铁碳相图

要了解铁碳合金、铁碳相图,则需要一些准备知识,比如合金、相、组元成分的概念等,基本如下:

合金:一种金属元素与另外一种或几种元素,通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。

相:合金中同一化学成分、同一聚集状态,并以界面相互分开的各个均匀组成部分。

固溶体:是一个(或几个)组元的原子(化合物)溶入溶剂组元的晶格中,而仍保持溶剂组元的晶格类型的固态金属晶体,固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。

固溶强化:由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点,使晶格发生畸变,使固溶体硬度和强度升高。

金属化合物:合金的组元间以一定比例发生相互作用生成的一种新相,通常能以化学式表示其组成。

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,即在固态下因温度(或压力)变化有不同的结构。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。由于体心立方铁和面心立方铁晶格的晶格间隙特点不同,两者碳固溶度不同。

在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体。

1.       铁素体

铁素体是碳在体心立方铁中的间隙固溶体,用符号“F”(或α)表示,体心立方晶格;虽然体心立方铁的间隙总体积较大,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),室温时为0.0084%,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,δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBW。

铁素体的显微组织与纯铁相似,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

奥氏体是碳在面心立方铁中的间隙固溶体,用符号“A”(或γ)表示,面心立方晶格;虽然面心立方铁的间隙总体积较小,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),这个浓度是区分钢和铸铁特征点,即钢具有单相奥氏体区。在一般情况下,奥氏体是一种高温组织,其硬度低,塑性较高,通常在奥氏体区对钢材进行热变形加工,如锻造,热轧等,所谓“趁热打铁”正是这个意思。σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%。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。奥氏体的显微组织形貌与铁素体相似,但晶界较为平直,且有孪晶存在。

3.       渗碳体

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,无同素异构现象,其碳质量分数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。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。

 

铁碳相图上的合金,按成分可分为三类:

1)        工业纯铁(<0。0218%c),其显微组织为铁素体晶粒,工业上主要应用于电工材料。<>

2)        碳钢(0.0218%-2.11%C),其特点是高温组织为单相奥氏体,碳钢又分为亚共析钢(0.0218%-0.77%C)、共析钢(0.77%C)和过共析钢(0.77%-2.11%C)。

3)        白口铸铁(2。11%-6。69%C),其特点是铸造性能好,但硬而脆,白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁(2。11%-4。3%C)、共晶白口铸铁(4。3%C)和过共晶白口铸铁(4。3—6。69%C)。

 

相图分析

Fe-Fe3C相图看起来比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将相图分成上下两部分来分析。

共晶转变

在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变:Lc(AE+Fe3C),转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示。存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成。低温莱氏体是由珠光体,Fe3C和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3C和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨。

共析转变

在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变:A (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体,用符号P表示。

 

特征点

相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G,S,它们的含义一定要搞清楚。根据相图分析如下点:

相图中重要的点(14个):

1.        组元的熔点:A (0,1538℃)铁的熔点;D (6.69%,1227℃) Fe3C的熔点

2.        同素异构转变点:N(0,1394℃) BCC-Fe   FCC-Fe;G(0,912℃)FCC-Fe   BCC-Fe

3.        碳在铁中最大溶解度点:

P(0.0218%,727℃),碳在BCC-Fe 中的最大溶解度

E(2.11%,1148℃),碳在FCC-Fe 中的最大溶解度

H(0.09%,1495℃),碳在高温BCC-Fe中的最大溶解度

Q(0.0008%,RT),室温下碳在BCC-Fe 中的溶解度

三相共存点:

S(共析点,0.77%,727℃),(A+F +Fe3C)

C(共晶点,4.3%,1148℃),( A+L +Fe3C)

J(包晶点,0.17%,1495℃),(δ+ A+L )

其它点

B(0.53%,1495℃),发生包晶反应时液相的成分

F(6。69%,1148℃),渗碳体

K(6.69%,1148℃),渗碳体

 

特性线

相图中的应该掌握的线有:ECF线,PSK线(A1线),GS线(A3线),ES线(ACM线)。

水平线ECF为共晶反应线,碳质量分数在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,碳质量分数为0.0218%~6.69%的铁碳合金,在平衡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%,因此碳质量分数大于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%,因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中,将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CII的临界温度线,其数量极少,往往予以忽略。

 

相图相区

1.单相区(4个+1个):L,δ,A,F ,Fe3C

2.两相区(7个):L + δ,L + Fe3C,L + A,δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.

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