铁碳相图的分析及其应用

题目：铁碳相图的分析及其应用班级：姓名：学号：铁碳相图的分析及其应用摘要：钢和铸铁是工业上应用最多，用途最广泛的金属材料。它们都是铁碳合金，而铁碳相图是刚和铸铁的重要理论基础。用Fe-Fe3C相图对典型的成分的铁碳合金结晶过程进行分析可进一步掌握铁碳合金成分—组织—性能之间的关系，进行合理的选材以及制定热处理、冷加工工艺。关键词：铁碳相图铁碳合金金属材料热处理钢铁是机械行业使用最广泛的合金,纯铁中铁的质量百分比在99.8-99.9，在1538℃结晶为δ-Fe，晶格为体心立方，在1394℃是晶体结构发生转变，变为γ-Fe，晶格为面心立方，在912℃时再次发生转变，变为α-Fe，晶格为体心立方，这是铁的三种同素异晶状态。这种固态下的同素异晶转变称之为重结晶，它与钢的合金化与热处理有密切关系。碳可以溶于γ-Fe和α-Fe中，以间歇原子的形势存在。在1394℃时，碳溶于γ-Fe，称为奥氏体，这时碳一般存在于面心立方的8面体空隙中，在912℃时，碳溶于α-Fe，称为铁素体，碳存在于体心立方的8面体空隙中。其实碳也能溶于δ-Fe，最大溶解度为1495℃时的0.09%。纯铁的塑性和韧性很好，但是强度太低，所以工业上一般都是用的铁碳合金。碳可以溶于铁中，但是溶量有限，于是剩下的碳以两种形式存在，一种形式是与铁的间歇化合物Fe3c，称为渗碳体，一种是石墨。以下是我对铁碳合金相图的一些认识和理解目前，应用的铁碳相图不是0～100％的完整相图。因为含碳量大于6.69％的铁碳合金工业无实用价值。而只是研究0～6.69％C的一部分，即以Fe作为一元体，含C量6.69％的Fe3C作为另一个组元的Fe-Fe3C二元合金相图。如下图所示为铁碳合金相图由图可以看到碳的含量最高可以到6.69%，处于ABCD连线以上的部分为液相区，AHJECF连线以下为固相区，HJB线这一段发生了包晶转变，包晶转变是指在结晶过程中，已成为固相的部分被液相部分包围从而转变成另一种固相部分，液相的B和δ相的H转变为γ相的J,可以看到，这条线非常的短，说明发生转变的区域碳的含量范围很窄为0.09%-0.53%。ECF线发生了共晶转变，共晶转变是指某液相在结晶时同时转变为两种固相，液相C转变为γ相E和Fe3C,γ-Fe和Fe3C的混合物称为莱氏体，说明发生转变的碳的范围比较宽，为2.11%-6.69%。PSK线发成的是共析转变，共析转变是指由一种固相转变为两种固相的变化，γ-Fe转变为α-Fe和Fe3C，α-Fe和Fe3C的混合物称为珠光体，可以看到发生这个转变的碳的含量范围是相当的宽，超过0.0218%的碳含量的合金都要发生这个转变。GS线，这条线说明了碳含量的不同γ中开始析出α的温度是怎样变化的，随着碳的含量从0-0.77%不断升高，转变开始的温度在不断降低。ES线，碳在γ中的溶解度线，当某浓度的碳在低于相应的这个温度时，开始析出Fe3C，随着碳的含量在0.77-2.11不断升高时，开始析出Fe3C的温度在不断升高。PQ线，碳在α中的溶解度线，道理同ES线，当碳的含量在0-0.0218不断升高时，析出Fe3C的温度不断升高。由相图可以看到，碳含量小于2.11时不发生共析转变，那么碳含量小于2.11的合金称为碳钢，大于的称为铸铁。根据相图，把铁碳合金按照碳含量划分为7种类型：0.0218工业纯铁，0.77共析钢，0.0218-0.77亚共析钢，0.77-2.11过共析钢，4.30共晶白口铸铁，2.11-4.30亚共晶白口铸铁，4.30-6.69过共晶白口铸铁。当含碳量为小于0.0218%时为工业纯铁，由相图可以得知，在金属液冷却到室温时，合金为α和三次渗碳体.当含碳量为0.77%时为共析钢，在金属液冷却到室温时，合金的成分是珠光体，珠光体是α和Fe3C的混合物。