一直升高。铬使单相奥氏体区消失的临界w_Cr＝20％。铬对铁碳相图临界点的影响如图1-9所示。

钛对铁碳相图中γ相区的影响如图1-10所示。由图1-10可见，随着钛含量的增加，γ相区迅速缩小，质量分数为1％的钛可使奥氏体单相区变得很狭窄。因此，一般钢中钛含量较少，主要应用于微合金化。

几种合金元素对共析温度的影响如图1-11所示。

图1-10 钛含量（质量分数）对铁碳 相图中γ相区的影响^[3]

图1-11 几种合金元素对共析温度的影响

另外，从图1-7～图1-12中还可以发现，合金元素同时影响共析点的含碳量。几乎所有合金元素都使S点和E点左移，即使S点和E点的含碳量降低。图1-12所示为合金元素对共析点含碳量的影响，由图1-12可见，W、Mo的影响特殊，当其质量分数较低时（＜4％），共析点的含碳量是降低的；当其含量增加时，又使共析点含碳量升高。铬也有类似的作用。

图1-12 合金元素对共析点含碳量的影响

1.3.2 多元相图的垂直截面图

合金钢为三元或多元合金系，其相图比较复杂，在热处理工艺中主要的应用是参考其变温截面图。

1.Fe-Cr-C三元系

Fe-Cr-C系三元合金如铬不锈钢06Cr13、12Cr13、20Cr13，以及高碳高铬模具钢Cr12等在工业上被广泛应用。含铬钢的组织与性能取决于铬与铁及铬与碳的相互作用。铬的质量分数约为13.3％时与铁形成γ相区，超过这一含量会形成单一的α相区，热处理加热时将不发生相变。铬与碳的亲和力比铁与碳的亲和力大，因而会形成一系列稳定的碳化物，常见的有Cr₂₃C₆和Cr₇C₃。

Fe-Cr-C系形成的合金相主要有合金奥氏体、合金铁素体、合金渗碳体、特殊碳化物、σ相等，其三元立体平衡相图非常复杂。考虑到实用目的，往往绘制含有固定铬含量的Fe-Cr-C系合金的垂直截面相图。图1-13所示为铬的质量分数为13％的Fe-Cr-C系合金的垂直截面相图[3]。由此可见，除了三相区外，其与Fe-C相图很相像。碳的质量分数为1％、铬的质量分数为13％的铬钢的退火组织为α＋（Cr，Fe）₂₃C₆、（Cr，Fe）₇C₃。加热到790℃以上才可能出现γ相，才能淬火得到马氏体而硬化。碳的质量分数为0.2％～0.5％的Cr13钢加热可得单相奥氏体，冷却可转变为相应的组织和性能。

图1-13 铬的质量分数为13％的Fe-Cr-C系合金的垂直截面相图

图1-14所示为Fe-Cr-C系合金在1150℃和850℃时的等温截面图，其中C和Cr的含量是用直角坐标系表示的。在这两个温度的截面图中均可看到有α、γ、C₁、C₂、C₃等单相区，在1150℃的截面图中还存在液相L，表明在1150℃有些合金已经熔化。C₁、C₂、C₃分别表示碳化物（Cr，Fe）₇C₃、（Cr，Fe）₂₃C₆、（Cr，Fe）₃C。

2.Fe-Mn-C三元系

锰加入钢中，形成Fe-Mn-C系合金钢。锰是扩大γ－相区的元素，其稳定奥氏体组织的能力仅次于镍。锰与铁形成固溶体，可提高钢的的强度。锰是碳化物形成元素，但在钢中不能形成锰的特殊碳化物，而是溶入渗碳体中，形成合金渗碳体（Fe，Mn）₃C。图1-15所示为Fe-Mn-C系相图的垂直截面图，锰的质量分数分别为2.5％和13％。由图中可见，锰的质量分数为2.5％的低合金锰钢，其共析点向左偏移至碳的质量分数约为0.65％处，A₃线降低，A₁点降低到700℃，这将使共析分解温度降低，转变为珠光体时，其片层变细，强度提高；当锰的质量分数提高到13％时，A₃线大幅度降低，A₁点降低到400℃以下，存在α＋γ＋C三相区，加热到高温区可获得单相奥氏体组织，缓慢冷却时析出碳化物，水韧处理可得到单相奥氏体组织

图1-14 Fe-Cr-C系合金的等温截面图

a）1150℃截面图 b）850℃截面图

图1-15 Fe-Mn-C系相图的垂直截面图

a）w_Mn＝2.5％b）w_Mn＝13％

3.Fe-Mo-C三元系

图1-16所示为Fe-Mo-C三元系中钼的质量分数为2％的合金富铁一侧的垂直截面图^[4]。

图1-16中有四个单相区：L、δ、γ、α（图中还有M₂₃C₆、M₂C、M₆C、Fe₂MoC、Fe₃C等化合物相）。

图1-16中的两相区除了标明δ＋L、δ＋γ、L＋γ、L＋Fe₃C、γ＋Fe₃C、α＋γ、γ＋M₆C、γ＋M₂C、γ＋Fe₂MoC、γ＋M₂₃C₆、α＋M₆C、α＋M₂C、α＋Fe₂MoC、α＋M₂₃C6及α＋Fe₃C之外，剩余的四个两相区没有标出它所含的相，可由两旁的单相区来确定。

