鐵碳合金相圖

1、鐵碳合金的結(jié)晶一.鐵碳相圖                                 提示：重點(diǎn)內(nèi)容    鐵碳相圖是研究鋼和鑄鐵的基礎(chǔ)，對(duì)于鋼鐵材料的應(yīng)用以及熱加工和熱處理工藝的制訂也具有重要的指導(dǎo)意義。  &#

2、160; 鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有實(shí)用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常稱其為 Fe-Fe3C相圖, 此時(shí)相圖的組元為Fe和Fe3C。       Fe-Fe3C相圖                Fe-Fe3C相圖中各點(diǎn)的溫度、碳含量及含義符號(hào)溫度, 碳含量(C)%含義A15380純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分C11484

3、.30      共晶點(diǎn) Lc    AE+Fe3CD12276.69Fe3C的熔點(diǎn)E11482.11碳在 -Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120  -Fe -Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A3)H14950.09碳在 -Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點(diǎn)LB+ H   AJK7276.69Fe3C的成分N13940  -Fe  -Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A4)P7270.0218碳在 -Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)(A1)

4、As FP+Fe3CQ6000.0057600時(shí)碳在 -Fe中的溶解度 (室溫)(0.0008) 1. 鐵碳合金的組元   (1) Fe  鐵是過(guò)渡族元素, 熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)為1538, 相對(duì)密度是7.87g/cm3。純鐵從液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)后, 繼續(xù)冷卻到1394及912時(shí), 先后發(fā)生兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。（見(jiàn)2-1-2）？純鐵是如何結(jié)晶的    工業(yè)純鐵的機(jī)械性能特點(diǎn)是強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。主要機(jī)械性能如下：    抗拉強(qiáng)度極限b    &#

5、160;  180MPa230MPa    抗拉屈服極限0.2      100MPa170MPa     延伸率                30%50%     斷面收縮率         &#

6、160;    70%80%    沖擊韌性 ak              1.6×106J/m22×106 J/m2硬度                     50

7、HB80HB (2) Fe3C   Fe3C是Fe與C的一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物, 通常稱為滲碳體, 用Cm表示。   滲碳體的機(jī)械性能特點(diǎn)是硬而脆, 大致性能如下：抗拉強(qiáng)度極限b延伸率   斷面收縮率   沖擊韌性  ak   硬度30MPa000800 HB2. 鐵碳合金中的相    Fe-Fe3C相圖中存在五種相。    液相L 液相L是鐵與碳的液

8、溶體。    相相又稱高溫鐵素體, 是碳在 -Fe中的間隙固溶體, 呈體心立方晶格, 在1394以上存在, 在1495時(shí)溶碳量最大, 為0.09%。    相 相也稱鐵素體, 用符號(hào) F或 表示, 是碳在 -Fe 中的間隙固溶體, 呈體心立方晶格。鐵素體中碳的固溶度極小, 室溫時(shí)約為0.0008%, 600時(shí)為 0.0057%, 在727時(shí)溶碳量最大, 為0.0218%。鐵素體的性能特點(diǎn)是強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。其機(jī)械性能與工業(yè)純鐵大致相同。     相 

9、 相常稱奧氏體, 用符號(hào) A或 表示, 是碳在 -Fe中的間隙固溶體, 呈面心立方晶格。奧氏體中碳的固溶度較大, 在1148時(shí)溶碳量最大達(dá)2.11%。奧氏體的強(qiáng)度較低, 硬度不高, 易于塑性變形。Fe3C相  Fe3C相是一個(gè)化合物相, 其晶體結(jié)構(gòu)和性能已于前述, 滲碳體根據(jù)生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài), 對(duì)鐵碳合金的機(jī)械性能有很大影響。3. 相圖中重要的點(diǎn)和線  重要的點(diǎn):    J為包晶點(diǎn)。合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到1495時(shí), B點(diǎn)成分的L與H點(diǎn)成分的 發(fā)生包晶反應(yīng), 生成J點(diǎn)成分的A。  &#

