铁碳合金相图及碳素钢

第五章铁碳合金相图及碳素钢钢铁材料是铁碳合金系中具有实用价值的部分，是目前人类社会中应用最为广泛的工程材料。反映铁碳合金的化学成分、相、组织与温度关系的相图已经诞生一百多年。百余年来随着技术的进步世界各国的金属学工作者对这张相图进行了越来越精确的测定。形成了目前通用的图样。它是一个比较复杂的相图，是由多种基本类型相图组成。本课将较详细介绍铁碳相图中具有实用价值的部分的Fe-Fe3C相图，并介绍与此相图相对应的、工业用量颇大的碳素钢。第一节铁碳合金中的相与基本组织一、Fe的同素异晶转变及晶格结构Fe是元素周期表中第26号元素，相对分子质量56、体积质量7.8/cm3、熔点1538℃。Fe具有同素异晶转变现象。所谓同素异晶转变是指金属在结晶成固态之后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象，也称同素异构转变。同素异晶转变也是通过成核长大的过程来完成原子重新排列的，也是一种结晶过程，也有结晶潜热产生。但是，它是在固态下进行的晶格类型的转变，有别于液态金属的凝固结晶，也有别于变形金属再固态下的再结晶。因此，同素异晶转变也被称为重结晶，是一种固态相变。由于晶格类型不同，其原子排列的致密度也不同。因此，在同素异晶转变时，会引起宏观体积的变化和内应力的增加。由于同素异晶转变时也有潜热释放，所以，在金属冷却曲线上也会以一个平台形式表现出来。只是比结晶平台小些。图5-1是铁的冷却曲线。从冷却曲线上可见到第一个1538℃的平台是铁的结晶温度。结晶后是体心立方晶格Fe。当温度降到1394℃出现第二个平台。这是Fe在固态下第一次同素异晶转变。转变成为面心立方的Fe。当继续冷却到912℃时出现第三个平台，这是Fe的第二次同素异晶转变。变成体心立方的Fe。当继续冷却到769℃时出现第四个平台。这个平台对应的温度称为居里点。它不是同素异晶转变，因为没有晶格类型的变化。只是Fe原子的外层电子排列的变化引起Fe的磁性状态的改变。使Fe由顺磁性变成铁磁性，使透磁率增加数万倍。晶格类型虽然仍是体心立方，但是晶格常数减小了。由0.293nm变成0.233nm。这种具有铁磁性的体心立方晶格的铁称为Fe。在不是专门研究材料磁性时，同时体心立方结构的Fe和Fe可不加以区分统称为Fe。我们在这里主要是讨论铁碳合金的力学性能，可以不必区分Fe和Fe。认为912℃的同素异晶转变是由Fe转变成Fe。铁的同素异晶转变可简单的记作：Fe←→Fe←→Fe。正因为Fe具有这种同素异晶转变才使得钢也存在多种固体相变。这正是钢可以进行各种热处理的基础。二、铁碳合金中的相铁碳合金的组元Fe与C相互作用可以形成几种很重要的相。碳在Fe-C合金中的存在形式主要有三种：固溶到铁晶格间隙中的固溶碳、与Fe形成间隙化合物的化合碳、游离在Fe-C合金中的游离碳。铁与碳相互作用形成的主要相有以下几种：1.铁素体：铁素体是碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体。代号为F或。虽然Fe的体心立方晶格总空隙度较大（32％），但是每个具体的空隙直径都不大，仅有0.072nm，远小于碳原子的直径（0.154nm）。所以，碳在-Fe中的溶解度很小。室温时溶解度Wc≤0.0008％≈0。最大溶解度在727℃，Wc≈0.0218％。碳原子在Fe晶格间隙中的可能位置见图5-2。铁素体是一种强度不高但是塑性很好的相，见表5-1。铁素体是钢铁材料在室温室时的重要相，常作为基体相存在。2.奥氏体：它是碳原子固溶到Fe中所形成的间隙固溶体。代号为A或。它存于727℃以上。面心立方的Fe虽然总间隙为26％，小于Fe。但是，具体间隙的直径却较大，最大的直径是0.104nm近于碳原子直径。所以碳原子在Fe中的溶解度大于在-Fe中的溶解度。在727℃时，wc＝0.77％最大溶解度在1148℃时，wc≈2.11％。碳原子在Fe晶格间隙中的可能位置，见图5-3。奥氏体是一种强度不高塑性很好的高温相。是热变形加工所需要的相。一般情况奥氏体不存在于室温。3.渗碳体它是铁与碳形成的间隙化合物。分子式是Fe3C。其晶体结构见图2-16。有固定的Wc＝6.69％，熔点为1227℃。可视为是一种组元。