铁碳相图

铁碳相图王学武概述钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴，而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁碳合金。为了研究铁碳合金的组织和性能以及它们与成分、温度的关系，就必须学习铁碳合金相图。概述铁碳合金相图最早是在1889年测定的，距今已有100多年了，但仍在不断地完善，在不同的书籍中相图中的数据可能不尽相同，这是正常的。纯铁的同素异构转变α-Feγ-Feδ-FeBCC（912℃）FCC1394℃）BCC金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。铁碳合金中的基本相铁碳合金中的Fe和C可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个基本相。这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld)。铁碳合金中这些基本组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。铁碳合金中的基本相1、铁素体（ferrite）铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”（或α）表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。铁碳合金中的基本相铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。δ=30%~50%，AKU=128~160Jσb=180~280MPa，50~80HBS。铁碳合金中的基本相铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。铁碳合金中的基本相2、奥氏体（Austenite）奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”（或γ）表示，面心立方晶格；虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。铁碳合金中的基本相在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的硬度低、塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁”正是这个意思。σb=400MPa，170~220HBS，δ=40%~50%。另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。铁碳合金中的基本相奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。铁碳合金中的基本相3、渗碳体（Cementite）渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。它的碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃，质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。铁碳合金中的基本相渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。铁碳合金中的基本相总结：在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、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中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的。铁碳合金相图铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和Fe3C。由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分轴从0~6.69%。所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图。铁碳相图分析Fe—Fe3C相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析。1、上半部分-------共晶转变在1148℃，4.3%C的液相发生共晶转变:Lc(AE+Fe3C)，转变的产物称为莱氏体，用符号Ld表示。存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号Ld表示，组织由奥氏体和渗碳体组成；存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号Ldˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。低温莱氏体是由珠光体、Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上，Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起，一般无法分辨。2、下半部分-----共析转变在727℃，0.77%的奥氏体发生共析转变：AS(F+Fe3C),转变的产物称为珠光体。共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不非液体。珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体以层片状结构组成的机械混合物，是钢中的重要组织。平均含碳量为0.77%，在珠光体中铁素体占88%，渗碳体占12%，由于铁素体的数量大大多于渗碳体，所以铁素体层片要比渗碳体厚得多。在球化退火条件下，珠光体中的渗碳休也可呈粒状，这样的珠光体称为粒状珠光体。珠光体珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性较好。其抗拉强度为750~900MPa，180~280HBS，伸长率为20~25%，冲击功为24~32J。力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好σb=770MPa、180HBS、δ=20%~35%、AKU=24~32J）。珠光体经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织。当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体；当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线；而当放大倍数继续降低或珠光体变细时，珠光体的层片状结构就不能分辨了，此时珠光体呈黑色的一团。3、相图中的一些特征点相图中应该掌握的特征点有：A、D、E、C、G（A3点）、S（A1点），它们的含义一定要搞清楚。4、铁碳相图中的特性线4、相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线、PSK线（A1线）、GS线（A3线）、ES线（ACM线）4、铁碳相图中的特性线水平线ECF为共晶反应线。碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共晶反应。水平线PSK为共析反应线。碳质量分数为0.0218%～6.69%的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。4、铁碳相图中的特性线GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线,通常称A3线。ES线是碳在A中的固溶线,通常叫做Acm线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%,而在727℃时仅为0.77%，因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中,将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。4、铁碳相图中的特性线PQ线是碳在F中固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%,室温时仅为0.0008%,因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中,将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少，往往予以忽略。（二）典型铁碳合金的冷却过程及其组织1.铁碳合金的分类按含碳量和室温下显微组织不同，铁碳合金分为三类：（1）工业纯铁Wc0.0218%显微组织为铁素体（2）钢0.0218%Wc2.11%按室温显微组织又分为：①亚共析钢0.0218%Wc0.77%组织为珠光体+铁素体②共析钢Wc=0.77%组织为珠光体③过共析钢0.77%Wc2.11%组织为珠光体+渗碳体§4.4碳钢碳钢是工业中应用量最多的材料，它冶炼方便、价格便宜，性能能满足一般的工程需要。一、碳钢中的常存杂质元素及其作用Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧。1.有益元素2.有害元素:P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。S—形成低熔点的FeS，能引起钢在热加工时或高温工作下开裂，造成热裂。3.气体元素N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成裂纹，内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点二、碳钢的分类1.按碳的含量分类低碳钢:C%0.25%中碳钢:0.25%C%0.60高碳钢:C%0.60%2.按冶金质量分类3.按用途分类