10、160; C點(diǎn)為共晶點(diǎn)。合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到1148時(shí), C點(diǎn)成分的L發(fā)生共晶反應(yīng), 生成E點(diǎn)成分的A和Fe3C。共晶反應(yīng)在恒溫下進(jìn) 行, 反應(yīng)過(guò)程中L、A、Fe3C三相共存。     共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的共晶混和物, 稱萊氏體, 以符號(hào) Le表示。     萊氏體中的滲碳體稱共晶滲碳體。在顯微鏡下萊氏體的形態(tài)是：塊狀或粒狀A(yù)(室溫時(shí)轉(zhuǎn)變成珠光體)分布在滲碳體基體上。    S點(diǎn)為共析點(diǎn)。合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到727時(shí), S點(diǎn)成分的A發(fā)生共析反

11、應(yīng), 生成P點(diǎn)成分的F和Fe3C。共析反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行, 反應(yīng)過(guò)程中, A、F、Fe3C三相共存。    共析反應(yīng)的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物, 稱珠光體, 以符號(hào)P表示。    珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。在顯微鏡下珠光體的形態(tài)呈層片狀。在放大倍數(shù)很高時(shí), 可清楚看到相間分布的滲碳體片(窄條)與鐵素體片(寬條)。     珠光體的強(qiáng)度較高, 塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間, 其機(jī)械性能如下：  抗拉強(qiáng)度極限b 沖擊韌性ak延伸率硬度 77

12、0MPa3×105 J/m2 4×105J/m2 20%35%180HBFe-Fe3C相圖中重要的線:   水平線HJB為包晶反應(yīng)線。碳含量0.09%0.53%的鐵碳合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。    水平線ECF為共晶反應(yīng)線。碳含量在2.11%6.69%之間的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。    水平線PSK為共析反應(yīng)線。碳含量0.0218%6.69%的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK線亦稱A1線。  &

13、#160; GS線是合金冷卻時(shí)自A中開(kāi)始析出F的臨界溫度線, 通常稱A3線。    ES線是碳在A中的固溶線, 通常叫做Acm線。由于在1148時(shí)A中溶碳量最大可達(dá)2.11%, 而在727時(shí)僅為0.77%, 因此碳含量大于0.77%的鐵碳合金自1148冷至727的過(guò)程中, 將從A中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII)。Acm線亦為從A中開(kāi)始析出Fe3CII的臨界溫度線。    PQ線是碳在F中固溶線。在727時(shí)F中溶碳量最大可達(dá)0.0218%, 室溫時(shí)僅為0.0008%, 因此碳含量大于0.0008%的鐵

14、碳合金自727冷至室溫的過(guò)程中, 將從F中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。PQ線亦為從F中開(kāi)始析出Fe3CIII的臨界溫度線。Fe3CIII數(shù)量極少, 往往予以忽略。二.典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程     根據(jù)Fe-Fe3C相圖, 鐵碳合金可分為三類：    (1)工業(yè)純鐵(C)0.0218%     (2)鋼0.0218%<(C)2.11%     亞共析鋼 0.0218%<(C)&l

15、t;0.77%                                   共析鋼(C) = 0.77%            &#

16、160;                      過(guò)共析鋼 0.77%<(C)2.11%    (3)白口鑄鐵2.11%<(C)<6.69% 亞共晶白口鑄鐵 2.11%<(C)<4.3%            

17、;                       共晶白口鑄鐵(C) = 4.3%                         

18、          過(guò)共晶白口鑄鐵 4.3%<(C)<6.69%     幾種碳鋼的鋼號(hào)和碳含量類型 亞共析鋼 共析鋼 過(guò)共析鋼 鋼號(hào) 20    45    60T8T10    T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.20  0.45  0.600.801.00    1.20(6)(4)(7)(5)(3)(2)(1)