渗碳体是具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性的相见表5-1。渗碳体也是钢铁材料在室温下的重要相。常作为钢的第二相弥散强化的强化相。4.石墨它是Fe-C合金中游离存在的碳，代号G。它以简单六方晶格结构存在。强度、塑性、硬度都很低。在钢中通常是不允许它存在。否则会降低钢的力学性能。但是在铸铁材料中为了增加铸铁的切削加工性和降低铸铁的脆性并能保证一定的强度和韧性，常采用一些工艺措施使大多数的化合碳转变成游离碳的石墨。使铸铁由白口变成灰口，成为有用的工程材料（详见铸铁一章）。还有，在1394℃以上有一个δ铁素体相。它是碳固溶到δFe中形成的一种间隙固溶体高温相，在1495℃时有最大的溶解度为Wc≈0.09％。但是在我们所讨论的范围内一般用不到这个相。此外，铁碳合金在液态时成为液相，代号是L。上述这些相，在Fe-C合金中的显微组织中均被称为相组成物。在室温下，铁碳合金中最重要的相是铁素体和渗碳体。它们在钢铁材料中既可一独立存在，也可以以机械混合物形式组成一些基本组织。三、铁碳合金中的基本组织在铁碳合金中，当wc=0.77％，温度在727℃时，会产生共析转变。所共析转变是指在某一恒定温度时，一定成分的固相又重新结晶成两个不同的机械混合物。这种两相的机械混合物称为共析体。铁碳合金中的共析转变是指碳的质量分数为0.77％的奥氏体在727℃时发生重结晶，形成铁素体和渗碳体的两相机械混合物。这种机械混合物的共析体命名为珠光体。代号为P铁碳合金中的共析转变可以表示为A0.77←→（F+Fe3C）≡P。珠光体和渗碳体以相间片层形式机械混合在一起，见图5-7。其力学性能见表5-1。当wc=4.3％，温度为1148℃时铁碳合金发生共晶转变。L4.3←→（A+Fe3C）≡Ld即碳的质量分数为4.3％铁碳合金液相结晶时发生共晶转变产生了奥氏体和渗碳体机械混合物的共晶体。这个共晶体命名为高温莱氏体，代号为Ld。高温莱氏体是存在于727℃以上的一种基本组织。在727℃以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变变成珠光体。这是的莱氏体就变成由P和Fe3C组成。成为低温莱氏体，低温莱氏体是铁碳合金在室温下的另一个基本组织。另外，各个相若是独立存在于铁碳合金中，也都可以看作是单相的基本组织。这些基本组织均被称为铁碳合金显微组织的组织组成物。第二节铁碳合金相图铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织和性能有重要意义。对于制定钢铁材料的铸、锻、焊及热处理等工艺有直接的指导意义。一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图铁和碳两个组元不仅能形成各种固溶体相而且可以产生一系列的化合物。如，Fe3C、Fe2C、FeC等。这样一来，Fe-C二元合金相图就可以看成是由Fe-Fe3C；Fe3C-Fe2C；Fe2C-FeC；FeC-C四个二元相图组成，见图5-4。但是对于wc＞6.69％的铁碳合金，因其力学性能很差，在机械工程中没有使用价值。因此，Fe-C合金相图实际上只有Fe-Fe3C相图是我们讨论的对象，见图5-5。Fe-Fe3C相图对于了解碳素钢和白口铸铁及工业纯铁的显微组织与温度关系是很直观的。二、对Fe-Fe3C相图的分析㈠相图中的主要点相图中各个点的碳的质量分数、温度值及各个点的含义，见表5-2。㈡相图中的主要相变线ABCD线为液相线。温度高于此线铁碳合金均是液相。其中，AB线是L→δ开始线，BC是L→A开始线，CD是L→Fe3C开始线。从液相直接结晶出来的Fe3C称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠ。AHJECF线为固相线。温度降到次线之下铁碳合金全部都结晶成固相。HJB线为包晶线。当温度达到这条线（1495℃）时wc=0.09％～0.53％的铁碳合金均有包晶转变。即H成分的δ固溶体（δH）和B成分的液相（LB）在1495℃时共同结晶成J成分的奥氏体（AJ）。表达式为δH+LB→AJ。ECF线是共晶线。当温度达到这条线（1148℃）时，此线下2.11％＜wc＜6.69％的铁碳合金均有共晶转变发生。