鐵碳相圖詳解

1、三、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類： 工業(yè)純鐵（0.0218% C），其顯微組織為鐵素體晶粒，工業(yè)上很少應(yīng)用。 碳鋼（0.0218%2.11%C），其特點(diǎn)是高溫組織為單相A，易于變形，碳鋼又分為亞共析鋼（0.0218%0.77%C）、共析鋼（0.77%C）和過共析鋼（0.77%2.11%C）。 白口鑄鐵（2.11%6.69%C），其特點(diǎn)是鑄造性能好，但硬而脆，白口鑄鐵又分為亞共晶白口鑄鐵（2.11%4.3%C）、共晶白口鑄鐵（4.3%C）和過共晶白口鑄鐵（4.36.69%C）下面結(jié)合圖3-26，分析典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及其組織變化。圖3-26 七種典型合金在鐵碳

2、合金相圖中的位置 工業(yè)純鐵（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程 合金液體在12點(diǎn)之間通過勻晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。繼續(xù)降溫時(shí)，在23點(diǎn)之間，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。溫度降低到3點(diǎn)以后，開始從d鐵素體中析出奧氏體，在34點(diǎn)之間，隨溫度下降，奧氏體的數(shù)量不斷增多，到達(dá)4點(diǎn)以后，d鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在45點(diǎn)之間，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。冷卻到5點(diǎn)時(shí)，開始從奧氏體中析出鐵素體，溫度降到6點(diǎn)，奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。在6-7點(diǎn)之間冷卻，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。溫度降到7點(diǎn)，開始沿鐵素體晶界析出三次滲碳體Fe3CIII。7點(diǎn)以下，隨溫度下降，F(xiàn)e3CIII量不斷增加，室溫下Fe3CIII的最大量為：。圖3-27為工業(yè)純鐵的冷卻曲線及

3、組織轉(zhuǎn)變示意圖。工業(yè)純鐵的室溫組織為a+Fe3CIII，如圖3-28所示，圖中個(gè)別部位的雙晶界內(nèi)是Fe3CIII。 圖3-27 工業(yè)純鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖 圖3-28 工業(yè)純鐵的顯微組織 400 共析鋼（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程共析鋼的含碳量為0.77%，超過了包晶線上最大的含碳量0.53%，因此冷卻時(shí)不發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，其結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變示于圖3 - 29。合金液體在1 2 點(diǎn)間通過勻晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在2 3點(diǎn)之間,不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。到達(dá)3點(diǎn)以后，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：g0。77 a0。0218 +Fe3C，由奧氏體相同時(shí)析出鐵素體和滲碳體。反應(yīng)結(jié)束后，奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。繼續(xù)冷卻會(huì)

4、從珠光體的鐵素體中析出少量的三次滲碳體，但是它們往往依附在共析滲碳體上，難于分辨。共析鋼的室溫組織為100%的珠光體，如圖3-30所示。由圖3-30可以看出，珠光體是鐵素體與滲碳體片層相間的組織，呈指紋狀，其中白色的基底為鐵素體，黑色的層片為滲碳體。室溫下珠光體中兩相的相對(duì)重量百分比為： 。 圖3-29 共析鋼的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖 圖3-30 珠光體組織 400 亞共析鋼（圖3-27中合金）的結(jié)晶過程含碳量在0.09%0.53%之間的亞共析鋼結(jié)晶時(shí)將發(fā)生包晶反應(yīng)?，F(xiàn)以含0.45%C的鋼為例分析亞共析鋼的結(jié)晶過程，其冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示于圖3-31。該合金從液態(tài)緩慢冷卻到1點(diǎn)后，發(fā)生勻晶反

5、應(yīng),開始析出d鐵素體。到達(dá)2點(diǎn)溫度時(shí)，勻晶反應(yīng)停止，開始發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：L0.53 + d0.09 g0.17。包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，除了新形成的奧氏體外，液相還有剩余。溫度繼續(xù)下降，在2-3點(diǎn)之間，剩余的液相通過勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在3-4點(diǎn)之間，不發(fā)生組織變化。冷卻到4點(diǎn)，開始從奧氏體中析出鐵素體，并且隨溫度的降低，鐵素體數(shù)量增多。溫度降到5點(diǎn)，奧氏體的成分沿GS線變化到S點(diǎn)，此時(shí)，奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變結(jié)束，剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)：g0.77 a0.0218 + Fe3C，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，從鐵素體中析出三次滲碳體，但是由于其數(shù)量很少，因此可忽略不計(jì)。亞共析鋼的室溫組織為珠光體+

