铁碳合金相图详细讲解.doc

铁碳合金相图详细讲解.doc

《铁碳合金相图详细讲解.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铁碳合金相图详细讲解.doc（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

......

第三章铁碳合金相图

非合金钢[（GB／T13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。

了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。

本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。

铁与碳可以形成一系列化合物：

、、等。

的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是-相图。

相图的两个组元是和。

3.1-系合金的组元与基本相

3.l.l组元

⑴纯铁是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为。

纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：

-（体心）-（面心）-（体心）

工业纯铁的力学性能大致如下：

抗拉强度=180～230，屈服强度＝100～170，伸长率30～50％，硬度为50～80。

可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。

⑵是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号表示。

具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050，抗拉强度=30，伸长率。

3.1.2基本相

-相图中除了高温时存在的液相，和化合物相外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：

⑴高温铁素体碳溶于-的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号表示。

⑵铁素体碳溶于-的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号或表示。

中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。

力学性能与工业纯铁相当。

⑶奥氏体碳溶于-的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号或表示。

奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。

奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。

3.2-相图

3.2.1-相图中各点的温度、含碳量及含义

-相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。

图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。

C,％（重量）→

图3.1-相图

表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义

符号

温度（℃）

含碳量[%（质量）]

含义

A

B

C

D

E

F

G

H

J

K

N

P

S

Q

1538

1495

1148

1227

1148

1148

912

1495

1495

727

1394

727

727

600

（室温）

0

0.53

4.30

6.69

2.11

6.69

0

0.09

0.17

6.69

0

0.0218

0.77

0.0057

（0.0008）

纯铁的熔点

包晶转变时液态合金的成分

共晶点

Fe3C的熔点

碳在γ-Fe中的最大溶解度

Fe3C的成分

α-Fe→γ-Fe同素异构转变点

碳在δ-Fe中的最大溶解度

包晶点

Fe3C的成分

γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点

碳在α-Fe中的最大溶解度

共析点

600℃（或室温）时碳在α-Fe中的最大溶解度

3.2.2-相图中重要的点和线

3.2.2.1三个重要的特性点

⑴点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。

点成分的与点成分的发生包晶反应，生成点成分的。

包晶反应在恒温下进行，反应过程中、、三相共存，反应式为：

或。

⑵点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。

点成分的发生共晶反应，生成点成分的和。

共晶反应在恒温下进行，反应过程中、、三相共存，反应式为：

或。

共晶反应的产物是与的共晶混合物，称莱氏体，用符号表示，所以共晶反应式也可表达为：

。

莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。

在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状（727℃时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。

⑶点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时点成分的发生共析反应，生成点成分的和。

共析反应在恒温下进行，反应过程中、、三相共存，反应式为：

或

共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用符号表示，因而共析反应可简单表示为：

中的渗碳体称为共析渗碳体。

在显微镜下的形态呈层片状。

在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。

的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下：

抗拉强度（）770延伸率（）20～35％

冲击韧性（）30～40硬度（）180

3.2.2.2相图中的特性线

相图中的为液相线；为固相线。

⑴水平线为包晶反应线。

碳含量0.09～0.53％的铁碳含金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。

⑵水平线为共晶反应线。

碳含量在2.11～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。

⑶水平线为共析反应线。

碳含量0.0218～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。

线在热处理中亦称线。

⑷线是合金冷却时自中开始析出的临界温度线，通常称线。

⑸线是碳在中的固溶线，通常称线。

由于在1148℃时中溶碳量最大可达2.11％，而在727℃时仅为0.77％，因此碳含量大于0.77％的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从中析出。

析出的渗碳体称为二次渗碳体（）。

线亦是从中开始析出的临界温度线。

⑹线是碳在中的固溶线。

在727℃时中溶碳量最大可达0.0218％，室温时仅为0.0008％，因此碳含量大于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从中析出。

析出的渗碳体称为三次渗碳体（）。

线亦为从中开始析出的临界温度线。

数量极少，往往可以忽略。

下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽略这一析出过程。

3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程

根据-相图，铁碳含金可分为三类：

⑴

⑵

⑶

下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。

3.3.1工业纯铁

以含碳0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。

合金在1点以上为液相。

冷却至稍低于1点时，开始从中结晶出，至2点合金全

部结晶为。

从3点起，逐渐转变为，至4点全部转变完了。

4-5点间冷却不变。

自5点始，从中析出。

在晶界处生核并长大，至6点时全部转变为。

在6-7点间冷却不变。

在7-8点间，从晶界析出。

因此合金的室温平衡组织为+。

呈白色块状；量极少，呈小白片状分布于晶界处。

若忽略，则组织全为。

图3.2工业纯铁结晶过程示意图

3.3.2共析钢

其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。

合金冷却时，于1点起从中结晶出，至2点全部结晶完了。

在2-3点间冷却不变。

至3点时，发生共析反应生成。

从3′继续冷却至4点，皆不发生转变。

因此共析钢的室温平衡组织全部为，呈层片状。

共析钢的室温组织组成物也全部是，而组成相为和，它们的相对质量为：

;