19、典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置下面分別對(duì)圖中七種典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行分析    1. 工業(yè)純鐵(C0.0218%)    以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的鐵碳合金為例, 其平衡結(jié)晶過(guò)程為：    合金在1點(diǎn)以上為液相L。冷卻至稍低于1點(diǎn)時(shí), 開(kāi)始從L中結(jié)晶出 , 至2點(diǎn)合金全部結(jié)晶為 。    從3點(diǎn)起, 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳, 至4點(diǎn)全部轉(zhuǎn)變完了。   4-5點(diǎn)間A冷卻不變, 自5點(diǎn)始, 從A中析出 F。 F在A

20、晶界處生核并長(zhǎng)大, 至6點(diǎn)時(shí)A全部轉(zhuǎn)變?yōu)?F。    在6-7點(diǎn)間F冷卻不變。    在7-8點(diǎn)間, 從F晶界析出Fe3CIII。因此合金的室溫平衡組織為F+ Fe3CIII。F呈白色塊狀; Fe3CIII量極少, 呈小白片狀分布于F晶界處。若忽略Fe3CIII, 則組織全為F。2. 共析鋼(C=0.77%)                   

21、  提示：重點(diǎn)內(nèi)容       碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%的鋼為共析鋼, 其平衡結(jié)晶過(guò)程為：    合金冷卻時(shí), 于1點(diǎn)起從L中晶出A, 至2點(diǎn)全部結(jié)晶完了。    在2-3點(diǎn)間A冷卻不變。    至3點(diǎn)時(shí), A發(fā)生共析反應(yīng)生成P。從3¢繼續(xù)冷卻至4點(diǎn), P不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此共析鋼的室溫平衡組織全部為P。P呈層片狀。   共析鋼的室溫組織    共析鋼的

22、室溫組織組成物全部是P, 而組成相為F和Fe3C, 它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：          3. 亞共析鋼(0.0218%<C<0.77%)    以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的鐵碳合金為例, 平衡結(jié)晶過(guò)程：    合金冷卻時(shí), 從1點(diǎn)起自L中結(jié)晶出 , 至2點(diǎn)時(shí), L成分變?yōu)?.53%C, 變?yōu)?.09%C, 發(fā)生包晶反應(yīng)生成 A0.17 。反應(yīng)結(jié)束后尚有多余的 L。   2點(diǎn)以下, 自 L中不斷結(jié)晶

23、出 , 至3點(diǎn)合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)?A。    在3-4 點(diǎn)間A冷卻不變, 從4點(diǎn)起, 冷卻時(shí)由A中析出F, F在A晶界處優(yōu)先生核并長(zhǎng)大, 而A和F的成分分別沿GS和GP線變化。    至5 時(shí), A的成分變?yōu)?.77%C,F的成分變?yōu)?.0218%C。此時(shí)A發(fā)生共析反應(yīng), 轉(zhuǎn)變?yōu)镻, F不變化。    從5¢繼續(xù)冷卻至6點(diǎn), 合金組織不發(fā)生變化, 因此室溫平衡組織為F+P。F呈白色塊狀; P呈層片狀, 放大倍數(shù)不高時(shí)呈黑色塊狀。碳含量大于0.6%的亞共析鋼, 室溫平衡組織中的F常呈白色網(wǎng)狀, 包圍在

24、P周圍。    含0.4%C的亞共析鋼的組織組成物為F和P, 它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：                 鋼的組成相為F和Fe3C, 它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：                 亞共析鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)可由其室溫平衡組織來(lái)估算。若將F中的碳含量忽略不計(jì), 則鋼中的碳含量全部在P

25、中, 因此由鋼中P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可求出鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：C%=P%×0.77% 式中, C%表示鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù), P%表示鋼中P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于P和F的密度相近, 鋼中P和F的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以近似用P和F的面積百分?jǐn)?shù)來(lái)估算。  4. 過(guò)共析鋼(0.77%<C2.11%)       以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的鐵碳合金為例, 其平衡結(jié)晶過(guò)程為：    合金冷卻時(shí), 從1點(diǎn)起自L中結(jié)晶出A, 至2點(diǎn)全部結(jié)晶完了。在2-3點(diǎn)間A冷卻不變, 從3點(diǎn)起, 由A中析出Fe3CII, Fe3CI

