铁碳合金相图

铁碳合金相图2020/1/231主要内容•铁碳合金的相结构•铁碳合金相图•碳钢与铸铁•铁碳合金相图的应用及其局限2020/1/232第一节铁碳合金的相结构•纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的δ-Fe，随后随着温度的降低发生同素异构转变，得到面心立方晶格的γ-Fe，再冷却生成体心立方晶格的α-Fe。•碳溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。•碳原子溶入δ-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。它在1394℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。•铁碳合金相图的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。2020/1/233ANG纯铁的冷却曲线Fe-Fe3C相图（局部）2020/1/234一、铁素体•碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方晶格的α-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁素体中的溶解度很小。在727℃时最大固溶度为0.0218%，而在室温时固溶度几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：2020/1/235抗拉强度σb180-280Mpa屈服强度σS100-170Mpa断后伸长率A11.330%-50%冲击韧性αK160-200J/cm2布氏硬度HB50-80HBS•由此可见，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相。铁素体是912℃以下的平衡相，也称做常温相，在铁碳相图中用符号F或α表示。二、奥氏体•碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有面心立方晶格的γ-Fe的晶格间隙半径为0.052nm，比α-Fe的间隙稍大，在1148℃时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在727℃时是0.77%(共析点)。•奥氏体是727℃以上的平衡相，也称高温相。在高温下，奥氏体具有极好的塑性，所以在此相区具有良好的热轧、锻造等热加工工艺性能。在铁碳合金相图中，奥氏体通常用符号A或γ表示。2020/1/236三、渗碳体•渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有复杂结构间隙化合物，属于复杂八面体结构，含碳量6.69%。•渗碳体的硬度高达HB800，但脆性大，塑性和韧性几乎是零。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能影响很大。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。•在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。反应式如下：2020/1/237Fe3C→3Fe+C（石墨）一、相图图形介绍•在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金脆性大，没有使用价值。因此只研究含碳量小于6.69%的这一部分，通常称为铁碳合金相图，也称Fe-Fe3C相图，如图2-1所示。•在Fe—Fe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但是在1400℃以上发生反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。Fe—Fe3C相图可简化为图2-2形式。2020/1/238第二节铁碳合金相图L+Fe3C图2-1Fe-Fe3C相图图2-2简化的Fe-Fe3C相图2020/1/239L4.3A2.11+Fe3C2020/1/2310恒温1148℃恒温727℃•相图的右上部为共晶相图。在1148℃时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：A0.77F0.0218+Fe3C以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号P表示。以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织，称为莱氏体，以符号Ld表示。•相图的左下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在727℃时发生共析反应：二、相图中点、线和相区的意义•珠光体是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：2020/1/2311布氏硬度HB180-280HB断后延伸率A11.320%~25%冲击韧性aK30~40J/cm²抗拉强度δb750-900Mpa•铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。特性点温度（℃）含碳量（％）特性点含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度G9120α-Feγ-Fe的同素异构转变点S7270.77共析点•由此可见，珠光体力学性能介于铁素体与渗碳体之间，具有较好的塑性和韧性，强度较高，硬度适中。正火后便可得到珠光体组织。铁碳合金相图中各主要线的意义：2020/1/2312AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。ECF为共晶线。若含碳量在ECF线的范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃时即发生共晶反应，形成莱氏体。ES为碳在奥氏体中溶解度曲线，简称Acm。从该线可以看出，在1148℃时碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%，在727℃时，溶解度为0.77%，随着温度降低，碳在奥氏体中的溶解度也降低而从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。从液相中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体（Fe3CⅠ），从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称A3线。GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。PSK为共析线，简称A1线。若含碳量在PSK线的范围（0.0218%~6.69%）内，奥氏体在727℃时必然发生共析反应，形成珠光体。•PQ为碳在铁素体中溶解度曲线。