铁碳相图和铁碳合金Word格式文档下载.docx
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碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%,而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁
纯铁的熔点1538℃,固态下具有同素异晶转变:
912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构,912℃到1394℃之间为面心立方(FCC),1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2
工业纯铁的显微组织
图3
奥氏体的显微组织
铁的固溶体
碳溶解于α-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite),用α、δ或F表示,由于δ-Fe是高温相,因此也称为高温铁素体。
铁素体的含碳量非常低(室温下含碳仅为0.005%),所以其性能与纯铁相似:
硬度(HB50~80)低,塑性(延伸率δ为30%~50%)高。
铁素体的显微组织与工业纯铁相同(图2)
碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite),用γ或A表示。
具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳,1148℃时最多可以溶解2.11%的碳,到727℃时含碳量降到0.8%。
奥氏体的硬度(HB170~220)较低,塑性(延伸率δ为40%~50%)高。
奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4
碳在γ-Fe晶格中的位置
图5
渗碳体的晶格
渗碳体(Fe3C)
渗碳体是铁和碳形成的化合物,含碳量为6.67%(有些书上为6.69%),具有复杂的晶体结构(图5),熔点为1227℃。
渗碳体硬度极高(HB800),塑性几乎等于0,是硬脆相。
在一定条件下,渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳:
Fe3C→3Fe+C(石墨)。
这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。
从某种意义上讲,铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具,是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础,也是制定各种热加工工艺的依据。
一、铁碳合金中的基本相
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图,铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。
铁存在着同素异晶转变,即在固态下有不同的结构。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体,Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。
由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同,因而两者的溶碳能力也不同。
1,铁素体(ferrite)
铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"
F"
(或α)表示,体心立方晶格;
虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.
铁碳合金中的基本相
铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低.
δ=30%~50%,AKU=128~160Jσb=180~280MPa,50~80HBS.
铁碳合金中的基本相
铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围.
2,奥氏体(Austenite)
奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"
A"
(或γ)表示,面心立方晶格;
虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.
在一般情况下,奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"
趁热打铁"
正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.
另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件.
奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在.
3,渗碳体(Cementite)
渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"
Fe3C"
表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃,
质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.
渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响.
总结:
在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的.
铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为Fe-Fe3C相图,此时相图的组元为Fe和Fe3C.
_由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图.
铁碳相图和铁碳合金
(二)
图6
Fe-Fe3C相图
单相区——5个
相图中有5个基本的相,相应的有5个相区:
液相区(L)——ABCD以上区域
δ固溶体区——AHNA
奥氏体区(γ)——NJESGN
铁素体区(α)——GPQ以左
渗碳体区(Fe3C)——DFK直线
两相区——7个
7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间:
L+δ——AHJBA
L+γ——BJECB
L+Fe3C——DCFD
δ+γ——HNJH
γ+α——GPSG
γ+Fe3C——ESKFCE
α+Fe3C——PQLKSP
三相区——3个
包晶线——水平线HJB(L+δ+γ)
共晶线——水平线ECF(L+γ+Fe3C)
共析线——水平线PSK(γ+α+Fe3C)
相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表1。
表1Fe-Fe3C相图中的特性点
符号
T/℃
C%
说
明
A
1538
纯铁的熔点
B
1495
0.53
包晶转变时液相成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.67
渗碳体的熔点
E
2.11
碳在γ-Fe中的最大溶解度
F
渗碳体的成分
G
912
纯铁α↔γ转变温度
H
0.09
碳在δ-Fe中的最大溶解度
J
0.17
包晶点
K
727
N
1394
纯铁γ↔δ转变温度
P
0.0218
碳在α-Fe中的最大溶解度
S
0.77
共析点
Q
600
0.0057
600˚C碳在α-Fe中的溶解度
200
7×
10-7
200˚C碳在α-Fe中的溶解度
Fe-Fe3C相图包含三个恒温转变:
包晶、共晶、共析。
包晶转变发生在1495℃(水平线HJB),反应式为:
式中
L0.53——含碳量为0.53%的液相;
δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体;
γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体,即奥氏体,是包晶转变的产物。
含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷却到1495℃时,均要发生包晶反应,形成奥氏体。
共晶转变发生在1148℃(水平线ECF),反应式为:
共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物,称为莱氏体,用符号Ld表示。
凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时,都会发生共晶反应,形成莱氏体。
共析转变发生727℃(水平线PSK),反应式为:
共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物,称为珠光体,用字母P表示。
含碳量大于0.0218%的铁碳合金,冷却至727℃时,其中的奥氏体必将发生共析转变,形成珠光体。
Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的,它们的含义简述如下:
ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。
奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时,可以溶解2.11%的碳。
而在727℃时,溶碳量仅为0.77%,因此含碳量大于0.77%的合金,从1148℃冷到727℃的过程中,将自奥氏体中析出渗碳体,这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。
PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。
727℃时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%),而在200℃仅可以溶解7×
10-7%C。
所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中,铁素体中会有渗碳体析出,这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。
由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出,因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大;
但是对于含碳量较高的铁碳合金,三次渗碳体(含量太少)可以忽略不计。
GS线是冷却过程中,奥氏体向铁素体转变的开始线;
或者说是加热过程中,铁素体向奥氏体转变的终了线(具有同素异晶转变的纯金属,其固溶体也具有同素异晶转变,但其转变温度有变化)。
铁碳相图和铁碳合金(三)
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同,可以分为纯铁、钢和白口铁三类。
图7
Fe-Fe3C合金分类
1.纯铁——含碳量<
0.0218%,显微组织为铁素体。
2.钢——含碳量0.0218%~2.11%,特点是高温组织为单相奥氏体,具有良好的塑性,因而适于锻造。
根据室温组织的不同,钢又可以分为:
亚共析钢(Hypo-eutectoidsteel):
含碳量0.0218
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- 相图 合金