6、鐵素體，如圖3-32所示，圖中的白色組織為先共析鐵素體，黑色組織為珠光體。圖3-31 亞共析鋼的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖(a) 0.20%C (a) 0.45%C圖3-32 亞共析鋼的顯微組織 400 室溫下，含0.45%C亞共析鋼中先共析鐵素體和珠光體兩個(gè)組織組成物的相對(duì)重量百分比為：。而鐵素體和滲碳體兩相的相對(duì)重量百分比為：。在0.0218%0.77%C范圍內(nèi)珠光體的相對(duì)重量隨含碳量的增加而增加。由于室溫下鐵素體中含碳量極低，珠光體與鐵素體密度相近，所以在忽略鐵素體中含碳量的情況下，可以利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，近似地估算亞共析鋼的含碳量：。式中，為珠光體的面積百分比。 過共析

7、鋼（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程過共析鋼的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變示于圖3-33。合金液體在12點(diǎn)間發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。冷卻到3點(diǎn)后，開始沿奧氏體晶界析出二次滲碳體，并在晶界上呈網(wǎng)狀分布。在34點(diǎn)之間，二次滲碳體量不斷增多。溫度降到4點(diǎn)，二次滲碳體析出停止，奧氏體成分沿ES線變化到S點(diǎn)，剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)：g0.77 a0.0218 + Fe3C，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。繼續(xù)冷卻，二次滲碳體不再發(fā)生變化，珠光體的變化同共析鋼。過共析鋼的室溫組織為珠光體 +網(wǎng)狀二次滲碳體，如圖334所示，圖中的白色網(wǎng)狀的是二次滲碳體，黑色為珠光體。室溫下，含1.2%C過共析鋼中二次滲碳體和珠光體兩個(gè)組織組成物

8、的相對(duì)重量百分比為：。過共析鋼中Fe3C 的量隨含碳量增加而增加，當(dāng)含碳量達(dá)到2.11%時(shí)，F(xiàn)e3C 量最大：。圖3-33 過共析鋼的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖(a) 硝酸酒精浸蝕 (b) 苦味酸鈉浸蝕圖3-34 過共析鋼的顯微組織 400 共晶白口鑄鐵（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程共晶白口鑄鐵的含碳量為4.3%，其結(jié)晶過程如圖3-35所示。該合金液態(tài)冷卻到1點(diǎn)即1148C時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)：L4。3 g2。11 + Fe3C，全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體（Le），萊氏體是共晶奧氏體和共晶滲碳體的機(jī)械混合物，呈蜂窩狀。此時(shí)：，。溫度繼續(xù)下降，共晶奧氏體成分沿ES線變化，同時(shí)析出二次滲碳體，由于二次滲碳體與共晶

9、滲碳體 結(jié)合在一起而不易分辨，因而萊氏體仍作為一個(gè)組織看待。溫度降到2點(diǎn)，奧氏體成分達(dá)到0.77%，并發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這種由珠光體與共晶滲碳體組成的組織稱為低溫萊氏體，用符號(hào)Le表示，此時(shí)，。溫度繼續(xù)下降，萊氏體中珠光體的變化與共析鋼的相同，珠光體與滲碳體的相對(duì)重量不再發(fā)生變化。共晶白口鑄鐵的室溫組織為Le（P+ Fe3C），它保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征，如圖3-36所示，圖中黑色蜂窩狀為珠光體，白色基體為共晶滲碳體。室溫下兩相的相對(duì)重量百分比為：，。 圖3-35 共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖 圖3-36 共晶白口鑄鐵的顯微組織 400 亞共晶白口鑄鐵（圖3-26中合金

10、）的結(jié)晶過程以含3.0%C的亞共晶白口鑄鐵為例進(jìn)行分析，圖3-37為其冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖。當(dāng)合金液體冷卻到1點(diǎn)溫度時(shí)，發(fā)生勻晶反應(yīng)，結(jié)晶出奧氏體，稱為一次奧氏體或先共晶奧氏體。在12點(diǎn)之間，奧氏體量不斷增多并呈樹枝狀長大。冷卻到2點(diǎn)以后，剩余液相的成分沿BC線變化到C點(diǎn)，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。繼續(xù)降溫，將從一次奧氏體和共晶奧氏體中析出二次滲碳體。由于一次奧氏體粗大，沿其周邊析出的二次滲碳體被共晶奧氏體襯托出來。而共晶奧氏體析出二次滲碳體的過程，與共晶白口鑄鐵相同。溫度降到3點(diǎn)，奧氏體成分沿GS線變到S點(diǎn)，并發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。其室溫組織為P+ Fe3C +Le，如圖3-3

