鐵碳相圖知識打印

.z.鐵碳相圖知識化合物Fe3C稱為滲碳體(Cementite)，是一種亞穩(wěn)定的化合物，在一定條件下可以分解為Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，鐵碳相圖常表示為Fe-Fe3C和Fe-石墨雙重相圖〔圖1〕。Fe-Fe鐵具有異晶轉(zhuǎn)變，即固態(tài)的鐵在不同的溫度具有不同的晶體構(gòu)造。純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢河捎贔e的晶體構(gòu)造不同，C在Fe中的溶解度差異較大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度為2.11%，而在體心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大僅分別為0.0218%和0.09%。純鐵純鐵的熔點1538℃，固態(tài)下具有同素異晶轉(zhuǎn)變：912℃以下為體心立方(BCC)晶體構(gòu)造，912℃到1394℃之間為面心立方(FCC),1394℃到熔點之間為體心立方。工業(yè)純鐵的顯微組織見圖2。圖2工業(yè)純鐵的顯微組織圖3奧氏體的顯微組織鐵的固溶體碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶體稱為鐵素體(Ferrite)，用α、δ或F表示,由于δ－Fe是高溫相，因此也稱為高溫鐵素體。鐵素體的含碳量非常低〔室溫下含碳僅為0.005%〕，所以其性能與純鐵相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ為30%～50%)高。鐵素體的顯微組織與工業(yè)純鐵一樣〔圖2〕碳溶解于γ－Fe中形成的固溶體稱為奧氏體(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶體構(gòu)造的奧氏體可以溶解較多的碳，1148℃時最多可以溶解2.11%的碳，到727℃時含碳量降到0.8%。奧氏體的硬度(HB170～220)較低，塑性(延伸率δ為40%～50%)高。奧氏體的顯微組織見圖3,圖4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面體的中心。圖4碳在γ－Fe晶格中的位置圖5滲碳體的晶格滲碳體(Fe3C滲碳體是鐵和碳形成的化合物，含碳量為6.67%〔有些書上為6.69%〕，具有復雜的晶體構(gòu)造〔圖5〕，熔點為1227℃。滲碳體硬度極高〔HB800〕，塑性幾乎等于0，是硬脆相。在一定條件下，滲碳體可以分解而形成石墨狀的自由碳：Fe3C單相區(qū)——5個相圖中有5個根本的相，相應的有5個相區(qū)：

液相區(qū)(L)——ABCD以上區(qū)域

δ固溶體區(qū)——AHNA

奧氏體區(qū)(γ)——NJESGN鐵素體區(qū)(α)——GPQ(Fe3C兩相區(qū)——7個7個兩相區(qū)分別存在于兩個相應的單相區(qū)之間：L+δ——AHALγ——BJECBL——DCFDδ+γ——HNJHγ+α——GPSGγ+Fe3C——ESKFCEα+Fe3C——PQLKSP+Fe三相區(qū)——3個包晶線——水平線H(Lδ+γ)

共晶線——水平線ECF(Lγ+Fe3C)共析線——水平線PSK(γ+α+Fe3C相圖中一些主要特性點的溫度、成分及其意義列于表1。表1Fe-Fe3C符號T/℃C%說明A15380純鐵的熔點B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時液相成分C11484.30共晶點D12276.67滲碳體的熔點E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.67滲碳體的成分G9120純鐵α?γ轉(zhuǎn)變溫度H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點K7276.67滲碳體的成分N13940純鐵γ?δ轉(zhuǎn)變溫度P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點Q6000.0057600?C碳在α-Fe中的溶解度2007×10-7200?C碳在α-Fe中的溶解度Fe-Fe3C包晶轉(zhuǎn)變發(fā)生在1495℃〔水平線H〕，反響式為：式中L0.53——含碳量為0.53%的液相；

