铁碳相图对共析钢,亚共析钢和过共析钢的详细分析

第四节铁碳合金相图1、铁碳合金的基本相与性能2、铁碳合金相图与结晶过程3、含碳量对铁碳合金组织性能的影响4、铁碳合金相图的应用铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的金属材料。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢。含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为相图的组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.一、铁碳合金的基本相和性能碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⑴铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。⑵奥氏体:碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在A区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体构转变。同素异构转变属于相变之一—固态相变。铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异纯铁的同素异构转变⑶渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低(b35MPa),脆性大,塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体三个基本相：铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金平衡组织中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。五种组织组成物：是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或者多相混合物。铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体珠光体：共析反应的产物，是F与Fe3C片层相间的两相混合物莱氏体：共晶反应的产物，高温莱氏体是A与Fe3C两相混合物,室温莱氏体是珠光体与Fe3C的两相混合物二、铁碳合金相图的分析相图的简化⒈特征点⇄⇄⇄⇄⇄L+Fe3C⇄⒉特征线⑴液相线—ACD，固相线—AECF⑵两条水平线：ECF：共晶线LC⇄E+Fe3C共晶产物是A与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Le表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体PSK：共析线S⇄FP+Fe3C共析转变的产物是F与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体L+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。⑶其它相线GS—A⇄F固溶体转变线,GS又称A3线。ES—碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。⑶两个三相区：即ECF(L+A+Fe3C)、PSK(A+F+Fe3C)两条水平线⒊相区⑴单相区：L、A、F、Fe3C⑵两相区:L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相A①亚共析钢(0.0218~0.77%C)②共析钢(0.77%C)③过共析钢(0.77~2.11%C)铁碳合金按成分可分为三类：⑴工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。三、典型铁碳合金的平衡结晶过程⑶白口铸铁(2.11~6.69%C)铸造性能好,硬而脆①亚共晶白口铸铁(2.11~4.3%C)②共晶白口铸铁(4.3%C)③过共晶白口铸铁(4.3~6.69%C)(一)共析钢的结晶过程合金液体在1-2点间转变为A。到S点发生共析转变：AS⇄FP+Fe3C,A全部转变为珠光体。℃+++1点以上：L1～2点：LA2～3点：A3～3'点：AP3'点以下：P珠光体在光镜下呈指纹状.转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析F中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P。3FeC6.690.7788.8%,6.690.0218100%88.8%11.2%FSKQPKQ珠光体室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？3FeC46.690.7788.5%6.690.0008100%88.5%11.5%LQQLQQ43219共析钢的结晶过程(二)亚共析钢的结晶过程以0.40%C的钢为例合金在3点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为A。到4点，由A中析出F。到5点,A成分沿GS线变到S点，A发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，F中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.+Fe3CⅢGSPABJH℃+++1点以上：L1～2点：LA2～3点：A3～4：AF℃+++4～4'：AP4'点以下：P+F共析温度下相的相对重量为：330.400.0218100%,16.690.0218FeCFeCQQQ组织组成物的相对重量为：0.400.0218100%10.770.0218PPQQQ，℃+++温度继续下降，中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.