图1-16中有16个三相区，全部没有标出各相区所含的相，它们也可以从三相区两旁的两相区来确定。例如，在相图下部中间的那个三相区，左边是α＋M₂₃C₆两相区，右边是α＋Fe₃C两相区，所以它一定是α＋M₂₃C₆＋Fe₃C三相区，其他的也可以按同样的方法定出相区所含的相。在这些三相区中，只有两个是可以从截面判断它的反应的，在稍低于1500℃的δ＋L＋γ相区，它的曲边三角形是顶点向下的，所以是包晶反应。三角形两旁的那两个单相是反应相，故反应式为L＋α→γ；在1100～1200℃之间的L＋γ＋Fe₃C相区，它的曲边三角形是顶点向上的，所以是共晶反应，顶点所连的单相是反应相，故反应式为L→γ＋Fe₃C。其他三相区都和四相水平线相接，在垂直截面上不能判定它们是什么反应。

图1-16中共有五个四相区，它们都是水平线。根据水平线上下的三相区所含的相，可以确定四相区所含的四个相。这五个四相区除了γ＋Fe₃C＋M₂₃C₆＋Fe₂MoC四相区外，其他四个四相区与它们所邻接的四个三相区在截面图上都被截出来了，所以可根据四个三相区在四相线上下的分布来确定四相反应。这四个四相面的上下各有两个三相区，都属于准包晶反应。从温度高低顺序看，首先是γ＋M₆C＋α＋M₂C相区，四相面以上的两相是γ＋M₆C，四相面以下的两相是

图1-16 Fe-Mo-C三元系中w_Mo＝2％的合金富铁一侧的垂直截面图

α＋M₂C，因而其反应是γ＋M₆C→α＋M₂C。紧接下面的是γ＋α＋M₂C＋Fe₂MoC四相区，四相面以上的两相是γ＋M₂C，四相面以下的两相是α＋Fe₂MoC，因而其反应是γ＋M₂C→α＋Fe₂MoC。再下面的是γ＋α＋Fe₂MoC＋M₂₃C₆四相区，四相面以上的两相是γ＋Fe₂MoC，四相面以下的两相是α＋M₂₃C₆，因而其反应是γ＋Fe₂MoC→α＋M₂₃C₆。最后一个四相区含α＋γ＋M₂₃C₆＋Fe₃C四相，四相平面以上的两相是γ＋M₂₃C₆，四相平面以下的两相是α＋Fe₃C，因而其反应为γ＋M₂₃C₆→α＋Fe₃C。所有四相平衡的四个相的成分都不能从截面图上确定出来。

图1-17 Fe-Si-C三元系中w_Si＝2.4％合金的垂直截面图

4.Fe-Si-C三元系

图1-17所示为硅的质量分数为2.4％的Fe-Si-C相图的垂直截面图，所截得的平面平行于Fe-C边。图中存在四个单相区：L、α、δ、γ。此外，都存在包晶反应、共晶反应、共析反应。这些两相平衡区不是水平直线，而是由几条界线所限定的相区，说明这些转变不是在固定温度下进行的，而是在一个温度区间进行。

现在以合金Ⅰ为例，来分析其结晶过程。当温度高于1点时，合金处于液态；在1～2点之间，从液相中结晶出γ；从2点开始发生共晶转变L→γ＋C，在2～3点之间，继续发生共晶转变，直到3点结束；在4～5点之间，发生共析转变γ→α＋C。

对于硅的质量分数为2.4％和碳的质量分数为2.5％的灰铸铁，在相图上可以直接读出该合金的熔点（≈1200℃），据此可确定它的熔炼温度与浇注温度。对于硅的质量分数为2.4％和碳的质量分数为0.1％的硅钢片来说，只有加热到980℃以上，才能得到单相奥氏体。

此外，从图1-17中还可以看出，硅的加入使共晶点左移，即对于硅的质量分数为2.4％的Fe-Si-C合金，共晶点碳的质量分数为3.5％，而Fe-C相图中共晶点碳的质量分数为4.3％，这对于配制高流动能力的铸铁成分非常重要。

5.Fe-C-N三元系

图1-18所示为Fe-C-N三元系在565℃和600℃的水平截面图。对碳钢渗氮或碳氮共渗处理后的渗层进行组织分析时，常使用这些水平截面图。图中α表示铁素体，γ表示奥氏体，C表示渗碳体，ε表示Fe_2～3（N，C）相，γ′表示Fe₄（N，C）相，χ表示碳化物。在图1-18a中有一个大三角形，其顶点与单相区α、γ′和C相接，三条边都与两相区相接，这是四相平衡共析转变平面，即。当钢中碳的质量分数为0.45％时（图中的水平虚线），并且工件表面氮的含量足够高，45钢在略低于565℃的温度下渗氮，由表及里各分层相的组成依次为ε、γ′＋ε、C＋γ′、α＋C；在600℃渗氮时，45钢渗氮层各分层相的组成应为ε、ε＋γ′、γ＋ε、γ、α＋γ、α＋C。

图1-18 Fe-C-N三元系的水平截面图

a）565℃ b）600℃