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1、7.3.8 二元合金相图分析实例I,重点：铁碳相图,碳钢和铸铁是使用最为广泛的金属材料，它们是由铁和碳组成的合金。不同成分的碳钢和铸铁，其组织和性能是不同的。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。,一、Fe-C合金中的相,1.纯铁 纯铁在1538凝固为体心立方的-Fe。继续冷却时，在1394转变为面心立方的-Fe，912又转变为体心立方的-Fe。-Fe和-Fe都具有体心立方结构，而且-Fe的性能数值都位于-Fe的性能温度曲线的外延线上，因此通常把铁和铁看作是同一个相。,纯铁的原子间距和原子体积与温度的关系,纯铁的力学性能大致为：b=1762
2、74MPa，=3050%，0.2=98166MPa，=7080%。HB=5080，k=1.52MJ/m2。2.碳碳的原子序数为6，原子量为12.01，原子半径为0.077nm，20时的密度为2.25103kg/m3。,在自然中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。在铁碳合金中碳不以金刚石形态存在。石墨具有层状结构。六方层中的近邻原子间距为0.142nm，层间距为0.340nm。石墨的硬度很低，只有35HB，而塑性几乎接近于零。铁碳合金中的石墨用符号G或C表示。,3.固溶体碳的原子半径较小，可以进入-Fe -Fe中的原子间隙而形成间隙固溶体。铁的溶碳能力很小，最大溶解度只有0.0218%（重量）。在第
3、四周期的体心立方过渡族金属中是最小的，如图所示。,碳在第四周期过渡族金属中的最大溶解度,碳在铁中形成的间隙固溶体叫做铁素体，常用符号F或表示。它的性能与纯铁相差无几，居里点也是770。晶粒常呈多边形。-Fe的原子间隙较-Fe大，因此碳在-Fe中的溶解度也比较大。最大溶解度为2.11%。-Fe中的八面体间隙大于其四面体间隙，一般认为碳在铁中形成间隙固溶体时，是进入八面体间隙的。这种固溶体叫做奥氏体，常用符号A或表示。晶粒呈平直多边形。,碳在Fe晶格中的位置,奥氏体的显微组织,碳在奥氏体中的最大溶解度如以原子百分数表示，大约为9%，即铁原子与碳原子之比大约为10:1。面心立方晶胞中有4个铁原子和4
4、个八面体间隙。这就是说，即便达到最大溶解度，也只有平均每2.5个晶胞中才有一个八面体间隙被碳原子所占据。奥氏体塑性很好，具有顺磁性。,4.渗碳体在铁碳合金中，铁和碳可以形成间隙化合物Fe3C，其中含碳6.69%，称为渗碳体，也可用符号Cm表示。渗碳体属于正交晶系，点阵常数为a=0.4524nm，b=0.5089nm，c=0.6743nm。渗碳体晶胞内含有12个铁原子和4个碳原子，符合FeC=31的关系。,作为一种中间相，渗碳体有很高的硬度(HV=9501050)，而塑性几乎为零。它在常温具有铁磁性，居里点为230，常用A0表示，熔点为1227。 Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状
5、。渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。,5.铁碳合金相图渗碳体在热力学上是一个亚稳定的相，而石墨才是稳定的相。由于石墨的表面能很大，形核需要克服很高的能垒，因此在一般条件下，铁碳合金中的碳更易和铁化合成渗碳体。,在一定的条件下，例如极为缓慢的冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，铁碳合金中的碳仍可以以石墨的形式存在。这样一来，铁碳合金中的相平衡就有两种情况：一种是合金的液体、固溶体和渗碳体之间的亚稳平衡，另
6、一种是合金的液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡。,与这两种情况相应，人们做出了两个铁碳合金相图。一个是亚稳定的铁-渗碳体合金相图，它实际上是亚稳定铁碳合金相图的铁端部分，即含碳量为06.69%的部分。另一个是稳定的铁-石墨合金相图，它从0%C一直延伸到100%C。通常把这两个相图中的相同部分画在一起，用实线表示前者，虚线表示后者。无虚线部分属两个相图共有。,铁碳合金双重相图,二、Fe-Fe3C合金相图分析,组元为Fe和Fe3C。如前所述，纯铁在固态有两种同素异构体，存在于不同的温度范围。Fe3C（渗碳体）为间隙化合物，是稳定化合物，在熔化前不分解，故可看作独立组元，将相图分解为Fe-Fe3C部分
7、。,Fe-Fe3C相图中有5个单相区，分别为：(1)液相区(L)：ABCD线以上的区域为液相区。(2)相区：相为碳在Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，在GPQ区内。(3) 相区：相为碳在Fe中的固溶体，具有面心立方晶格，在GSEJN区内。(4)相区：为碳在Fe中的固溶体，也是体心立方晶格，在AHN区内。(5)Fe3C相区：实际为代表Fe3C的纵轴DK。 两个单相区间所夹的相区为相应的两相区。在室温下，不同成分范围的合金均处于+Fe3C两相区。,液相区：ABCD线以上的区域相区：在GPQ区内为相 相区：在GSEJN区内相区：AHN区内 Fe3C相区：DK,(1)液相线: ABCD。(2)固相线:
8、 AHJECF。(3)包晶反应线: HJB，发生包晶反应:LB+HJ形成奥氏组织(A)(4)共晶反应线: ECF，发生共晶反应:LCE+ Fe3C形成莱氏体组织(Ld)(5)共析反应线: PSK，发生共析反应:SP+ Fe3C形成珠光体组织,相图中的相界线有以下几种：,相图中重要的反应点：,(1)包晶反应点J在J点成分的合金可全部发生包晶反应。在1495发生的包晶转变：LBHJ转变产物是奥氏体； (2)共晶反应点C：C点成分的液相发生共晶反应。在1148发生的共晶转变：LcE+Fe3C，转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体； (3)共析反应点SS成分的相发生共析反应。在727发生共