26、I呈網(wǎng)狀分布在A晶界上。至4點(diǎn)時(shí)A的碳含量降為0.77%, 4-4¢發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻, 而Fe3CII不變化。在4¢-5點(diǎn)間冷卻時(shí)組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為Fe3CII+P。在顯微鏡下,  Fe3CII呈網(wǎng)狀分布在層片狀P周圍。      含1.2%C的過(guò)共析鋼的組成相為F和Fe3C；組織組成物為Fe3CII和P, 它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為: 5. 共晶白口鑄鐵(C=4.3%)    合金在1點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng), 由L轉(zhuǎn)變?yōu)?高溫)萊氏體Le即(A+Fe3C)。1-2點(diǎn)間,

27、Le中的A不斷析出Fe3CII。Fe3CII與共晶Fe3C相連, 在顯微鏡下無(wú)法分辨, 但此時(shí)的萊氏體由A+ Fe3CII+ Fe3C組成。由于Fe3CII的析出, 至2點(diǎn)時(shí)A的碳含量降為0.77%, 并發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻; 高溫萊氏體Le轉(zhuǎn)變成低溫萊氏體Le¢(P+ Fe3CII+ Fe3C)。從2¢至3點(diǎn)組織不變化。所以室溫平衡組織仍為L(zhǎng)e¢, 由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成。    共晶白口鑄鐵的組織組成物全長(zhǎng)為L(zhǎng)e¢, 而組成相還是F和Fe3C。   共晶白口鑄鐵室溫平衡組織130&#

28、215;        6. 亞共晶白口鑄鐵(2.11%<C<4.3%)    以碳含量為3%的鐵碳合金為例。    合金自1點(diǎn)起, 從L中結(jié)晶出初生A, 至2點(diǎn)時(shí)L的成分變?yōu)楹?.3%C(A的成分變?yōu)楹?.11%C), 發(fā)生共晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e, 而A不參與反應(yīng), 在2-3點(diǎn)間繼續(xù)冷卻時(shí), 初生A不斷在其晶界上析出Fe3CII,同時(shí)Le中的A也析出Fe3CII。至3點(diǎn)溫度時(shí), 所有A的成分均變?yōu)?.77%C, 初生A發(fā)生共析

29、反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻; 高溫萊氏體Le也轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體Le。在3¢點(diǎn)以下到4點(diǎn), 冷卻不引起轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為P+ Fe3CII+Le¢。網(wǎng)狀Fe3CII分布在粗大塊狀P的周圍, Le¢則由條狀或粒狀P和Fe3C基體組成。亞共晶白口鑄鐵的組成相為F和Fe3C; 組織組成物為P 、Fe3CII和Le¢。           亞共晶白口鑄鐵室溫平衡組織130×   過(guò)共晶白口鑄鐵室溫平衡組織130× 7. 過(guò)共晶白口鑄鐵(4.3%<C<6

30、.69%)過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織為Fe3CI+Le¢。Fe3CI呈長(zhǎng)條狀, Le由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成。根據(jù)以上對(duì)鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程的分析將組織標(biāo)注在鐵碳相圖中:    標(biāo)注組織的Fe-Fe3C相圖 三.鐵碳合金的成分組織性能關(guān)系         按照鐵碳相圖, 鐵碳合金在室溫下的組織都由F和Fe3C兩相組成, 兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由杠桿定律確定。隨碳含量的增加, F的量逐漸變少, 由100%按直線關(guān)系變至0%(含6.69%C時(shí)); Fe3C的量則逐

