材料冶金知识.

材料科学基础第四章材料的相结构和相图－3材料科学基础1.Fe—C合金的组织和性能钢(Steels)和铸铁(Castirons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloysoftheiron－carbonsystem）。铁碳相图是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。材料科学基础在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。材料科学基础5个单相区，7个两相区三条水平线，三条特征线材料科学基础1.Fe—C合金中的组元铁碳合金中组元：纯铁(Fe)渗碳体（Fe3C）材料科学基础A.纯铁纯铁（pureiron）熔点1538℃，汽化点2738℃，密度7.87g/㎝³。纯铁固态下具有同素异构转变：912°C以下为体心立方(bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心立方(fcc)结构,1394°C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。纯铁具有磁性转变（768℃磁性转变、magnetictransformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。材料科学基础纯铁的冷却曲线及晶体结构变化材料科学基础纯铁的显微组织材料科学基础B.渗碳体(Fe3C)渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)。Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格，原子周围有六个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体共有，Fe:C=3:1。材料科学基础Fe3C的晶体结构可以看作由6个铁原子构成的三角棱柱和在柱内的一个碳原子连接而成，角上的铁原子为2个三角棱柱共享。Fe3C的晶体结构的结构单元是4个取向不同的这样的三角棱柱构成。三角棱柱在c轴方向分两层，每层三角棱柱体都有2种取向材料科学基础。Fe3C中各铁原子之间是纯金属键，铁原子和碳原子之间可能同时存在金属键和离子键左图为在（001）面上的投影，一个晶胞内有12个铁原子4个C原子右图为4个相邻的晶胞在（001）面上的投影及其组成的三棱柱（实三棱柱在上层，虚三棱柱在下层）材料科学基础B.渗碳体(Fe3C)Fe3C熔点为1227℃，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe+C(石墨)。所以Fe—Fe3C相图为介稳定系相图，Fe－C相图为稳定系相图，若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一图上，称为Fe－C合金双重相图。材料科学基础材料科学基础B.渗碳体(Fe3C)Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。材料科学基础2.Fe—C合金中的基本相在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温度)下，可有六个基本相：L相、δ相、γ相（A）、α相(F)、Fe3C相、石墨（C）（1）液相(L)Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上)（2）δ相[高温铁素体（hightemperatureferrite）]C在δ－Fe的间隙固溶体。在1459℃时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，（3）渗碳体（cementite）Fe-C相图材料科学基础（4）奥氏体（austenite）奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C时最多可以溶解2.11%的碳，到727°C时含碳量降到0.8%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心，单相γ区存在于NJESG区域内（727---1459℃）。奥氏体的硬度(HB170~220)较低，塑性(延伸率δ为40%~50%)高。奥氏体的显微组织见下图。γ是顺磁性（paramagnetism）晶粒呈平直多边形。Fe-C相图材料科学基础碳在γ－Fe晶格中的位置奥氏体的显微组织材料科学基础（5）铁素体（ferrite）铁素体（α或F）是C溶于α－Fe形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。C原子溶于八面体间隙。单相α相在CPQ以左部分。铁素体的含碳量非常低，在727℃时C在α－Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%，所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50-80)低，塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁磁性，具有bcc结构。（6）石墨（C）在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite）(hcp)稳定相存在。所以石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本相。Fe-C相图材料科学基础3.Fe—Fe3C相图分析根据分析围绕三条水平线可把Fe—Fe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线Fe-C相图材料科学基础（1）Fe—Fe3C相图的点Fe—Fe3C相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义如下表：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点Fe-C相图材料科学基础（2）Fe—Fe3C相图的线Fe—Fe3C相图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线(水平)和三条重要的相界线。Fe-C相图材料科学基础A.三条水平恒温转变线①包晶线：HJB线（1459℃），J为包晶点，wc=0.09～0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即：L0.53+δ0.09→α0.17（LB+δH→αJ）材料科学基础②共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点，wc=2.11～6.