船舶工程材料XXXX330

工程材料铁碳相图二元合金相图的杠杆定律在合金的结晶过程中，各相的成分及其相对质量都在不断变化。在某一温度下处于平衡状态的两相的成分和相对质量可用杠杆定律确定。工程材料铁碳相图两平衡相的成分液、固两相并存时液相成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化。要想确定合金I在t1温度时两平衡相的成分，沿t1作水平线，与液、固相线交点为a、b。a、b分别对应的CL、Ca即为液相的成分和已结晶固相的成分。工程材料铁碳相图两平衡相的相对质量设合金I的总质量为1，液相的质量为WL,固相的质量为Wa，则：WL+Wa=1合金1中的Ni的总质量应该为液相和固相中的Ni量之和，即WLCL+WaCa=1C由上边两个等式可以得到：WL/Wa=rb/ar工程材料铁碳相图如果将合金I成分的C的点r看作杠杆的支点，将WL和Wa看作作用在a和b上的力，按照力学上的杠杆原理，可将WL/Wa=rb/ar称为杠杆定律。工程材料铁碳相图杠杆定律的文字表达要求合金在某温度时的两平衡相的相对质量，可在该合金成分的垂直线上，沿该温度坐标点画一水平杠杆与该两相区的边界相交，其交点在横坐标上的投影就是两平衡相的成分。此时两交点内的水平线被合金的成分分为两个线段，两相的重量比与这两线段的长度成反比。应当注意杠杆定律只能适用于两相区。工程材料铁碳相图铁碳相图铁碳合金相图是研究和分析铁碳合金在平衡条件下成分、温度与合金相及组织之间的相互关系及其变化规律的基本工具。当碳含量大于6.69%（Fe3C的碳含量）时，铁碳合金性能很差，没有实用意义，故通常铁碳合金只是研究和使用Fe-Fe3C系。工程材料铁碳相图铁碳合金基本相结构纯铁：一般指含0.1~0.2%杂质的工业纯铁，其基本性能是塑性好、强度、硬度低，通常不用做结构材料。通常向铁中加入碳改善其性能，是强度增加。碳在铁中的存在形式有三种：溶解于铁形成固溶体；与铁作用形成化合物（Fe3C）；与铁之间无相互作用，以自由态石墨的方式存在。工程材料铁碳相图铁碳合金的相结构相：高温铁素体，碳在-铁中的间隙固溶体，存在于1394~1538C，体心立方晶格。在1495C时溶碳最大（0.09%）。铁素体相（F）：碳在-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格。软而韧的相，溶碳量很小，溶解度在727C最大达到0.0218%。显微组织是等轴状的多边形晶粒。铁素体是铁碳合金室温时的主要基本相和组织之一。工程材料铁碳相图奥氏体相（A）：碳在-铁中的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在A中的溶解度较大，在727C时为0.77%，在1148C时达到最大，为2.11%。奥氏体在高温状态具有良好的塑性和韧性，低的变形抗力，是热成型时较佳的组织相。奥氏体比容最小，发生相变时体积会发生膨胀，产生内应力。工程材料铁碳相图渗碳体（Fe3C）相：具有复杂晶格的间隙化合物。性能特点是硬而脆，具有很高的硬度。塑性、韧性几乎为0。室温下钢中的碳主要以Fe3C形式存在，可以呈片状、网状、球状、粒状、板条状等。Fe3C是钢中的强化相，其数量、形态、大小、分布对钢的性能有很大的影响。工程材料铁碳相图铁碳合金相图工程材料铁碳相图相图上的特性点：相图中的J、C、S为三个重要的点。工程材料铁碳相图J为包晶点。合金在平衡结晶过程中冷却到1495C时，B点成分的液相L与H点成分的相发生包晶反应，生成J点成分的奥氏体A。包晶反应在恒温下进行，反应过程中L、、A三相共存。