31、漸增多, 由0%按直線關(guān)系變至100%。     在室溫下, 碳含量不同時(shí), 不僅F和Fe3C的相對(duì)重量變化, 而且兩相相互組合的形態(tài)即合金的組織也在變化。隨碳含量增大, 組織按下列順序變化：          F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Le'、Le'、Le'+Fe3CI、Fe3C各個(gè)區(qū)間的組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用杠桿定律求出,。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0218%的合金的組織全部為F; 0.77%C時(shí)全部為P; 4.3%C時(shí)全部為L(zhǎng)e

32、; 6.69%C時(shí)全部為Fe3C。在上述碳含量之間, 則為相應(yīng)組織組成物的混合物。     鐵碳合金的成分一組織一性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系 相圖的形狀與合金的性能之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。    硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù), 隨碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F減少,合金的硬度呈直線關(guān)系增大, 由全部為F的硬度約80HB增大到全部為Fe3C時(shí)的約800HB。    強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)組織形態(tài)很敏感的性能。隨碳含量的增加, 亞共析鋼中P增多而F減少。P的強(qiáng)度比較高,

33、其大小與細(xì)密程度有關(guān)。組織越細(xì)密, 則強(qiáng)度值越高。F的強(qiáng)度較低。所以亞共析鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增大而增大。但當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)共析成分之后, 由于強(qiáng)度很低的Fe3CII沿晶界出現(xiàn), 合金強(qiáng)度的增高變慢, 到約0.9%C時(shí), Fe3CII沿晶界形成完整的網(wǎng), 強(qiáng)度迅速降低, 隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加, 強(qiáng)度不斷下降, 到2.11%C后, 合金中出現(xiàn)Le時(shí), 強(qiáng)度已降到很低的值。再增加碳含量時(shí), 由于合金基體都為脆性很高的Fe3C, 強(qiáng)度變化不大且值很低, 趨于Fe3C的強(qiáng)度(約20MPa30MPa)。    塑性鐵碳合金中Fe3C是極脆的相, 沒(méi)有塑性。合金的塑性變形

34、全部由F提供。所以隨碳含量的增大, F量不斷減少時(shí), 合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時(shí), 塑性就降到近于零值了。    亞共析鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下的估算：     硬度80×（F）+180×（P）  (HB)        或硬度80×（F）+800×（Fe3C）  (HB)        強(qiáng)度( b)230×

35、;（F）+770×（P）  (MPa)       延伸率( )50×（F）+20×（P）  (%) 式中的數(shù)字相應(yīng)為F、P或Fe3C的大概硬度、強(qiáng)度和延伸率; 符號(hào)相應(yīng)表示組織中F、P或Fe3C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。   實(shí)驗(yàn)二 鐵碳合金平衡組織觀察和分析 一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1通過(guò)觀察和分析，熟悉鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織。 2了解鐵碳合金中的相及組織組成物的本質(zhì)、形態(tài)及分布特征。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1  觀察表中所列金相樣品的顯微組織，研究每一個(gè)樣品的組織特

36、征，并聯(lián)系鐵碳相圖分析其組織形成過(guò)程。編號(hào)材料工藝浸蝕劑1 工業(yè)純鐵退火4硝酸酒精溶液2 亞共析鋼（45鋼）退火4硝酸酒精溶液3 共析鋼（T8鋼）退火4硝酸酒精溶液4 過(guò)共析鋼（T12鋼）退火4硝酸酒精溶液5 亞共晶白口鑄鐵鑄造4硝酸酒精溶液6 共晶白口鑄鐵鑄造4硝酸酒精溶液7 過(guò)共晶白口鑄鐵鑄造4硝酸酒精溶液  三.實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求2  1.畫出所觀察樣品的顯微組織示意圖。用箭頭和代表符號(hào)標(biāo)明各組織組成物，并注明樣品的碳含量、浸蝕劑和放大倍數(shù)。3  2.根據(jù)所觀察的組織，說(shuō)明碳含量對(duì)鐵碳含金的組織和性能影響的大致規(guī)律。四.思考題滲碳體有哪幾種？它們的形態(tài)有什么差別？四. Fe- Fe3C相圖的應(yīng)用