Fe-C相圖與非平衡相轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)知識講義

1、t <Fe-C相圖與非平衡相轉(zhuǎn)變總結(jié)鋼通常被定義為一種鐵和碳的合金，其中碳含量在幾個ppm到 2.11wt%之間。其它的 合金元素在低合金鋼中可總計達5wt%,在局 合金鋼例如工具鋼，不 銹鋼（10.5%和耐熱 CrNi鋼（18%合金元 素含量甚至更高。鋼可 以展現(xiàn)出一系列的性 能，這些性能依據(jù)于鋼的組成，相狀態(tài)和微觀組成結(jié)構(gòu)，而這些又取決于鋼的熱處理。Fe-C相圖理解鋼的熱處理的基礎(chǔ)是 Fe-C相圖（圖一）。圖一實際上有兩個圖：（1）穩(wěn)定態(tài)Fe-C圖（點戈ij線），（2）亞穩(wěn)態(tài)Fe-Fe3c圖。由于穩(wěn)態(tài)需要很長時間才能達到， 特別是在低溫和低碳情況下，亞穩(wěn)態(tài)往往引起人們更多的興趣。Fe

2、-C相圖告訴我們， 在不同碳含量的組成和溫度下，達穩(wěn)態(tài)平衡或亞穩(wěn)態(tài)平衡時哪些 相會生成。我們區(qū)別了a- 鐵素體和奧氏體，a- 鐵素體在727° C （ 1341° F）時最多溶解0.028%C奧氏體在1148° C （2098° F）可溶解2.11wt%G在碳多的一側(cè)我們發(fā)現(xiàn)了滲碳體（Fe3。，另外，除了高 合金鋼之外，高溫下存在的a-鐵素體引起我們較少的興趣。在單相區(qū)之間存在著兩相混合區(qū)，例如鐵素體和滲碳體，奧氏體和滲碳體，鐵素體和奧氏體。在最高溫下，液相區(qū)可被發(fā)現(xiàn)，在液相區(qū)以下有兩相區(qū)域液態(tài)奧氏體，液態(tài)滲碳體和液態(tài)鐵素體。在鋼的熱處理中， 我們總是避

3、免液相的生成。我們給單相區(qū)一些重要的邊界特殊的名字：（1） A1,低共熔溫度，是奧氏體生成的最低溫度；（2）A3,奧氏體區(qū)域的低溫低碳邊界，也即 r/（r+a）邊界；（3） Acm,奧氏體區(qū)域的高碳邊界，也即r/（r+Fe3C） 邊界。低共熔溫度碳含量是指在奧氏體生成的最低溫度時的碳含量（0.77wt%。鐵素體-滲碳體混合相在冷卻形成時有一個特殊的外貌，被稱為珠光體，可作為微觀結(jié)構(gòu)實體或微觀組成物來進行處理。珠光體是一種a-鐵素體和滲碳體薄片的混合物，滲碳體薄片又退化為滲碳體顆粒散步在一個鐵素體基質(zhì)中，散步過程發(fā)生在鐵素體基質(zhì)擴散接近A1 邊界之后。Fe-C 相圖源于實驗。但是，熱力學原理和現(xiàn)

4、代熱力學的數(shù)據(jù)的相關(guān)知識可以為我們提供關(guān)于相圖的精確計算。當相圖邊界不得不被推測和低溫下實驗平衡很慢達到時，這種計算特別有用。如果合金元素加入Fe-C相圖，A1,A3,Acm邊界的位置和低共熔組成的位置會變化。值得一提的是，所有重要的合金元素降低了低共熔碳含量。奧氏體的穩(wěn)定元素鎰，鎮(zhèn)降低了 A3,鐵素體穩(wěn)定元素銘，硅，鋁和鴇增 加A3。平衡相圖不能說明的相變動力學過程與亞穩(wěn)態(tài)相，必須用非 穩(wěn)態(tài)相轉(zhuǎn)變圖來描述。各種相轉(zhuǎn)變圖在鋼的熱處理中，相變的動力學因素與平衡圖表同樣重要。對于鋼的性能特別重要的亞穩(wěn)相馬氏體和形態(tài)上亞穩(wěn)態(tài)的微觀組成物貝氏體， 可以在相對急速冷卻至環(huán)境溫度時產(chǎn)生。這時碳和合金雜質(zhì)的