11、8所示，圖中樹枝狀的黑色粗塊為珠光體，其周圍被萊氏體中珠光體襯托出的白圈為二次滲碳體，其余為低溫萊氏體。室溫下，含3.0%C白口鑄鐵中三種組織組成物的相對(duì)重量百分比為：，。而該合金在結(jié)晶過程中所析出的所有二次滲碳體（包括一次奧氏體和共晶奧氏體中析出二次滲碳體）的總量為：。 圖3-37 亞共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖 圖3-38 亞共晶白口鑄鐵的顯微組織 400 過共晶白口鑄鐵（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程過共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示于圖3-39。合金液體在1-2點(diǎn)間發(fā)生勻晶反應(yīng)，結(jié)晶出一次滲碳體Fe3C。一次滲碳體呈粗條片狀。冷卻到2點(diǎn)，余下的液相成分沿DC線變化到C點(diǎn)，并發(fā)

12、生共晶反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。繼續(xù)冷卻，一次滲碳體成分重量不再發(fā)生變化，而萊氏體的變化同共晶合金。過共晶白口鑄鐵的室溫組織為Fe3C+Le，如圖3-40所示，圖中粗大的白色條片為一次滲碳體，其余為低溫萊氏體。 圖3-39 過共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖 圖3-40 過共晶白口鑄鐵的顯微組織 400 組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注根據(jù)以上對(duì)鐵碳合金相圖的分析，可將組織組成物標(biāo)注在鐵碳合金相圖中，如圖3-41所示。組織組成物的標(biāo)注與相組成物的標(biāo)注的主要區(qū)別在g+Fe3C和a+Fe3C兩個(gè)相區(qū)，g+ Fe3C相區(qū)中有四個(gè)組織組成物區(qū)，a+ Fe3C相區(qū)中有七個(gè)組織組成物區(qū)。用組織組成物標(biāo)注的

13、相圖直觀地反映了各合金在不同溫度下的組織狀態(tài)。圖3-41 以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖從某種意義上講，鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。目 錄1鐵碳合金中的基本相1 1.1 1,鐵素體(ferrite)1 1.2 2,奧氏體(Austenite )1 1.3 3,滲碳體(Cementite)2鐵碳合金相圖分析1 2.1 上半部分-共晶轉(zhuǎn)變1 2.2 下半部分-共析轉(zhuǎn)變1 2.3 相圖中的一些特征點(diǎn)1 2.4 鐵碳相圖中的特性線1 2.5 相圖中的相區(qū)3含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響1鐵碳合金

14、中的基本相鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金的基本組元也應(yīng)該是純鐵和Fe3C。鐵存在著同素異晶轉(zhuǎn)變，即在固態(tài)下有不同的結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的鐵與碳可以形成不同的固溶體，F(xiàn)eFe3C相圖上的固溶體都是間隙固溶體。由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特點(diǎn)不同，因而兩者的溶碳能力也不同。1,鐵素體(ferrite)鐵素體是碳在-Fe中的間隙固溶體,用符號(hào)F(或)表示,體心立方晶格;雖然BCC的間隙總體積較大,但單個(gè)間隙體積較小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727時(shí)),室溫時(shí)幾乎為0,因此鐵素體的性能與純鐵相似,硬度低而塑性高,并有鐵磁性.=30%50%,AKU=128160J b=

15、180280MPa,5080HBS.鐵素體的顯微組織與純鐵相同,用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的多邊形等軸晶粒,在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布,但當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí),鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在珠光體的周圍.2,奧氏體(Austenite )奧氏體是碳在-Fe中的間隙固溶體,用符號(hào)A(或)表示,面心立方晶格;雖然FCC的間隙總體積較小,但單個(gè)間隙體積較大,所以它的溶碳量較大,最多有2.11%(1148時(shí)),727時(shí)為0.77%.在一般情況下, 奧氏體是一種高溫組織,穩(wěn)定存在的溫度范圍為7271394,故奧氏體的硬度低,塑性較高,通常在對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行熱變形加工,如鍛造,熱