工程材料铁碳相图C为共晶点。合金在平衡结晶过程温度冷却到1148C时，C点成分的液相L发生共晶反应，生成E点成分的奥氏体A和F点成分的渗碳体Fe3C。共晶反应在恒温下进行，反应过程中L、A、Fe3C三相共存。工程材料铁碳相图共晶反应产物为奥氏体与共晶渗碳体组成的机械混合物，称高温莱氏体Ld。其形态为柱状和粒状的A（室温时转变为珠光体P）分布在渗碳体基体上，所以其性能硬而脆，硬度高，塑性与韧性几乎为0。工程材料铁碳相图S为共析点。合金在平衡结晶过程温度冷却到727C时，S点成分的奥氏体A发生共析反应，生成P点成分的铁素体F和K点成分的渗碳体Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中A、F、Fe3C三相共存。工程材料铁碳相图共析反应产物为铁素体与共析渗碳体组成的机械混合物，称珠光体P。其形态为渗碳体呈片状分布在软而韧的铁素体的基体上（放大倍数较高时），放大倍数较低时珠光体呈层片状。工程材料铁碳相图铁碳相图中的特性线ABCD为液相线，AHJECF为固相线；HJB为包晶线；ECF为共晶线；PSK为共析线，又称A1线；GS线是A中开始析出F的相变线，又称A3线；ES是碳在A中的固溶线；PQ是碳在F中的固溶线；AHN和GPQ的左方分别为单相和单相区，NJESG包围的是区。工程材料铁碳相图铁碳相图中各主要点的说明工程材料铁碳相图铁碳合金在平衡状态下的结晶过程铁碳合金相图上的各种合金，按其含碳量和组织特征，通常可以分为三类：工程材料铁碳相图共析钢的结晶过程合金为I的共析钢，冷却到在1点（即S点）时，将发生共析反应，A全部转变成珠光体P，如下图。工程材料铁碳相图亚共析钢的结晶过程合金为II的亚共析钢，冷却到在1点时，A中开始析出铁素体F，随着温度的降低，F成分沿GP线变化，剩余A成分沿GS线向低温方向变化。当温度冷到2点时，剩余A成分达到S点发生共析转变。随着温度继续降低析出P。此时，亚共析钢的组织为F+P。工程材料铁碳相图亚共析钢的组织白色为F晶粒，黑色为P团。工程材料铁碳相图过共析钢的结晶过程合金为III的亚共析钢，冷却到在1点时，A中开始析出网状分布的Fe3C，随着温度的降低，剩余A成分沿ES线向低温方向变化。当温度冷到2点时，剩余A成分达到S点发生共析转变。随着温度继续降低析出P。此时，过共析钢的组织为Fe3C+P。工程材料铁碳相图过共析钢的组织白色为网状的Fe3C，黑色为P团。工程材料铁碳相图共晶白口铸铁的结晶过程合金为（5）的白口铸铁冷却到在1点时，形成高温莱氏体Ld，随着温度的降低，其中的奥氏体含碳量沿ES线逐渐减少并析出Fe3C，当碳含量减少到S点发生共析反应。A转变成P。此时，其组织为Ld`，即P+Fe3CII+Fe3C，称为低温莱氏体。工程材料铁碳相图共晶白口铸铁的结晶过程示意图共晶白口铸铁显微组织工程材料铁碳相图碳对铁碳平衡组织和性能的影响铁碳合金的室温组织均由铁素体F和渗碳体Fe3C组成。随着碳含量的增加，铁碳合金的室温组织发生如下变化：工程材料铁碳相图铁碳合金成分与组织的关系工程材料铁碳相图碳含量对铁碳合金力学性能的影响随着碳含量的增加，1）合金的韧性和塑性下降，但是韧性下降更快；2）硬度增加；3）以铁素体为基体，渗碳体为强化相时强度增加，反之则强度下降。工程材料铁碳相图碳含量对铁碳合金工艺性能的影响切削加工性：低碳钢中，容易粘刀；高碳钢硬度高容易磨损刀具；中碳钢铁素体和渗碳体比例合适，容易切削加工。锻造工艺性：随着碳含量的增加，可锻性逐渐变差。铸造性：随碳增加，流动性好；收缩率大；偏析严重。焊接性：碳含量越高，焊接性越差。