δ0.09——含碳量為0.09%的δ固溶體；

γ0.17——含碳量為0.17%的γ固溶體，即奧氏體，是包晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。含碳量在0.09~0.53%之間的合金冷卻到1495℃時，均要發(fā)生包晶反響，形成奧氏體。共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生在1148℃〔水平線ECF〕，反響式為：共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體Ld表示。但凡含碳量大于2.11%的鐵碳合金冷卻到1148℃時，都會發(fā)生共晶反響，形成萊氏體。，用符號共析轉(zhuǎn)變發(fā)生727℃〔水平線PSK〕，反響式為：共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的機械混合物，稱為珠光體，用字母P表示。含碳量大于0.0218%的鐵碳合金，冷卻至727℃時，其中的奧氏體必將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。Fe-Fe3C相圖中的ES、PQ、GSES線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。奧氏體的最大溶碳量是在1148℃時，可以溶解2.11%的碳。而在727℃時，溶碳量僅為0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，從1148℃冷到727℃的過程中，將自奧氏體中析出滲碳體，這種滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII)。PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。727℃時鐵素體中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃僅可以溶解7×10-7%C。所以鐵碳合金由727℃冷卻到室溫的過程中，鐵素體中會有滲碳體析出，這種滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。由于三次滲碳體沿鐵素體晶界析出，因此對于工業(yè)純鐵和低碳鋼影響較大；但是對于含碳量較高的鐵碳合金，三次滲碳體〔含量太少〕可以忽略不計。GS線是冷卻過程中，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開場線；或者說是加熱過程中，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線〔具有同素異晶轉(zhuǎn)變的純金屬，其固溶體也具有同素異晶轉(zhuǎn)變，但其轉(zhuǎn)變溫度有變化〕。根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織的不同，可以分為純鐵、鋼和白口鐵三類。圖7Fe-Fe3C1.純鐵——含碳量<0.0218%，顯微組織為鐵素體。2.鋼——含碳量0.0218%～2.11%，特點是高溫組織為單相奧氏體，具有良好的塑性，因而適于鍛造。根據(jù)室溫組織的不同，鋼又可以分為：亞共析鋼(Hypo-eutectoidsteel)：含碳量0.0218%~0.77%，具有鐵素體α+珠光體P的組織，且含碳量越高〔接近0.77%〕,珠光體的相對量越多，鐵素體量越少。共析鋼(Eutectoid)：含碳0.77%，組織是全部珠光體P。過共析鋼(Hyper-eutectoid)：含碳量0.77%～2.11%，組織是珠光體P+滲碳體Fe3C3.白口鐵——含碳量2.11%～6.69%，特點是液態(tài)結(jié)晶時都有共晶轉(zhuǎn)變，因而具有良好的鑄造性能。但是即使在高溫也是脆性材料，不能鍛造。根據(jù)室溫組織不同，白口鐵又分為：亞共晶白口鐵(Hypo-eutecticwhiteiron)：含碳2.11%～4.30%，組織是珠光體P+滲碳體Fe3C+萊氏體Ld共晶白口鐵(Eutecticwhiteiron)：含碳4.30%，組織是萊氏體Ld'。過共晶白口鐵(Hyper-eutecticwhiteiron)：含碳4.3%~6.69%，組織是滲碳體Fe3C+萊氏體Ld工業(yè)純鐵在緩慢冷卻過程中發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變主要是同素異晶轉(zhuǎn)變和Fe3CIII的析出。在冷卻過程中合金的組織轉(zhuǎn)變情況見動畫演示。室溫下工業(yè)純鐵的組織為鐵素體以及分布在晶界處極少量的三次滲碳體(Fe3CIII)。工業(yè)純鐵實際室溫組織的照片見圖2。工業(yè)純鐵冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變工業(yè)純鐵冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變根據(jù)Fe-Fe3C相圖，共析鋼從液態(tài)冷卻到室溫要發(fā)生三次組織轉(zhuǎn)變：勻晶轉(zhuǎn)變L→γ〔奧氏體〕，共析轉(zhuǎn)變γ→(α+Fe3C)〔珠光體P〕,α中析出三次滲碳體(Fe3CIII)。