室温下相的相对重量百分比为：330.0008100%,16.690.0008FeCFeCCQQQ室温下组织组成物的相对重量百分比为：0.0008100%,10.770.0008PPCQQQ利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积%×0.77%(忽略F中含碳量，P面积%=QP)亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.0218~0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织亚共析钢的结晶过程(三)过共析钢的结晶过程合金在1~2点转变为A,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈网状分布.温度下降,Fe3CⅡ量增加。到4点，A成分沿ES线变化到S点，余下的A转变为P。℃++Ⅱ+Ⅱ1点以上：L1～2点：LA2～3点：A3～4：AFe3CⅡ4～4'：AP4'点以下：P+Fe3CⅡ室温组织：P+Fe3CⅡ400×室温下两相的相对重量百分比：356.69100%6.690.00085100%FeCLQQLCQQQQL过共析钢室温组织为P+Fe3CⅡ。两组织组成物的相对重量百分比：12345S’356.69'5100%,100%'6.690.77'PFeCPLCSQQQSLSLFe3CⅡ量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3CⅡ量最大：32.110.77100%22.6%6.690.77IIFeCQ12345S’过共析钢的结晶过程总结：钢的结晶过程1、共析钢的结晶过程3、过共析钢的结晶过程2、亚共析钢的结晶过程L→L+A→A→P相组成物：F，Fe3CL→L+A→A→A+F→P+F相组成物：F，Fe3CL→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII相组成物：F，Fe3C℃++Ⅱ+ⅡⅢ莱氏体(Ld)是共晶A与共晶Fe3C的机械混合物1点以上：L1～1'：LLd(四)共晶白口铁的结晶过程共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:6.694.3100%52.2%47.8%6.692.113QQFeC，℃++Ⅱ+ⅡⅢ℃++Ⅱ+ⅡⅢ1'～2：LdC点以下,共晶A将析出Fe3CⅡ，A成分沿ES线变化。Fe3CⅡ与共晶Fe3C结合，不易分辨。温度降到2点,A成分达到0.77%,此时,相的相对重量:%.Q%.%....QCFe659440100770696346963，℃++Ⅱ+ⅡⅢ在2点,共晶A发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,用Ld’表示.2～2'：LdLd’(AP)℃++Ⅱ+ⅡⅢ2'点以下：Ld’（P+Fe3CII+共晶Fe3C）室温组织:（低温）莱氏体Ld′500×Ld′的性能：硬而脆室温下两相的相对重量百分比为：3αFeC6.69-4.3Q=100%=35.7%6.69-0.0008Q=100%-35.7%=64.3%℃+++共晶白口铁的结晶过程L→Lｄ(A+Fe3C共晶)→Lｄ(A+Fe3C共晶+Fe3CII)→Lｄ’(P+Fe3C共晶+Fe3CII)相组成物：F，Fe3C(五)亚共晶白口铁的结晶过程合金在1~2点间析出A。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。2~3点间从A中析出Fe3CⅡ，一次A的Fe3CⅡ被共晶A衬托出来。到3点，A转变为P。亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’。室温下组织组成物相对重量百分比为：33''222.110.776.690.77100%IIIILeLeFeCLeFeCEQQECCQECQQQECFD1234N室温下相的相对重量百分比?亚共晶白口铁的结晶过程(六)过共晶白口铁的结晶过程1~2点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。DFK3Fe3C1242点以下,Fe3CⅠ成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。总结：白口铸铁的结晶过程1、共晶白口铁的结晶过程3、过共晶白口铁的结晶过程2、亚共晶白口铁的结晶过程L→Lｄ(A+Fe3C共晶)→Lｄ(A+Fe3C共晶+Fe3CII)→Lｄ’(P+Fe3C共晶+Fe3CII)相组成物：F，Fe3CL→L+A→A+Lｄ(共晶A+Fe3C共晶)→A+Lｄ(A+Fe3C共晶+Fe3CII)+Fe3CII→P+Lｄ’(P+Fe3C共晶+Fe3CII)+Fe3CII相组成物：F，Fe3CL→L+Fe3CI→Fe3CI+Lｄ(共晶A+Fe3C共晶)→Fe3CI+Lｄ(A+Fe3C共晶+Fe3CII)→Fe3CI+Lｄ’(P+Fe3C共晶+Fe3CII)相组成物：F，Fe3C四、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响⒈含碳量对室温平衡组织的影响含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：钢铁素体亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体F→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII+Lｄ’→Lｄ’→Lｄ’+Fe3CI⒉含碳量对力学性能的影响硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数,随碳含量的增加,由于硬度高的Fe3C增多,硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大,由全部为F的硬度约80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB。强度是一个对组织形态很敏感的性能。随碳含量的增加,亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高,其大小与细密程度有关。组织越细密,则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。但当碳质量分数超过共析成分之后,由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现,合金强度的增高变慢,到约0.9%C时,Fe3CII沿晶界形成完整的网,强度迅速降低,随着碳质量分数的进一步增加,强度不断下降,到2.11%C后,合金中出现Le时,强度已降到很低的值。再增加碳含量时,由于合