从该线可以看出，在727℃时碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，在600℃时溶碳量约为0.0057％，在室温仅能溶解碳0.008%，可忽略不计。故一般铁碳合金凡是从727℃缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。2020/1/2313•因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。对于一次，二次，三次渗碳体，仅在其来源、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶体结构和性能均相同。•简化的铁碳合金相图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即L，A，F及Fe3C；渗碳体是铁碳相图的基本组成相，它的成分是固定不变的，因此在相图上它的相区仅是一条竖直线。•相图中有五个双相区，即L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C。相图中的两条水平线是三相平衡线，线上有三个点，分别与各个单相区以点相连接，当发生三相平衡反应时，三个平衡相的成分即这三个点的成分，说明了在相变过程中相变温度和各组成相的相对含量是固定的。•从相图可以看出，含碳量大于0.008%时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F+Fe3C相区内，即合金的相结构都要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能变化很大。三、典型合金结晶过程及室温组织•工程上使用的铁碳合金分为工业纯铁，碳钢和铸铁三大类，它们的区别在于含碳量的不同。含碳量小于0.0218%的，称为工业纯铁；含碳量大于0.0218%而小于2.11%，称为碳铁；含碳量大于2.11%而小于6.69%的，称为铸铁。2020/1/2314在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，亚共析钢，过共析钢；将铸铁分为共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口铁共六种典型合金，如图2-3所示。（一）共析钢•上图中合金①称为共析钢，其含碳量为0.77%。•当温度在1点以上时，合金为液相；•温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体；•温度降至1～2点之间时，从液相中不断析出奥氏体。它的特点是液相不断减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC线变化，奥氏体的成分沿AE线变化。•当温度降至2点时，合金全部结晶成奥氏体，温度降至2～3点之间时，合金为单相奥氏体。•温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727℃温度下发生共析反应。从奥氏体中同时析出铁素体F和渗碳体Fe3C，两相所组成的共析组织即珠光体P。2020/1/2315•珠光体是在727℃恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变化。只是铁素体的含碳量从0.0218%降至几乎为零，碳则以微量的三次渗碳体的形式析出来。2020/1/2316恒温727℃L→L+AP图2-5共析钢的珠光体组织500x•共析钢的结晶过程如图2-4所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁素体与渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过程用反应式表示为：（二）亚共析钢•含碳量低于0.77%的钢称为亚共析钢。•以图2-3中合金②为例，亚共析钢的结晶过程，如图2-6所示。•合金从液相冷却到1-2点以后，逐渐结晶出固相的奥氏体；•温度继续降至2-3点之间时，完全转变为单相奥氏体；•当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大；•温度降至3-4点时，根据杠杆定律可以计算出结晶出的先共析铁素体含量为4S/（PS），剩下的奥氏体相的量为P4/（PS）。温度降至4点时剩下的奥氏体成分和温度已具备珠光体转变的条件，在727℃时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共析钢奥氏体的一部分转变为先共析铁素体（图2—7中白色晶粒），另一部分转变为珠光体组织（图2—7中黑色部分）。温度继续降至室温时，显微组织基本不变（析出的三次渗碳体可忽略不计）即为铁素体加珠光体（F+P）。2020/1/2317Wc=0.20%Wc=0.40%图2－7亚共析钢的室温组织200x2020/1/2318•铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区的PS线上计算出。•合金②中，珠光体组织含量为：QP=P4/PS×100%•先共析铁素体含量为：QF=1－QP或QF=4S／PS×100%•随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从0%增加到100%；当含碳量增加到0.77%时，珠光体为100%，即共析钢组织。•珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体。室温时，铁碳合金的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在F+Fe3C的两相区中计算出亚共析钢中铁素体与渗碳体的含量，称作相的相对含量：•QF（总）=（6.69－②）/（6.69－0.0218）×100%•QFe3C=1－QF（总）2020/1/2319其中QF（总）为先共析铁素体与共析铁素体之和。式中②—亚共析钢的含碳量。亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L→L+A→A→F＋A→F+P•含碳量在0.77%～2.11%的碳钢,称为过共析钢。•以图2-3中合金③为例，过共析钢的结晶过程如图2-8所示。•合金从液相冷却至1-2点以后，结晶出奥氏体；•温度继续降至2-3之间时，全部转变为奥氏体；温度降至3点时，碳在奥氏体中溶解度达到饱和。•温度降低至3-4时，开始析出Fe3C，即为二次渗碳体Fe3CII。Fe3CII沿着奥氏体晶界析出。室温下过共析钢的显微组织如图2-9所示，图中白色的沿着晶界分布的组织即为二次渗碳体；深色部分的组织为珠光体。•温度降至4点（727℃）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在A＋Fe3C两相区SK线上计算出来。2020/1/2320（三）过共析钢含碳量1.2%的过共析钢的显微组织200x含碳量1.4%的过共析钢的显微组织200x图2-92020/1/2321式中③—过共析钢的含碳量•剩余的奥氏体量为1－QFe3CII，其成分已沿着ES线变化至S点，已具备珠光体转变的条件，在共析点727℃时发生共析反应，转变为珠光体。珠光体组织的相对量即为剩余奥