当碳含量在0.0218-0.77%之间时，为亚共析钢，在金属液冷却到室温时，合金的组织是珠光体+α，并且亚共析钢中的含碳量越高，室温组织中的珠光体越多。过共析钢的含碳量在0.77-2.11%，在金属液冷却到室温时，合金的组织为珠光体+二次渗碳体，并且含碳量越高，得到的二次渗碳体量越大。含碳量为4.30%时，为共晶白口铸铁，合金的室温组织比较复杂一点，因为在冷却到1148℃时，发生共晶转变得到莱氏体（γ和Fe3C的混合物），在这个温度以下后由于浓度饱和γ中析出二次渗碳体，在冷却到727℃时，γ发生共析转变得到珠光体，实际上得到的就是珠光体+二次渗碳体+莱氏体中剩下的Fe3C，这种室温组织保留了高温共晶转变产物莱氏体的形态特征，但是组成相的γ已经发生了转变，故称为变态莱氏体。亚共晶白口铸铁的碳含量在2.11-4.30%，在金属液冷却到室温时，合金的室温组织为变态莱氏体+珠光体+二次渗碳体。过共晶白口铸铁的碳含量在4.30-6.69%，在金属液冷却到室温时，合金的室温组织为变态莱氏体+一次渗碳体。随着含碳量的升高，Fe3C的含量在升高，存在形态也在发生变化，最开始存在于α基体内，然后存在于γ晶界上，最后作为基体存在，可见不同含碳量，合金的组织是不一样的，这也是造成性能不同的根本原因。α是软韧的相而Fe3C是硬脆的相，当α为基体时，Fe3C越多，分布越均匀，那么材质的硬度越高，但是如果Fe3C分部在晶界上甚至作为基体出现时，材质的塑性和韧性会大大降低。Fe－Fe3C相图分析一、相图中的点（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）δ-Feγ-Fe；G（0,912）γ-Feα-Fe3．碳在铁中最大溶解度点：P（0.0218，727），碳在α-Fe中的最大溶解度E（2.11，1148），碳在γ-Fe中的最大溶解度H(0.09，1495)，碳在δ-Fe中的最大溶解度Q（0.0008，RT），室温下碳在α-Fe中的溶解度2．三相共存点：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）（A＋L）3．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(6.69,727)，渗碳体二、相图中的线1．液相线(ＡＢＣＤ)：结晶时液相的成分，在其上体系为液相；2．固相线（ＡＨＪＥＣＦ）：结晶时固相的成分，其下为固相。3．恒温转变的线：HJB包晶线、ECF共晶线、PSK共析线。PSK线，共析线。在此线上的合金都要发生共析反应。冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度；加热时，珠光体转变为奥氏体的温度；PSK线又称A1线。4．固溶度线ES线：碳在奥氏体中的溶解度线，随温度温度，溶解度；0.77%～2.11%C。冷却时，从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度；加热时，二次渗碳体完全溶入奥氏体中的温度。ES线又叫作Acm线。PQ线：碳在铁素体中的溶解度；随温度，最大溶解度；0.0008%～0.0218%C；冷却时，从铁素体中开始析出三次渗碳体的温度；加热时，三次渗碳体完全溶入铁素体的温度。5．同素异构转变线：NH和NJ，GS和GP。GS线：冷却时，由奥氏体向铁素体转变的开始温度；加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度，GS线又叫作A3线。三、相图中的相区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。四、基本转变类型1．匀晶反应Lδ:由液相中直接结晶出δ相。合金的成分线与AB线相交，Wc：0～0.53%。