16、軋等時(shí),都應(yīng)將其加熱成奧氏體狀態(tài),所謂趁熱打鐵正是這個(gè)意思.b=400MPa,170220HBS,=40%50%.另外奧氏體還有一個(gè)重要的性能,就是它具有順磁性,可用于要求不受磁場(chǎng)的零件或部件.奧氏體的組織與鐵素體相似,但晶界較為平直,且常有孿晶存在.3,滲碳體(Cementite)滲碳體是鐵和碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物,用化學(xué)分子式Fe3C表示.它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69%,熔點(diǎn)為1227,質(zhì)硬而脆,耐腐蝕.用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蝕,滲碳體呈暗黑色.滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相,根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀,網(wǎng)狀,片狀,粒狀等形態(tài),它們的大小,數(shù)量

17、,分布對(duì)鐵碳合金性能有很大影響.總結(jié):在鐵碳合金中一共有三個(gè)相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體一般僅存在于高溫下,所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個(gè)相,就是鐵素體和滲碳體.由于鐵素體中的含碳量非常少,所以可以認(rèn)為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中.這一點(diǎn)是十分重要的.鐵和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有實(shí)用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常稱其為 Fe-Fe3C相圖, 此時(shí)相圖的組元為Fe和Fe3C.由于實(shí)際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分軸從06.69%.所謂的鐵碳合金相圖實(shí)際上就是FeFe3C相圖.2鐵碳合金相圖分析FeFe3C相圖看

18、起 來比較復(fù)雜,但它仍然是由一些基本相圖組成的,我們可以將FeFe3C相圖分成上下兩個(gè)部分來分析.上半部分-共晶轉(zhuǎn)變?cè)?148,4.3%C的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變:Lc (AE+Fe3C),轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為萊氏體,用符號(hào)Ld表示.存在于1148727之間的萊氏體稱為高溫萊氏體,用符號(hào)Ld表示,組織由奧氏體和滲碳體組成;存在于727以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體,用符號(hào)Ld表示,組織由滲碳體和珠光體組成.低溫萊氏體是由珠光體,Fe3C和共晶Fe3C組成的機(jī)械混合物.經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察,其中珠光體呈黑色顆粒狀或短棒狀分布在Fe3C基體上,Fe3C和共晶Fe3C交織在一起,一般

19、無法分辨.下半部分-共析轉(zhuǎn)變?cè)?27,0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變:AS (F+Fe3C),轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體.共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別是轉(zhuǎn)變物是固體而非液體.相圖中的一些特征點(diǎn)相圖中應(yīng)該掌握的特征點(diǎn)有:A,D,E,C,G(A3點(diǎn)),S(A1點(diǎn)),它們的含義一定要搞清楚.根據(jù)相圖分析如下點(diǎn)：相圖中重要的點(diǎn)(14個(gè))：1.組元的熔點(diǎn): A (0, 1538) 鐵的熔點(diǎn);D (6.69, 1227) Fe3C的熔點(diǎn)2.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn):N(0, 1394)-Fe -Fe;G(0, 912)-Fe -Fe3.碳在鐵中最大溶解度點(diǎn):P(0.0218,727),碳在-Fe 中的最大溶解度E(2.11,

20、1148),碳在-Fe 中的最大溶解度H (0.09,1495),碳在-Fe中的最大溶解度Q(0.0008,RT),室溫下碳在-Fe 中的溶解度三相共存點(diǎn):S(共析點(diǎn),0.77,727),(A+F +Fe3C)C(共晶點(diǎn),4.3,1148),( A+L +Fe3C)J(包晶點(diǎn),0.17,1495)( + A+L )其它點(diǎn)B(0.53,1495),發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)液相的成分F(6.69,1148 ) , 滲碳體K (6.69,727 ) , 滲碳體鐵碳相圖中的特性線相圖中的一些線應(yīng)該掌握的線有:ECF線,PSK線(A1線),GS線(A3線),ES線(ACM線)水平線ECF為共晶反應(yīng)線.碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在

21、2.11%6.69%之間的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng).水平線PSK為共析反應(yīng)線碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%6.69%的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng).PSK線亦稱A1線.GS線是合金冷卻時(shí)自A中開始析出F的臨界溫度線, 通常稱A3線.ES線是碳在A中的固溶線, 通常叫做Acm線.由于在1148時(shí)A中溶碳量最大可 達(dá)2.11%, 而在727時(shí)僅為0.77%, 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.77%的鐵碳合金自1148冷至727的過程中, 將從A中析出Fe3C.析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII). Acm線亦為從A中開始析出Fe3CII的臨界溫度線.PQ線是碳在F中固溶線.在727時(shí)F中溶碳量最大可達(dá)0.0218%, 室溫時(shí)僅為0.000