9、析转变：sP+Fe3C，转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体。,(1)GS线奥氏体中开始析出铁素体（降温时）或铁素体全部溶入奥氏体（升温时）的转变线，常称此温度为A3温度。 (2)ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线。此温度常称Acm温度。低于此温度，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳体，用Fe3CII表示，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体 Fe3CI。,在FeFe3C相图中还有3条重要的固态转变线,(3)PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。在727时，碳在铁素体中的最大的w(C)为0.0218，因此，铁素体从727冷却时也会析出极少量的渗碳体，以三次渗碳体Fe3CIII称之，以区
10、别上述两种情况产生的渗碳体。,在FeFe3C相图中还有3条重要的固态转变线, 230为水平线为Fe3C的磁性转变线，230以上Fe3C无磁性，230以下为铁磁性。常用A0表示 770为的铁磁性转变线。770以上无铁磁性，770以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里点。,两条磁性转变线,三、典型铁碳合金的平衡组织,铁碳合金通常可按含碳量及其室温平衡组织分为三大类： 工业纯铁: w(C)0.0218% 碳 钢: 0.0218%w(C)2.11% 铸 铁: 2.11%w(C)6.69% 碳钢和铸铁是按有无共晶转变来区分的，无共晶转变，即无莱氏体的合金称为碳钢。 在碳钢中，又分为亚共析钢、共析钢及过共析
11、钢。,按碳含量划分铁碳合金的7种类型:, 工业纯铁，w(C)0.0218%; 共析钢，w(C)=0.77%； 亚共析钢，0.0218%w(C)0.77%； 过共析钢，0.77%w(C)2.11%； 共晶白口铁，w(C)=4.30%； 亚共晶白口铁，2.11%w(C)4.30%； 过共晶白口铁，4.30%w(C)6.69%；,1.工业纯铁以Wc=0.01%的合金为例,转变过程：LL+ + Fe3C 匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀室温组织为： + Fe3C Fe3C最多为0.33%,工业纯铁室温组织图（200）,工业纯铁的显微组织,2.钢,钢(steel)：是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之
12、间的FeC合金。其特点是：高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（carbon steel）又可分为：共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77%亚共析钢（hypoeutectoid steel）：Wc=0.02180.77%过共析钢（hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11%,（1）共析钢（Wc=0.77%）的结晶过程,液态金属冷却到1点温度，开始结晶出相，此时，液相成分沿BC变化， 相成分沿JE变化。当温度达到2点温度时，液相全部转化为相。在23温度区间，合金为相单相组织。在3点温度合金发生共析
13、反应，由相分解为P(Fe3CII)组织。温度继续下降，将从相中脱溶出少量的Fe3CIII，由于Fe3CIII依附于Fe3CII生长，因此无法分辨。室温组织为P,共析钢的结晶过程,结晶过程如下： LL+P+P（+ Fe3C） 匀晶转变共析转变脱溶沉淀 室温组织为P(+Fe3C)，P呈层片状，是和Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。如图中的白色片状为，黑色片状为Fe3C。 冷却曲线,共析钢的室温组织（500）,（2）亚共析钢的结晶过程 (合金 Wc=0.40%),在01点温度范围，合金为L相。在12点温度范围，合金发生匀晶转变，L。合金处于L+两相平衡。随温度下降，L和相的成分沿液相线AB和固相线
14、AH变化。在略高于2点温度时，L相的成分为B点成分，相的成分为H点的成分。在2点温度时，发生包晶转变，LB+HJ。合金处于三相平衡。在23点温度范围，从液相中继续结晶出相，L。直至3点温度时，处于单相 。,在34点温度范围，合金仍为单相 。在45点温度范围，发生同素异晶转变，部分相转变为先共析相， 。此时，合金处于 +两相平衡。随温度下降，和相的成分分别沿着GS线和GP线变化。在略高于5点温度时， 相的成分为S点成分，相的成分为P点成分。在5点温度，相发生共析反应，形成珠光体组织P ， (+Fe3C)。此时，合金处于三相平衡。,在略低于5点温度时，共析转变终了， 相消失，合金处于+Fe3C两相平衡。合金的组织为+(+Fe3C)，可以记作为F+P，其中的F为先共析相，P为珠光体组织。在56点温度范围，相中析出Fe3C相，Fe3C，其量甚少，一般忽略不计。室温（6点）下的组织仍为F+P,过程如下： LL+L+L+ +P+ P （析出Fe3C） 匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀室温组织为：+ P 如图中的白色为，黑色片状为P。 特别需注意：室温组织为+ P，由于是发生在共析转变之前，我们称为先共析铁素体。共析转变之前+和的相对量(即共析转变后和P的相对量)可通过杠杆法则来计算。冷却曲线,白色的组织为F晶粒，黑色的为P组织,