5、擴散受抑制或者限制在極小范圍內(nèi)。貝氏體是一種低共熔組成物，是鐵素體和滲碳體的混合物。最硬的組成物馬氏體，在極度飽和的奧氏體快速冷卻時通過完全轉(zhuǎn)化形成，當碳含量增加至大約0.7wt%時，馬氏體的硬度增加。如果這些 不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物接下來加熱至一個適度的高溫，它們分解為更穩(wěn)定的鐵素體和碳化物。這種重新加熱的過程有時被稱為回火或退火。鋼加熱奧氏體化是熱處理的前提。環(huán)境溫度下鐵素體-珠光體或鎮(zhèn)定馬氏體的結(jié)構(gòu)到高溫下奧氏體或奧氏體-碳化物的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對于鋼的熱處理同樣重要。鋼的熱處理涉及的四種相轉(zhuǎn)變條件我們可以利用相圖方便地描述出在相變時發(fā)生了什么。四種不同1）加熱過程的奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，奧a） A形核

6、b）A長大c）殘余Fe3c溶解d）A均勻化氏體化；（2）冷卻過程奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，奧氏體的分解；（3）連續(xù)加熱過程的奧氏體化；（4）連續(xù)冷卻過程的奧氏體的分解 加熱過程的奧氏體化這種圖展現(xiàn)了當鋼在 恒溫時維持很長一段時間 時所呈現(xiàn)的狀態(tài)。通過維持 一些小樣品在鉛或鹽浴中 并在依次增加維持時間后 每次冷卻一個樣品，之后在 顯微鏡下觀察在微觀結(jié)構(gòu)中生成的相的數(shù)量可以了解微觀結(jié)構(gòu)隨時 間的變化。共析鋼加熱過程的奧氏體化在奧氏體的轉(zhuǎn)變中，先從原始的鐵素體和珠光體或鎮(zhèn)定馬氏體轉(zhuǎn) 變?yōu)檩^為緊密的奧氏體，這種轉(zhuǎn)變中體積減小。在延長的曲線中，奧 氏體形成的開始和結(jié)束時間通常被分別定義為轉(zhuǎn)變進行至1%口 99%

7、時。ITh diagrams冷卻過程奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，奧氏體的分解，TTT DIAGRAMS這個過程在高溫下開始，通常是在維持長時間獲得均一的奧氏體而沒有不溶解的碳化物后在奧氏體范圍內(nèi)發(fā)生，這之后又通過快速冷卻至理想溫度。A3邊界上沒有轉(zhuǎn)變可以發(fā)生，在 A1邊界到A3邊界 之間只有鐵素體可以通過奧氏體形成。連續(xù)加熱過程的奧氏體化，CRT DIAGRAMS在實際熱處理情況下，恒溫不要求，但要求在冷卻或加熱時有一個連續(xù)變化的溫度。因此， 如果相圖使用的連續(xù)增加或減小的溫度建立在膨脹計數(shù)據(jù)之上，我們可以獲得更多的實用信息。如同ITH 圖，CRTS在預測發(fā)生在感應和之后的變硬過程中的短期奧氏體化的效果

8、很有用。 一個典型的問題是在一個規(guī)定的加熱速率下，達到完全的奧氏體化最大的表面溫度有多高。當溫度太高時，可引起我們不希望的奧氏體晶粒成長，這些又會導致一個更易破碎的馬氏體的微觀結(jié)構(gòu)。連續(xù)冷卻過程的奧氏體的分解，CCT DIAGRAMS對于加熱的圖表，清晰地闡述轉(zhuǎn)變圖來源于哪種冷卻曲線是很重要的。在實驗操作中使用一個恒定的冷卻速率是很平常的，但是，這種現(xiàn)象在實驗狀況下很少發(fā)生。我們也可以根據(jù)牛頓冷卻定律找出所謂的自然冷卻曲線，這些曲線模擬了大范圍內(nèi)部的行為，例如，在特殊條帶上距冷卻端一段距離的冷卻速率。接近條紋樣本的表面冷卻速率的特征非常復雜。每一個CCT0包含了一系列在圓柱樣本不同深度的冷卻速率曲線。最慢的冷卻速率曲線代表了圓柱的中心。冷卻介質(zhì)越不均勻，C形狀曲線需要越長時間去改變，但 M溫度不受影響。但是值得注意的是，這種轉(zhuǎn)變圖不能用于預言那些不同于構(gòu)建圖表的熱學歷史的反應。例如，在 Ms之上第一次冷卻從急速到緩慢而 后重新加熱至高溫是一個很快的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變快于在TTT圖表上所 顯示的因為在開始的冷卻中成核過程大大加速。同樣值得注意的是轉(zhuǎn)變圖對于在一定允許組