LA:由液相中直接结晶出A相。合金的成分线与BC线相交，Wc：0.53%~4.3%LFe3C:由液相中直接结晶出Fe3C相。合金的成分线与CD线相交，Wc：4.3%~6.69%2．包晶反应含义：具有J点成分的铁碳合金冷却至14950C，液相和δ相在转变过程中恰好全部消耗完，生成了单一的J点成分的A相。•包晶点：J（0.17，1495）•产物：单相奥氏体（A）•发生包晶反应的合金成分：0.09%--0.53%C。即合金的成分线与HJB线相交。3．共晶反应L了L含义：由C点成分的液相在11480C下，同时生成具有E点成分的A相和Fe3C。•发生共晶反应的成分范围：2.11%—6.69%C，合金成分线与ECF线相交)。•产物：A和Fe3C的两相混合物，称为莱氏体，用Ld表示，其组织形态是以Fe3C为基体，A呈粒状或杆状分布在Fe3C基体上。•共晶点：C(4.3,1148)4．共析反应•含义：在7270C下，由S点成分的A相同时生成P点成分的F相和Fe3C相•合金范围：0.0218～6.69%C，合金成分线与PSK线相交。•产物：F和Fe3C的两相混合物，称为珠光体，用P表示，形态呈层片状。共析点：S（0.77，727），具有S点成分的A相冷却至7270C时，发生共析转变，五、铁碳合金分类工业纯铁、钢（亚共析、共析、过共析钢）、铸铁（亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁）•生成珠光体。五、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系2．含碳量对机械性能的影响渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。3．含碳量对工艺性能的影响对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。Fe—Fe3C相图的应用1．为制定热加工工艺提供依据。（1）制定热处理工艺的依据（2）为制定热加工工艺提供依据，包括铸造、锻造、焊接、热处理。在铸造方面的应用根据铁碳合金相图确定浇铸温度，一般在液相线以上150℃左右。并且还可选择流动性好的合金，即接近共晶成分的合金应用最广泛。因其熔点低，结晶温度间隔小，流动性好，组织致密。在锻造方面的应用可以确定钢材在锻造时必须选择在奥氏体区的适当温度范围内进行，因为奥氏体单相变形均匀，强度较低，塑性较好，便于塑性变形。在焊接方面的应用焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，可根据铁碳合金相图分析低碳钢焊接接头的组织变化情况。在热处理方面的应用根据铁碳合金相图拟订淬火、退火、正火等各种热处理加热规范，有着特别重要的意义。2．为选材提供成分依据。工业纯铁：室温下退火态的组织由等轴晶粒组成；强度低，塑性、韧性好；作为功能材料使用，如变压器的铁芯等。含碳量在0.15-0.25%的亚共析钢：属低碳钢，为工程结构用钢。这类钢主要用于房屋，桥梁、船舶、车辆、矿井或油井井架等大型工程结构件，一般不进行热处理，直接在热轧或正火状态下使用。含碳量在0.30-0.50%的亚共析钢，属中碳钢，为机械结构用钢。主要用于制造各种机械零部件，如轴类、齿轮等。它要求有较高的强度，塑性、韧性和疲劳强度等综合力学性能。这类钢通常在淬火、高温回火状态下使用，常称之为调质钢。含碳量在0.6～0.7%的亚共析钢，属高碳钢，也为机械结构用钢。主要用于制造各种弹性元件，如弹簧。它要求有较高的弹性极限和疲劳强度。这类钢通常在淬火后再中温回火后使用，常称之为弹簧钢。含碳量在0.7%以上的共析钢和过共析钢，属于高碳钢，属工具钢类。主要用于制作刃具、量具、模具、轧制工具及耐磨损工具等。要求有高强度、高硬度和高耐磨