第六章-二元相图-2-Fe-C相图

16.4二元相图典型实例Fe-Cbinaryphasediagram2•铁碳合金—碳钢(steels)和铸铁(castirons)，是工业应用最广的合金。•含碳量为0.0218%~2.11%的称钢，含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。一般用质量百分比！3铁碳合金相图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。4铁碳合金相图5•铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。•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%)→6金相学史话(1);材料科学与工程2001郭可信Widmanstatten在19世纪初用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片,观察到片状Fe-Ni奥氏体的规则分布(魏氏组织),预告金相学即将诞生。Sorby在1863年用反射式显微镜观察抛光腐刻的钢铁试样,不但看到珠光体中的渗碳体和铁素体的片状组织,还对钢的淬火和回火作了初步探讨,金相学已基本形成。到19-20世纪之交,Martens(马氏)和Osmond对金相学的发展和金相检验在厂矿中的推广做了重要贡献,同时Roberts-Austen(奥氏)和Roogzeboom初步绘制出Fe-C平衡图,为金相学奠定了理论基础。到了二十世纪中叶,金相学已逐步发展成金属学、物理冶金和材料科学。7金相学史话(1－6);材料科学与工程2001郭可信AloysvonWidmanstatten(以下简称魏氏)在1808年首先将铁陨石(铁镍合金)切成试片,经抛光再用硝酸水溶液腐刻,得出图1的组织。铁陨石在高温时是奥氏体,经过缓慢冷却在奥氏体的{111}面上析出粗大的铁素体片,无须放大,肉眼可见。8金相学史话(1);材料科学与工程2001郭可信1863年英国的H.C.Sorby(索氏体Sorbite即命名于此人）索氏是国际公认的金相学创建人，他以地质矿物学家的业余身份发现了：(1)自由铁(1890年美国著名金相学家Howe命名为Ferrite,即铁素体);(2)碳含量高的极硬化合物(1881年Apel用电化学分离方法确定为Fe3C,1890年Howe命名为Cementite,即渗碳体);(3)由前两者组成的片层状珠状组织PearlyConstituent(Howe命名为Pearlite,即珠光体);(4)石墨;(5)夹杂物9金相学史话(1);材料科学与工程2001郭可信德国的AdolfMartens(以下简称马氏)和法国的FlorisOsmond分别在1878及1885年独立地用显微镜观察钢铁的显微组织,在德国及法国甚至有一些学者还认为他们也是金相学的创始人。马氏在东普鲁士铁路局工作十年,修建桥梁,在这期间他利用业余时间,进行钢铁的金相观察。Osmond曾在法国的著名合金钢厂Creusot(邓小平当年曾在这家钢厂做工)工作十年,从1880年起这个钢厂就开始了金相检验。Osmond在1895年建议用马氏命名钢的淬火组织——Martensite,即马氏体。10金相学史话(2);材料科学与工程2001郭可信自从Osmond在1885年首次提出β-Fe以来,直到1922年Westgren和Phragm用高温X射线衍射证明β-Fe与αFe有相同的体心立方结构为止,在很长时间内,冶金学家一直为钢为什么在淬火后变硬而争论不休。同素异构派(Allotropist)认为是αFe→βFe相变的结果,而碳派(Carbonist)认为是C的作用,各执一词。尽管βFe的存在被否定了,同素异构相变(γFe→α′Fe)还是存在的,它与四方畸变的α′Fe中固溶C都是钢在淬火后变硬的必要条件。这场长达四十年的激烈争论不但阐明了钢的淬火原理,对钢的结构与性能的深入了解也是有益的。11金相学史话(3);材料科学与工程2001郭可信1868年Чернов首先指出钢的淬火温度应在临界点a以上,相当于Osmond后来给出的Ac1或Ac3。RobertsAusten(即奥氏)在1896年绘制出Fe-C临界点图,接着又在1897年给出第一个Fe-C平衡图,其中有碳在γ-Fe中的单相区(后来Howe称之为奥氏体)。两年后他又给出第二个Fe-C平衡图,根据相律,包晶、共晶、共析三相反应都发生在一固定温度。一年后(1900),BakhuisRoozeboom引入Fe3C并根据相律绘出Fe-Fe3C亚稳平衡图,与现今使用的Fe-C平衡图基本相同12奥氏Austen的功绩是首先正式提出钢中的γ固溶体。他在1897年绘制了冶金史上第一个Fe-C平衡图13两年后奥氏发表了一个改进了的FeC平衡图.这是奥氏一生从事冶金研究事业的顶峰,他在那时誉满全球,并当选为英国钢铁学会主席,不久之后(1902)逝世。为了纪念奥氏在γ固溶体及FeC平衡图方面的贡献,Osmond在1900年命名γ固溶体为奥氏体。14Roozeboom在1900年根据相律重新修订了奥氏在1899年发表的Fe-C平衡图。这是以相律为指南制定的第一个合金相图,它的意义不仅是提供了一个基本正确的FeC平衡图,而且是为在合金相图中应用相律开了一个先例。151铁碳合金的组元和相•碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，称高温铁素体，用δ表示。•都是BCC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•⒈组元：Fe、Fe3C•⒉相•⑴铁素体：•碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。16•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区进行.•碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体塑性好原因？17Fe的同素异构转变铁具有异构转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异构转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在FCC的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在BCC的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。