PSK线是共析线，代号为A1。当温度到达这条线（727℃）时此线下0.02％wc6.69％的铁碳合金均会有共析转变发生.ES线为固溶线,也称溶解度线,代号为Acm.它是奥氏体中碳的溶解度随温度变化曲线.当温度降到此线,奥氏体中多余的碳以渗碳体的形式析出。从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体。记为Fe3CⅡ。PQ线也是固溶线。它是铁素体中碳的溶解度随温度变化的曲线。当温度降到此线,铁素体中多余的线也以渗碳体形式析出。从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。记为Fe3CⅢ.GS线是奥氏体向铁素体转变的开始线，也是铁素向奥氏体转变的终了线。代号为A3。GP线是奥氏体向铁素体转变的终了线,也是铁素向奥氏体转变的开始线。实际上相图中的这些线都是各个化学成分的合金随温度变化发生各种相转变的温度点(相变点)的分类集合。还要指出的是：一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳以及珠光体和莱氏体中的渗碳体，它们本身并无本质区别，都具有相同的化学成分、晶格结构和性质。只是出处不同，并由此造成其形态、大小以及在合金中的分布等情况有所不同。因此，对合金的性能也有不同的影响。但是，渗碳体的形态、大小、分布不是一成不变的，可以通过有关的热处理或锻造等方法来改变。按需要来控制调整渗碳体对铁碳合金性能的影响。（三）Fe-Fe3C相图中的相区单相区有五个：L、δ、A、F、Fe3C。具体位置见图5-5。其中，Fe3C相区因Fe3C有固定的化学成分（wc=6.69%），所以是wc=6.69%的一条垂线DFKL。双相区有七个：δ+L、δ+A、A+L、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C。具体位置见图5-5。三相共存区有三个，是三条水平线：L+δ+A(包晶线)、L+A+Fe3C(共晶线)、A+F+Fe3C（共析线）。三、典型铁碳合金的结晶过程（一）Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类按合金中碳质量分数和显微组织的不同，铁碳合金可分为三大类：1.工业纯铁它是wc≤0.02%的铁碳合金。2.碳素钢它是0.02%＜wc≤2.11%的铁碳合金。按起室温下先微组织的不同又分为三种：共析钢：wc=0.77%亚共析钢：0.02%＜wc＜0.77%过共析钢：0.77%＜wc≤2.11%3.白口铸铁它是2.11%＜wc＜6.69%的铁碳合金。按其室温下显微组织的不同又分为三种：共晶白口铸铁：wc=4.3%亚共晶白口铸铁：2.11%＜wc＜4.3%过共晶白口铸铁：4.3%＜wc＜6.69%（二）典型合金的相变过程在图5-5中标有①②……⑦七条垂直的点划线，分别是工业纯铁、碳素钢、白口铸铁三类铁碳合金中七个典型合金所在的位置。1.工业纯铁在平衡状态下的相变过程合金①是工业纯铁中有代表性的合金。它是一种固溶体合金。图5-6a是该合金的相变过程的图示。从图5-5相图上可见：在1点以上均匀的液相（L）。1～2点是该合金结晶温度区别，δ与L两相共存，先形成δ相的晶核，后长大成为δ固溶体晶粒，到2点结晶终了，全部液相都结晶成δ固溶体。在2～3点之间是δ固溶体单相区，没有相变，仅是δ相简单的冷却。3～4点间δ与A两相共存，即冷到3点以下时在δ相晶界处先形成奥氏体（A）晶核，后长大成奥氏体晶粒，直到4点δ相全部转变成奥氏体相。在4～5点之间时奥氏体单相区，没有相变，仅是A的简单的冷却。5～6点之间A与F两相共存，即冷到5点以下时在奥氏体相的晶界处又形成铁素体（F）晶核，然后长大成F晶粒，直到6点A全部转不变成F。6～7点之间时铁素体（F）的单相区，没有相变，仅是F的简单冷却。7点以下直到室温是F和Fe3CⅢ的两相共存区。即当冷却到7点以下时，F的溶解度小于F中的实际碳的质量分数，多余的碳以三次渗碳体的形式从F中析出，通常分布在F晶界处。随着温度的下降铁素体的溶解度也下降，析出的Fe3CⅢ也增加。直到室温，最后形成F+Fe3C