鐵碳相圖詳解

1、三、典型鐵碳合金的平衡結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)上很少應用。 碳鋼（0.0218%2.11%C），其特點是高溫組織為單相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）下面結合圖3-26，分析典型鐵碳合金的結晶過程及其組織變化。圖3-26 七種典型合

2、金在鐵碳合金相圖中的位置 工業(yè)純鐵（圖3-26中合金）的結晶過程 合金液體在12點之間通過勻晶反應轉變?yōu)殍F素體。繼續(xù)降溫時，在23點之間，不發(fā)生組織轉變。溫度降低到3點以后，開始從d鐵素體中析出奧氏體，在34點之間，隨溫度下降，奧氏體的數量不斷增多，到達4點以后，d鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體。在45點之間，不發(fā)生組織轉變。冷卻到5點時，開始從奧氏體中析出鐵素體，溫度降到6點，奧氏體全部轉變?yōu)殍F素體。在6-7點之間冷卻，不發(fā)生組織轉變。溫度降到7點，開始沿鐵素體晶界析出三次滲碳體Fe3CIII。7點以下，隨溫度下降，Fe3CIII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

3、卻曲線及組織轉變示意圖。工業(yè)純鐵的室溫組織為a+Fe3CIII，如圖3-28所示，圖中個別部位的雙晶界內是Fe3CIII。 圖3-27 工業(yè)純鐵的冷卻曲線及組織轉變示意圖 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%，因此冷卻時不發(fā)生包晶轉變，其結晶過程及組織轉變示于圖3 - 29。合金液體在1 2 點間通過勻晶反應轉變?yōu)閵W氏體。在2 3點之間,不發(fā)生組織轉變。到達3點以后，發(fā)生共析轉變：g0。77 ® a0。0218 +Fe3C，由奧氏體相同時析出鐵素體和滲碳體。反應結束后，

4、奧氏體全部轉變?yōu)橹楣怏w。繼續(xù)冷卻會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重量百分比為： 。 圖3-29 共析鋼的冷卻曲線及組織轉變示意圖 圖3-30 珠光體組織 400× 亞共析鋼（圖3-27中合金）的結晶過程含碳量在0.09%0.53%之間的亞共析鋼結晶時將發(fā)生包晶反應?，F以含0.45%C的鋼為例分析亞共析鋼的結晶過程，其冷卻曲線及組織轉變示于圖3-

5、31。該合金從液態(tài)緩慢冷卻到1點后，發(fā)生勻晶反應,開始析出d鐵素體。到達2點溫度時，勻晶反應停止，開始發(fā)生包晶轉變：L0.53 + d0.09 ® g0.17。包晶轉變結束后，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點之間，剩余的液相通過勻晶反應全部轉變?yōu)閵W氏體。在3-4點之間，不發(fā)生組織變化。冷卻到4點，開始從奧氏體中析出鐵素體，并且隨溫度的降低，鐵素體數量增多。溫度降到5點，奧氏體的成分沿GS線變化到S點，此時，奧氏體向鐵素體的轉變結束，剩余的奧氏體發(fā)生共析反應：g0.77 ® a0.0218 + Fe3C，轉變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，從鐵素體中析出三

6、次滲碳體，但是由于其數量很少，因此可忽略不計。亞共析鋼的室溫組織為珠光體+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組織組成物的相對重量百分比為：。而鐵素體和滲碳體兩相的相對重量百分比為：。在0.0218%0.77%C范圍內珠光體的相對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

7、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。 過共析鋼（圖3-26中合金）的結晶過程過共析鋼的結晶過程及組織轉變示于圖3-33。合金液體在12點間發(fā)生勻晶轉變，全部轉變?yōu)閵W氏體。冷卻到3點后，開始沿奧氏體晶界析出二次滲碳體，并在晶界上呈網狀分布。在34點之間，二次滲碳體量不斷增多。溫度降到4點，二次滲碳體析出停止，奧氏體成分沿ES線變化到S點，剩余的奧氏體發(fā)生共析反應：g0.77 ® a0.0218 + Fe3C，轉變?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 +網狀二次滲碳體，如圖334所示，圖中的

8、白色網狀的是二次滲碳體，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組織組成物的相對重量百分比為：。過共析鋼中Fe3C 的量隨含碳量增加而增加，當含碳量達到2.11%時，Fe3C 量最大：。圖3-33 過共析鋼的冷卻曲線及組織轉變示意圖(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）的結晶過程共晶白口鑄鐵的含碳量為4.3%，其結晶過程如圖3-35所示。該合金液態(tài)冷卻到1點即1148°C時，發(fā)生共晶反應：L4。3 ® g2。11 + Fe3C，全部轉變?yōu)槿R氏體（Le），萊氏體是

9、共晶奧氏體和共晶滲碳體的機械混合物，呈蜂窩狀。此時：，。溫度繼續(xù)下降，共晶奧氏體成分沿ES線變化，同時析出二次滲碳體，由于二次滲碳體與共晶滲碳體 結合在一起而不易分辨，因而萊氏體仍作為一個組織看待。溫度降到2點，奧氏體成分達到0.77%，并發(fā)生共析反應，轉變?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Le表示，此時，。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），它保留了共晶轉變產物的形態(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。室溫下兩相的相對重量百分比