-Fe-Fe-FeBCCBCCFCC912oC1394oC18•⑶渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。•Fe3C硬度高，但脆性大,塑性几乎为零•Fe3C在钢和铸铁中的分布状态对合金的性能影响很大。•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19铁碳合金的双重相图由于Fe3C可在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（如图）。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。Fe-石墨相图与Fe-Fe3C相图类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C，虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。202铁碳合金相图分析•A.特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++21•B.特征线•⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECF•⑵三条水平线：•HJB：包晶线LB+δH⇄J•ECF：共晶线LC⇄E+Fe3C•共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体ledeburite,用Le表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体如何能够将高温存在的莱氏体保持到室温？22•PSK：共析线•SFP+Fe3C•共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C•珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,某些性能介于两相之间。PSK线又称A1线。23•⑶其它相线•GS,GP—⇄固溶体转变线,GS又称A3线。•HN,JN—δ⇄固溶体转变线，•ES—碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。•PQ—碳在-Fe中的固溶线。24PhasetransformationEutecticPeritectic+bPeritectoidBasicreactiontypesPhaseregion:single,doubleandtripleHowtoanalyzethephasediagrams?Leverrule5thL+bEutectoid+b+LbCoolingcurveandmicrostructureevolution255th•Components•Phases•Specialpoint•Speciallines26GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的（⇄）开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。GS又称A3线。ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线（固溶线）。奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。而在727℃时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。ES线又称Acm线。PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线（固溶线）。727℃时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃仅为0.0008%C。所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。27•⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线•C.相区•⑴五个单相区：L、、、、Fe3C•⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C28铁碳相图中的恒温转变（1）包晶转变peritectictransformation包晶转变：发生在1495℃（水平线HJB），反应式为：L0.53+0.090.17L0.53—含碳量为0.53%的液相；δ0.09—含碳量为0.09%的δ固溶体；0.17—含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。含碳量在0.09~0.53%之间合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。1495oCLJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++29铁碳相图中的恒温转变（2）共晶转变eutectictransformation共晶转变：发生在1148℃（水平线ECF），反应式为：L4.32.11+Fe3C共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。1148oCLJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++30铁碳相图中的恒温转变（3）共析转变eutectoidtransformation共析转变：发生727℃（水平线PSK），反应式为：0.770.0218+Fe3C共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用P表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727℃时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成P。727oCLJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++313典型铁碳合金的平衡结晶过程•⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相•①亚共析钢(0.0218~0.77%C)•②共析钢(0.77%C)•③过共