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即：L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。材料科学基础③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡wc0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：γ0.77→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常用A1表示。材料科学基础B.两条磁性转变线①230℃为水平线为Fe3C的磁性转变线，230℃以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。常用A0表示②770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁磁性，770℃以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里点。材料科学基础C.几条重要的相界线(固态转变线)①GS线：A中开始析出α或α全部溶入(升温时)γ的转变线。常用A3表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析α相开始析出线。常称为A3线或A3温度。材料科学基础②ES线：C在γ中溶解度曲线。常用Acm表示，称为Acm温度。低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为二次Fe3C。材料科学基础③PQ线：C在α中溶解度曲线。在727℃时，C在α中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，，称为三次Fe3C。以区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。材料科学基础（3）Fe—Fe3C相图中的区5个单相区：L、δ、γ、α,Fe3C7个两相区：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、α+Fe3C·3个三相共存区：①L+γ+Fe3C（ECF线）、②L+δ+γ（HJB线）、③γ+α+Fe3C（PSK线）Fe-C相图材料科学基础4.Fe—C合金分类Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类：①工业纯铁（pureiron）、②碳钢（carbonsteel）、③铸铁（castiron）。根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。（1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显微组织为固溶体。材料科学基础（2）钢钢（steel）是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%)之间的Fe、C合金。其特点是：高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（carbonsteel）又可分为：①共析钢（eutectoidsteel）：Wc=0.77%②亚共析钢（hypoeutectoidsteel）：Wc=0.0218～0.77%③过共析钢（hypereutectoidsteel）：Wc=0.77～2.11%Fe-C相图材料科学基础（3）白口铸铁白口铸铁（whitecastiron）是含碳量在Wc=2.11～6.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：①共晶白口铸铁（eutectoidcastiron）：Wc=4.30%②亚共晶白口铸铁（hypoeutectoidcastiron）：Wc=2.11～4.30%③过共晶白口铸铁（hypereutectoidcastiron）：Wc=4.30～6.69%上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。Fe-C相图材料科学基础6.Fe－C合金的平衡结晶过程及组织（1）工业纯铁以Wc=0.01%的合金为例材料科学基础室温组织为：α+Fe3CⅢFe3CⅢ最多为0.33%转变过程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+Fe3CⅢ匀晶转变＋多晶型转变＋脱溶沉淀材料科学基础工业纯铁室温组织图（200×）材料科学基础（2）共析钢（Wc=0.77%）冷却曲线如图：材料科学基础过程如下：L→L+γ→γ→P+γ→P（α+Fe3C）匀晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀室温组织为P（α+Fe3C），P呈层片状，是α和Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。如5－52图中的白色片状为α，黑色片状为Fe3C。材料科学基础材料科学基础（3）亚共析钢亚共析钢（Wc=0.0218～0.77%）冷却曲线如图：FLASH材料科学基础材料科学基础过程如下：L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→α+γ→α+P+γ→α+P（析出Fe3CⅢ）匀晶转变＋包晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀室温组织为：α+P如图中的白色为α，黑色片状为P。材料科学基础材料科学基础材料科学基础特别需注意：①室温组织为α+P，由于α是发生在共析转变之前，称为先共析铁素体。②共析转变之前α+γ和转变之后α+P的相对量(即共析转变后α和P的相对量)可通过杠杆法则来计算材料科学基础（4）过共析钢（Wc=0.77～2.11%）过共析钢冷却曲线如图：FLASH材料科学基础过程如下：L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ匀晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀材料科学基础室温组织为：P+Fe3CⅡ，白色为网状Fe3CⅡ，暗黑色为P。材料科学基础材料科学基础过共析钢的室温组织（500×）材料科学基础（5）共晶白口铸铁（Wc=4.30%）液相冷至1点，发生共晶转变：L4.30→γ2.11+Fe3C此共晶体成为莱氏体(Ld：γ+Fe3C)，温度降至PSK线发生共析转变形成P，共析转变结束后组织为Fe3C+P+Fe3CⅡ，称为低温莱氏体(变态莱氏体)，用Ld’表示。