具體轉(zhuǎn)變過程見動畫演示。室溫下共析鋼的組織組成全部為珠光體〔可以忽略Fe3C共析鋼冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變圖8共析鋼的室溫組織(P)共析鋼只有一種組織〔忽略Fe3CIII〕，即珠光體P，珠光體由α和Fe3C兩個相組成。應用杠桿定律可以計算出α和Fe3例題計算珠光體中α和Fe3C解：應選擇α+Fe3C二相區(qū)，共析溫度〔727℃或QFe3C=1-Qα=1-88.75%=11.25%含碳0.45%的亞共析鋼是應用十分廣泛的一種鋼，通常稱為45號鋼。45鋼在液態(tài)到室溫的冷卻過程中將發(fā)生以下轉(zhuǎn)變：勻晶轉(zhuǎn)變L0.45→L0.53+δ，包晶轉(zhuǎn)變L0.53+δ→γ0.45，同素異晶轉(zhuǎn)變γ0.45→α+γ0.77，共析轉(zhuǎn)變γ0.77→(α+Fe3C)。轉(zhuǎn)變過程見動畫演示。室溫下45鋼的組織為：鐵素體α+珠光體P〔α+Fe3C〕。45鋼的實際室溫組織照片見圖9。所有亞共析鋼的室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成，區(qū)別僅在于相對量的差異：含碳量越高〔越接近0.77%C〕，珠光體的量越多、鐵素體的量越少。圖10和圖11分別是20鋼(0.20%C)和60鋼(0.60%C)的組織照片，可以明顯看出鐵素體與珠光體的相對量隨含碳量的變化。應用杠桿定律可以準確計算相對量的多少。45鋼冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變圖945鋼的室溫組織圖1020鋼的室溫組織圖1160鋼的室溫組織例題應用杠桿定律計算45鋼中鐵素體α和珠光體P的相對量。解：應選擇α+γ二相區(qū)，共析溫度或QP=1-Qα=1-42.77%=57.23%同樣可以計算出20鋼：Qα=76.18%,QP=23.82%；60鋼：Qα=22.72%,QP=77.28%。過共析鋼在液態(tài)到室溫的冷卻過程中，首先進展勻晶轉(zhuǎn)變，形成單相固溶體γ；當溫度到達ES線以下時，過飽和的固溶體γ中析出滲碳體〔二次滲碳體Fe3CII〕，奧氏體γ的成分變到共析點S(0.77%C)；共析轉(zhuǎn)變γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光體P。因此，過共析鋼的室溫組織為珠光體P(α+Fe3C)+Fe3CII。具體轉(zhuǎn)變過程見動畫演示。實際1.2%C〔T12〕鋼的室溫組織照片見圖12。對于過共析鋼，隨著含碳量增高，鋼中Fe3CII的量增大。由于大量的Fe3CII會形成網(wǎng)狀構(gòu)造，造成鋼的脆性急劇增高，所以實際生產(chǎn)中使用的鋼含碳量一般都低于1.5%；另外，含有網(wǎng)狀Fe3CII的鋼不能直接使用，需要經(jīng)過鍛造〔壓碎Fe3過共析鋼冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變演示圖121.2%C過共析鋼的室溫組織圖131.4%C過共析鋼的室溫組織比擬圖12和圖13，可以看出1.4%C鋼中的Fe3CII的量比1.2%C中明顯的多。共晶白口鐵在從液態(tài)緩慢冷卻到室溫的過程中，首先在1148℃進展共晶轉(zhuǎn)變，液相全部凝固成為高溫萊氏體Ld〔共晶組織〕：在1148℃到727℃之間，萊氏體中的奧氏體γ將按照ES線的變化趨勢析出二次滲碳體Fe3CII，而奧氏體在727℃時的含碳量降到0.77%；此時，奧氏體進展共析轉(zhuǎn)變，將全部轉(zhuǎn)變成珠光體P：以上轉(zhuǎn)變過程見動畫演示。經(jīng)過共析轉(zhuǎn)變的萊氏體，稱為低溫萊氏體，用符號Ld'表示，以區(qū)別Ld。珠光體中的滲碳體叫做共析滲碳體，共晶組織中的滲碳體叫做共晶滲碳體。所以，共晶白口鐵的室溫組織為低溫萊氏體Ld'，其組織組成為：P+Fe3C共晶+Fe3共晶白口鐵(4.3%C)冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變圖14共晶白口鐵的室溫組織亞共晶白口鐵冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變與共晶白口鐵類似，只是在共晶轉(zhuǎn)變之前，液相中先結(jié)晶出奧氏體。到達1148℃時，剩余的液相成份為4.3%C，再往下面，液相的轉(zhuǎn)變就與共晶白口鐵一樣了。先結(jié)晶出來的奧氏體和共晶奧氏體一樣，在以后的冷卻過程中依次析出二次滲碳體〔難以明顯看出〕和進展共析轉(zhuǎn)變〔見下面動畫演示〕。室溫下亞共晶白口鐵的平衡組織為：P+Fe3CII+Ld'。圖15為實際亞共晶白口鐵的室溫組織。亞共晶白口鐵(3.0%C)冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變圖15亞共晶白口鐵的室溫組織，圖中黑色樹枝狀組織為珠光體，其余為共晶組織〔低溫萊氏體Ld'〕。過共晶白口鐵在從液態(tài)到室溫的冷卻過程中，先從液相中結(jié)晶出來的是一次滲碳體Fe3CI，剩余的液相在