鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程

1、三、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類(lèi)： 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(guò)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(guò)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(guò)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(jié)晶過(guò)程 合金液體在12點(diǎn)之間通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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

3、卻曲線及組織轉(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(guò)程共析鋼的含碳量為0.77%，超過(guò)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(guò)程及組織轉(zhuǎn)變示于圖3 - 29。合金液體在1 2 點(diǎn)間通過(guò)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，

4、奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。繼續(xù)冷卻會(huì)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(guò)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(guò)程，其冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示于圖3-

5、31。該合金從液態(tài)緩慢冷卻到1點(diǎn)后，發(fā)生勻晶反應(yīng),開(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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

6、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+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

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(guò)共析鋼（圖3-26中合金）的結(jié)晶過(guò)程過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)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(kāi)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(guò)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

8、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(guò)共析鋼中二次滲碳體和珠光體兩個(gè)組織組成物的相對(duì)重量百分比為：。過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程共晶白口鑄鐵的含碳量為4.3%，其結(jié)晶過(guò)程如圖3-35所示。該合金液態(tài)冷卻到1點(diǎn)即1148°C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

9、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(chēng)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L(zhǎng)e（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

10、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）的結(jié)晶過(guò)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(chēng)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(shù)枝狀長(zhǎng)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(lái)。而共晶奧氏體析出二次滲

11、碳體的過(guò)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3-38所示，圖中樹(shù)枝狀的黑色粗塊為珠光體，其周?chē)蝗R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(guò)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(guò)共晶白口鑄鐵（圖3-26中合金）的結(jié)晶過(guò)程過(guò)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)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(guò)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(guò)共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖 圖3-40 過(guò)共晶白口鑄鐵的顯微組織 400× 組織組成物