材料科学基础――铁碳相图

金属工艺学Fe-Fe3C相图教师：李文琼日期：2014年8月20日铁碳合金组元性质Fe-Fe3C相图分析★★★★铁碳合金平衡结晶过程★★★★Fe-Fe3C相图的应用★★碳钢★基本知识合金的结晶特点：1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温度范围内完成，而纯金属在恒温下完成；2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成的一系列不同成分的合金的总称合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质组元：组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质；在大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合金分为二元合金、三元合金及多元合金相：是指合金中化学成分、晶体结构和原子聚集状态皆相同，并以界面互相分开的各均匀组成部分组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称显微组织。相图：表示合金系中合金的状态与温度、成分之间关系的图解。相图的基本知识热分析法时间温度凝固开始凝固终了LL+SS二元合金相图的建立常见三相等温水平线上的反应铁碳相图有两类：Ⅰ液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％Ⅱ液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0～100％。123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγαγ＋CmL+Cmα＋CmFeFe3Cγ+L一、铁碳合金中的组元及相纯铁1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Feα-Feγ-Fe碳在α-Fe中的间隙固溶体称为α铁素体，简称为铁素体(Ｆ)；最大溶碳量为727℃时的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能为：σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、δ30%~50%，αk160~200J/㎝2、硬度~80HB。碳在δ-Fe中形成的间隙固溶体称为δ铁素体，(δ)，最大溶碳量为1495℃时的0.09％。铁素体碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。奥氏体渗碳体渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(σb)30MPa、伸长率(δ)~0、冲击韧度(αk)~0。珠光体F＋Fe3C的一种机械混合物，用符号P表示，其组织为层片状结构，综合了铁素体和渗碳体优点，其综合力学性能好。莱氏体莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆。二、铁碳合金相图的分析包晶相图由三个相图组成共析相图共晶相图五个基本相：五个单相区液相L高温铁素体δ铁素体奥氏体γ渗碳体Fe3C相图的分析三条水平线HJB水平线（1495℃）包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体L0.53+δ0.09←→γ0.17ECF水平线（1148℃）共晶线，发生共晶反应，反应产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用“Le”表示L4.3←→γ2.11+Fe3C莱氏体组织特征为蜂窝状，性能硬而脆三条水平线PSK水平线（727℃）共析线，发生共析反应，反应产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用“P”表示γ0.77←→F0.0218+Fe3C共析线又称为A1线珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布图中的特性线ABCD－液相线AHJECF－固相线GS、GP为固溶体转变线HN、JN为固溶体转变线GS线又称为A3线JN线又称为A4线六条重要的固态转变线二次渗碳体通常沿奥氏体晶界呈网状分布随着温度下降，C的溶解度下降当含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃冷却到727℃时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体标记为Fe3CⅡES线又称为Acm线ES线为碳在-Fe中的固溶线PQ线为碳在-Fe中的固溶线标记为Fe3CⅢ随着温度下降，C的溶解度下降铁碳合金自727℃向室温冷却时，会从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体因为析出量极少，在含碳量高的合金中不予以考虑CD线是从液体中结晶出渗碳体的开始温度线从液体中结晶出的渗碳体称为一次渗碳体标记为Fe3CⅠ注：各种不同的渗碳体分属于不同的组织组成物，区别在于形态和分布不同。但属于同一个相三、典型铁碳合金相图的结晶过程一、铁碳合金的分类1.工业纯铁（0.0218%C）室温下的平衡组织几乎全部为铁素体的铁碳合金，工业上很少使用2.钢（0.0218%--2.11%C）高温组织为单相奥氏体，易于变形。根据室温组织的不同分为三类(1)亚共析钢（0.0218%--0.77%C）指室温下的平衡组织为铁素体与珠光体的铁碳合金，有熟铁之称(2)共析钢（0.77%C）指室温下的平衡组织为珠光体的铁碳合金，即碳素工具钢中的T8钢(3)过共析钢（0.77%C--2.11%C）指室温下的平衡组织为珠光体与二次渗碳体的铁碳合金3.白口铸铁（2.11%--6.69%C）指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡组织中皆含有变态莱氏体的一类铁碳合金其断口白亮而得名，俗称生铁具有较低的熔点，流动性好，便于铸造成形含有一定数量的莱氏体，硬度高、脆性大，故不能承受锻造、轧制等压力加工，也不宜切削加工特点分类亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁4、灰铸铁（2.11%C）指室温下的平衡组织具有铁素体、珠光体，或是两者皆有的基体，且基体上分布着不同形态石墨的铁碳合金，其断口呈暗灰色1.工业纯铁(Wc0.0218%)纯铁组织金相图2.共析钢(Wc=0.77%)共析钢组织金相图相组成：α+Fe3C组织组成：P%8869.677.069.6%%12%881%CFe3共析钢(Wc=0.77%)3.亚共析钢(Wc=0.45%)亚共析钢组织金相图组织组成：α+P%6.4177.045.077.0%%4.58%6.411%P亚共析钢(Wc=0.45%)%3.9369.645.069.6%%7.6%3.931%CFe3相组成：α+Fe3Ca)含碳量0.20％b)含碳量0.40％c)含碳量0.60％abc4.过共析钢(Wc=1.2%)过共析钢组织金相图组织组成：Fe3C+P%26.777.069.677.02.1%CFe3%74.92%26.71%P过共析钢(Wc=1.2%)%1.8269.62.169.6%%9.17%1.821%CFe3相组成：α+Fe3Ca)硝酸酒精浸蚀b)苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体浅白色为殊光体5.共晶白口铸铁(Wc=4.3%)共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P——Ld‘%5.1577.069.677.03.4%CFe3%5.84%5.151%P共晶白口铸铁(Wc=4.3%)%7.3569.63.469.6%%3.64%7.351%CFe3相组成：α+Fe3C6.亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)亚共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P+Ld’——？亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)%2.5569.60.369.6%%8.44%2.551%CFe3相组成：α+Fe3C7.过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)过共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+Ld‘%3.293.469.63.40.5%CFe3%7.70%3.291%Ld'过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)%3.2569.60.569.6%%7.74%3.251%CFe3相组成：α+Fe3C总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。而室温组织组成物却有α、Fe3CⅢ、P、Fe3CⅡ、Fe3CⅠ和Ld’。Ld碳含量相组成组织组成工业纯铁0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd’过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’