铁碳合金相图

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1、铁碳合金的结晶一.铁碳相图 提示：重点内容 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 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。 Fe-Fe3C相图 Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳含量及含义 符号 温度, 碳含量(C)% 含 义 A 1538 0 纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4.30 共晶点 Lc AE+Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔点

2、E 1148 2.11 碳在 -Fe中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C的成分 G 912 0 -Fe-Fe同素异构转变点(A3) H 1495 0.09 碳在 -Fe中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点LB+ H AJ K 727 6.69 Fe3C的成分 N 1394 0 -Fe-Fe同素异构转变点(A4) P 727 0.0218 碳在 -Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点(A1) As FP+Fe3C Q 600 0.0057 600时碳在 -Fe中的溶解度 (室温) (0.0008) 1. 铁碳合金的组元 (1) Fe 铁是过渡族元素, 熔点或凝固

3、点为1538, 相对密度是7.87g/cm3。 纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394及912时, 先后发生两次同素异构转变。（见2-1-2）？ 纯铁是如何结晶的 工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。主要机械性能如下： 抗拉强度极限 b 180MPa230MPa 抗拉屈服极限 0.2 100MPa170MPa 延伸率 30%50% 断面收缩率 70%80% 冲击韧性 ak 1.6106J/m22106 J/m2 硬度50HB80HB (2) Fe3C Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 通常称为渗碳体, 用Cm表示。 渗碳体的机械性能特点是硬而脆, 大致性能如

4、下： 抗拉强度极限 b 延伸率 断面收缩率 冲击韧性 ak 硬度 30MPa 0 0 0 800 HB 2. 铁碳合金中的相 Fe-Fe3C相图中存在五种相。 液相L 液相L是铁与碳的液溶体。 相 相又称高温铁素体, 是碳在 -Fe中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格, 在1394以上存在, 在1495时溶碳量最大, 为0.09%。 相 相也称铁素体, 用符号 F或 表示, 是碳在 -Fe 中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%, 600时为 0.0057%, 在727时溶碳量最大, 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性

5、能与工业纯铁大致相同。 相 相常称奥氏体, 用符号 A或 表示, 是碳在 -Fe中的间隙固溶体, 呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大, 在1148时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。 Fe3C相 Fe3C相是一个化合物相, 其晶体结构和性能已于前述, 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 3. 相图中重要的点和线 重要的点: J为包晶点。合金在平衡结晶过程中冷却到1495时, B点成分的L与H点成分的 发生包晶反应, 生成J点成分的A。 C点为共晶点。合金在平衡结晶过程中冷却到1148时, C点成分的L

6、发生共晶反应, 生成E点成分的A和Fe3C。共晶反应在恒温下进 行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。 莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A(室温时转变成珠光体)分布在渗碳体基体上。 S点为共析点。合金在平衡结晶过程中冷却到727时, S点成分的A发生共析反应, 生成P点成分的F和Fe3C。共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe3C三相共存。 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, 以符号P表示。 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠光体的形态呈

7、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)。 珠光体的强度较高, 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： 抗拉强度极限 b 冲击韧性ak 延伸率 硬度 770MPa 3105 J/m2 4105J/m2 20%35% 180HB Fe-Fe3C相图中重要的线: 水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。 水平线ECF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。 水平线PSK为共析反应线。碳含量0.0218%6.69%的铁碳合金, 在平衡

8、结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。 GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线。 ES线是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线。由于在1148时A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A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。 PQ线是碳在F中固溶线。在727时F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F中析

9、出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少, 往往予以忽略。二.典型铁碳合金的平衡结晶过程 根据Fe-Fe3C相图, 铁碳合金可分为三类： (1)工业纯铁(C)0.0218% (2)钢0.0218%(C)2.11% 亚共析钢 0.0218%(C)0.77% 共析钢 (C) = 0.77% 过共析钢 0.77%(C)2.11% (3)白口铸铁2.11%(C)6.69% 亚共晶白口铸铁 2.11%(C)4.3% 共晶白口铸铁 (C) = 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%(C)6.69% 几种碳钢的钢号和碳含

10、量 类型 亚共析钢 共析钢 过共析钢 钢号 20 45 60 T8 T10 T12 碳质量分数/% 0.20 0.450.60 0.80 1.00 1.20 (6)(4)(7)(5)(3)(2)(1)典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置 下面分别对图中七种典型铁碳合金的结晶过程进行分析 1. 工业纯铁(C0.0218%) 以碳质量分数为0.01%的铁碳合金为例, 其平衡结晶过程为：合金在1点以上为液相L。冷却至稍低于1点时, 开始从L中结晶出 , 至2点合金全部结晶为 。 从3点起, 逐渐转变为A, 至4点全部转变完了。 4-5点间A冷却不变, 自5点始, 从A中析出 F。 F在A晶界处生

11、核并长大, 至6点时A全部转变为 F。 在6-7点间F冷却不变。 在7-8点间, 从F晶界析出Fe3CIII。因此合金的室温平衡组织为F+ Fe3CIII。F呈白色块状; Fe3CIII量极少, 呈小白片状分布于F晶界处。若忽略Fe3CIII, 则组织全为F。 2. 共析钢(C=0.77%) 提示：重点内容 碳质量分数为0.77%的钢为共析钢, 其平衡结晶过程为： 合金冷却时, 于1点起从L中 晶出A, 至2点全部结晶完了。 在2-3点间A冷却不变。 至3点时, A发生共析反应生成P。从3继续冷却至4点, P不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P。P呈层片状。 共析钢的室温组织 共析钢的

12、室温组织组成物全部是P, 而组成相为F和Fe3C, 它们的质量分数为： 3. 亚共析钢(0.0218%C0.77%) 以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例, 平衡结晶过程 ：合金冷却时, 从1点起自L中结晶出 , 至2点时, L成分变为0.53%C, 变为0.09%C, 发生包晶反应生成 A0.17 。反应结束后尚有多余的 L。 2点以下, 自 L中不断结晶出 , 至3点合金全部转变为 A。 在3-4 点间A冷却不变, 从4点起, 冷却时由A中析出F, F在A晶界处优先生核并长大, 而A和F的成分分别沿GS和GP线变化。 至5 时, A的成分变为0.77%C,F的成分变为0.0218%C。此时A发生共析反应, 转变为P, F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F+P。F呈白色块状; P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F常呈白色网状, 包围在P周围。 含0.4%C的亚共析钢的组织组成物为F和P, 它们的质量分数为： 钢的组成相为F和Fe3C, 它们的质量分数为： 亚共析钢的碳质量分数可由其室温平衡组织来估算。若将F中的碳含量忽略不计, 则钢中的