10、為：，。 圖3-35 共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉變示意圖 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）的結晶過程以含3.0%C的亞共晶白口鑄鐵為例進行分析，圖3-37為其冷卻曲線及組織轉變示意圖。當合金液體冷卻到1點溫度時，發(fā)生勻晶反應，結晶出奧氏體，稱為一次奧氏體或先共晶奧氏體。在12點之間，奧氏體量不斷增多并呈樹枝狀長大。冷卻到2點以后，剩余液相的成分沿BC線變化到C點，并發(fā)生共晶轉變，轉變?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

11、碳體的過程，與共晶白口鑄鐵相同。溫度降到3點，奧氏體成分沿GS線變到S點，并發(fā)生共析反應，轉變?yōu)橹楣怏w。其室溫組織為P+ Fe3C +Le，如圖3-38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重量百分比為：，。而該合金在結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）的結晶過程過共晶白口鑄鐵的冷卻

12、曲線及組織轉變示于圖3-39。合金液體在1-2點間發(fā)生勻晶反應，結晶出一次滲碳體Fe3C。一次滲碳體呈粗條片狀。冷卻到2點，余下的液相成分沿DC線變化到C點，并發(fā)生共晶反應，轉變?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注根據以上對鐵碳合金相圖的分析，可將組織組成物標注在鐵碳合金相圖中，如圖3-41所示。組織

13、組成物的標注與相組成物的標注的主要區(qū)別在g+Fe3C和a+Fe3C兩個相區(qū)，g+ Fe3C相區(qū)中有四個組織組成物區(qū)，a+ Fe3C相區(qū)中有七個組織組成物區(qū)。用組織組成物標注的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、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。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

14、半部分-共晶轉變1 2.2 下半部分-共析轉變1 2.3 相圖中的一些特征點1 2.4 鐵碳相圖中的特性線1 2.5 相圖中的相區(qū)3含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響1鐵碳合金中的基本相鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金的基本組元也應該是純鐵和Fe3C。鐵存在著同素異晶轉變，即在固態(tài)下有不同的結構。不同結構的鐵與碳可以形成不同的固溶體，FeFe3C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"F"(或)表示,體心立方晶格;雖然BCC的間隙總體積

15、較大,但單個間隙體積較小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727時),室溫時幾乎為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=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,但當含碳量接近共析成分時,鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網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"A"(或)表示,面心立方晶格;雖然FCC的間隙總體積較小,但單個間隙體積較

16、大,所以它的溶碳量較大,最多有2.11%(1148時),727時為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,通常在對鋼鐵材料進行熱變形加工,如鍛造,熱軋等時,都應將其加熱成奧氏體狀態(tài),所謂"趁熱打鐵"正是這個意思.b=400MPa,170220HBS,=40%50%.另外奧氏體還有一個重要的性能,就是它具有順磁性,可用于要求不受磁場的零件或部件.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雜結構的金屬化合物,用化學分子式"

17、Fe3C"表示.它的碳質量分數Wc=6.69%,熔點為1227,質硬而脆,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.滲碳體是鋼中的強化相,根據生成條件不同滲碳體有條狀,網狀,片狀,粒狀等形態(tài),它們的大小,數量,分布對鐵碳合金性能有很大影響.總結:在鐵碳合金中一共有三個相,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,所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中.這一點是十分重要的.鐵和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC

18、等,有實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, 此時相圖的組元為Fe和Fe3C.由于實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際上就是FeFe3C相圖.2鐵碳合金相圖分析FeFe3C相圖看起 來比較復雜,但它仍然是由一些基本相圖組成的,我們可以將FeFe3C相圖分成上下兩個部分來分析.上半部分-共晶轉變在1148,4.3%C的液相發(fā)生共晶轉變:Lc (AE+Fe3C),轉變的產物稱為萊氏體,用符號Ld表示.存在于1148727之間的萊氏體稱為高溫萊氏體,用符號Ld表示,組織由奧氏體和滲碳體組成;存在于727以下的

19、萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體,用符號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組成的機械混合物.經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,一般無法分辨.下半部分-共析轉變在727,0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉變:AS (F+Fe3C),轉變的產物稱為珠光體.共析轉變與共晶轉變的區(qū)別是轉變物是固體而非液體.相圖中的一些特征點相圖中應該掌握的特征點有:A,D,E,C,G(A3點),S(A1點),它們的含義一定要搞清楚.根據相圖分析如下點：相圖中重要的點(14個)：1.組元

20、的熔點: A (0, 1538) 鐵的熔點;D (6.69, 1227) Fe3C的熔點2.同素異構轉變點:N(0, 1394)-Fe -Fe;G(0, 912)-Fe -Fe3.碳在鐵中最大溶解度點:P(0.0218,727),碳在-Fe 中的最大溶解度E(2.11,1148),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:S(共析點,0.77,727),(A+F +Fe3C)C(共晶點,4.3,1148),( A+L +Fe3C)J(包晶點,0.17,1495)( + A+L )其它點B(0.

21、53,1495),發(fā)生包晶反應時液相的成分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為共晶反應線.碳質量分數在2.11%6.69%之間的鐵碳合金, 在平衡結晶過程中均發(fā)生共晶反應.水平線PSK為共析反應線碳質量分數為0.0218%6.69%的鐵碳合金, 在平衡結晶過程中均發(fā)生共析反應.PSK線亦稱A1線.GS線是合金冷卻時自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A中溶碳量最大可 達2.11%, 而在727時僅為0.77%, 因此碳質量分數大于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F中溶碳量最大可達0.021