图3.3共析钢结晶过程示意图

3.3.3亚共析钢

以含碳0.4％的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示。

合金冷却时，从1点起自中结晶出，至2点时，成分变为0.53％，变为0.09％，发生包晶反应生成，反应结束后尚有多余的。

2′点以下，自中不断结晶出，至3点合金全部转变为。

在3-4点间冷却不变。

从4点起，冷却时由中析出，在晶界处优先生核并长大，而和的成分分别沿和线变化。

至5点时，的成分变为0.77％，的成分变为0.0218％。

此时发生共析反应，转变为，不变化。

从5′继续冷却至6点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为+。

呈白色块状；呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。

碳含量大于0.6％的亚共析钢，室温平衡组织中

的常呈白色网状，包围在周围。

图3.4亚共析钢结晶过程示意图

含0.4％的亚共析钢的组织组成物（和）的相对质量为：

；

组成相（和）的相对质量为：

由于室温下的含碳量极微，若将中的含碳量忽略不计，则钢中的含碳量全部在中，所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。

即根据的含量可求出钢的含碳量为：

。

由于和的密度相近，钢中和的含量（质量百分数）可以近似用对应的面积百分数来估算。

图3.5过共析钢结晶过程示意图

3.3.4过共析钢

以碳含量为1.2％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示。

合金冷却时，从1点起自中结晶出，至2点全部结晶完了。

在2-3点间冷却不变，从3点起，由中析出，呈网状分布在晶界上。

至4点时的碳含量降为0.77％，4-4′发生共析反应转变为，而不变化。

在4′-5点间冷却时组织不发生转变。

因此室温平衡组织为+。

在显微镜下，呈网状分布在层片状周围。

含1.2％的过共析钢的组成相为和；组织组成物为和，它们的相对质量为：

3.3.5共晶白口铸铁

共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示。

图3.6共晶白口铸铁结晶过程示意图

合金在1点发生共晶反应，由转变为（高温）莱氏体（+）。

在1′-2点间，中的不断析出。

与共晶无界线相连，在显微镜下无法分辨，但此时的莱氏体由++组成。

由于的析出，至2点时的碳含量降为0.77％，并发生共析反应转变为；高温莱氏体转变成低温莱氏体′（++）。

从2′至3点组织不变化。

所以室温平衡组织仍为′，由黑色条状或粒状和白色基体组成（见图3.12）。

共晶白口铸铁的组织组成物全为′，而组成相还是和，它们的相对重量可用杠杆定律求出。

3.3.6亚共晶白口铸铁

以碳含量为3％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶讨程如图3.7所示。

图3.7亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

合金自1点起，从中结晶出初生，至2点时的成分变为含4.3％（的成分变为含2.11％），发生共晶反应转变为，而不参与反应。

在2′-3点间继续冷却时，初生不断在其外围或晶界上析出，同时中的也析出。

至3点温度时，所有的成分均变为0.77％，初生发生共析反应转变为；高温莱氏体也转变为低温莱氏体′。

在3′以下到4点，冷却不引起转变。

因此室温平衡组织为++′。

网状分布在粗大块状的周围，′则由条状或粒状和基体组成。

亚共晶白口铸铁的组成相为和。

组织组成物为、、和′。

它们的相对质量可以两次利用杠杆定律求出。

先求合金钢冷却到2点温度时初生和的相对质量：

通过共晶反应全部转变为，并随后转变为低温莱氏体′，所以′％=％=％=41％。

再求3点温度时（共析转变前）由初生析出的及共析成分的的相对质量：

。

由于发生共析反应转变为，所以的相对质量就是46％。

3.3.7过共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁大同小异，唯一的区别是：

其先析出相是一次渗碳体（）而不是，而且因为没有先析出，进而其室温组织中除′中的以外再没有，即室温下组织为′＋，组成相也同样为和，它们的质量分数的计算仍然用杠杆定律，方法同上。

3.4含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系

3.4.1按组织划分的-相图

由-相图，可知铁碳合金室温平衡组织都由和两相组成，随含碳量增高，含量下降，由100％按直线关系变至0（含6.69％时）；含量相应增加，由0按直线关系变至100％（含6.69％时）。

改变含碳量，不仅引起组成相的质量分数变化，而且产生不同结晶过程，从而导致组成相的形态、分布变化，也即改变了铁碳合金的组