铁碳相图及其合金

电厂金属材料2022/5/241铁碳相图及其合金电厂金属材料2022/5/242第一节铁碳合金的相结构•纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的δ-Fe,随后又有两次同素异构转变，即面心立方格的γ-Fe和体心立方格的α-Fe。•碳溶入α-Fe和γ-Fe铁中所形成的固溶体为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称做渗碳体。•碳原子溶入α-fe中所形成的固溶体称做高温铁素体。它在1400℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳合金的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。电厂金属材料2022/5/243一、铁素体•碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方格的α-Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以铁素体对碳的溶解度很小。在727℃时最大固溶度为0.02%,而在室温时固溶度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：抗拉强度Rm250Mpa，屈服强度RE140Mpa断后延伸率A11.340%-50%冲击韧性αK200J/cm2布氏硬度HBS80•由此可见，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相。铁素体是912℃以下的平衡相，也称做常温相，在铁碳相图中用符号F表示。电厂金属材料2022/5/244二、奥氏体•碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有面心立方格的γ-Fe的间隙半径为0.052nm，比α-Fe的间隙稍大，在1148℃时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在727℃时是0.77%。•奥氏体是727℃以上的平衡相，也称高温相。在高温下，面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通常用符号A表示。电厂金属材料2022/5/245三、渗碳体•渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。它的晶体结构复杂，属于复杂八面体结构，分子式为Fe3C，含碳量6.69%。•渗碳体的硬度很高，HV800，但极脆，塑性和韧性几乎是零，强度Rm=30Mpa左右。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能有很大影响。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。•在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。Fe3C→3Fe+C（石墨）电厂金属材料2022/5/246一、相图图形介绍•在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金性能极脆，没有使用价值。因此只研究Fe—Fe3C，即含碳量小于6.69%这一部分，通常称为Fe—Fe3C相图，也称铁碳合金相图。•在Fe—Fe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但它是在1400℃以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。Fe—Fe3C相图可简化为图2-2的形式。第二节铁碳合金相图电厂金属材料2022/5/247L4.3A2.11+Fe3C恒温1148℃恒温727℃•相图的右上部为共晶相图，在1148℃时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：A0.77F0.02+Fe3C反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号P表示。以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号Ld表示。•相图的下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在727℃时发生共析反应：电厂金属材料2022/5/248•珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：布氏硬度HBS180断后延伸率A11.320%~25%冲击韧性aK30~40J/cm²强度极限Rm750Mpa二、相图中点、线和相区的意义•铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表2-1所示。特性点温度（℃）含碳量（％）特性点含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D~12276.69渗碳体的熔点B11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度G9120α-Feγ-Fe的同素异构转变点S7270.77共析点电厂金属材料2022/5/249电厂金属材料2022/5/2410铁碳合金下图中各主要线的意义是：AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。ECF为共晶线。若含碳量在ECF线投影范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃时必然发生共晶反映，形成莱氏体。•ES为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称Acm。从这根线可以看出，碳在秋耕氏体中的最大溶解度是在1148℃时，可溶解碳2.11%，布在727℃时，由于碳在奥氏体中的溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CII）,以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CI)。GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称A3线.GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线.PSK为共析线,简称A1线.合金含碳量在PSK线投影范围（0.02%~6.69%）内时，奥氏体在727℃时必然发生共析反应，形成珠光体。电厂金属材料2022/5/2411•PQ为碳在铁素体中溶解度变化线。从该线可看出，碳在铁素体中最大溶解度是在727℃时，可溶解碳0.0218%，在室温仅能溶解碳0.008%。故一般铁碳合金凡是从727℃缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（Fe3CIII）。•因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。所谓一次`二次，三次渗碳体，仅在其来源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶体结构和性能均相同。当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。•简化的铁碳合金下图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即L，A，F及Fe3C;渗碳体也可作为铁碳相图的一个组元，它的成分是固定不变的，因此在相图上它的相区仅是一条竖直线。•相图中有五个相区，即L+A、L+Fe3C、A+F及F+Fe3C。相图中的两条水平线是三相平衡线上有三个点,分别与三个单相区以点相连接,当发生三相平衡反应时,三个平衡相的成分即这三个点的成分,说明了温度和三个平衡相的成分是固定的.•从相图可以看出，含碳量大于0.008%时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F+Fe3C相区内，即合金的相结构都要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变化。电厂金属材料2022/5/2412三、典型合金结晶过程及室温组织•工程上使用的铁碳合金分为钢和铸铁两大类，它们的区别在于所含碳量不同。含量碳量小于2.11%的，称为铸铁。在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共析钢，亚共析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁等六种典型合金，如图2—3所示。电厂金属材料2022/5/2413（一）共析钢•图2—3中合金①称为共析钢，其含碳量为0.77%。•当温度在1点以上时，合金为液相；•温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体；•温度降至1～2点之间时，从液相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不断减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC变化，奥氏体的成分沿AE线变化。•当温度降至2点时，合金全部线结晶成奥氏体，温度降至2～3点之间时，合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。•温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727℃温度下发生共析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02%的铁素体F和渗碳体Fe3C的共析组织，即珠光体P。电厂金属材料2022/5/2414•珠光体是在727℃恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变化。只是铁素体的含量碳量从0.025降至几乎为零，碳则以微量三次渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。恒温727℃•共析钢的结晶过程如图2—4所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁素体与渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过程用反应式表示为：L→L+AP电厂金属材料2022/5/2415(二)亚共析钢•含碳量低于0.77%的钢均称为亚共析钢。•以图2—3中合金⑵为例，亚共析钢的结晶过程，如图2—6所示。•合金从液相冷却到1.2点以后，结晶出单相的奥氏体组织；•温度继续降至2—2点之间时，奥氏体组织不变；•当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大；•温度降至4点时，根据杠杆定律先结晶出的铁素体相的量为4S/（PS），其成分沿着GP线变化至P点（含碳0.02%），称作初生铁素体；剩下的奥氏体相的量为P4/（PS），其成分沿着GS线变化至S点（含碳0.77%）。这时剩下奥氏体的成分和温度已具备珠光体转变的条件，在727℃时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共析钢奥氏体的一部分转变为初生铁素体（图2—7中白色晶粒），另一部分转变为珠光体组织（图2—7黑色部分）。温度将继续降至室温时，显微组织基本不变（三次渗碳体忽略不计）为铁素体+珠光体（F+P）。电厂金属材料2022/5/2416图2－7亚共析钢的显微组织电厂金属材料2022/5/2417•铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区（P+F）的PS线上计算出，称作组织相对量。•合金（2）中，珠光体量为：Qp=P4/PS×100%•铁素体量为：QF=1－Qp或QF=4S／PS×100%•随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从0%增加到100%；当含碳量增加到0.77%时，珠光体为100%，即共析钢组织。•珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体。室温时，铁碳合金的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在F+Fe3C的两相区中计算出亚共析钢铁素体与渗碳体的相对量，称作相的相对量：•QF=（6.69－②）/（6.69－0.02）＋100%•QFe3C=1－QF式中②——亚共析钢的含碳量。计算出的QF为初生铁素体与共析铁素体之和。亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L→L+A→A→F＋A→F+P电厂金属材料2022/5/2418•含碳量在0.77～2.11%的钢,均统称为过共析钢.•以图2-3中合金3为例,过共析钢的结晶过程如图2-8所示.•合金从液相冷却至1、2点以后，结晶出单相奥氏体组织；•温度继续冷却至2～3之间时，奥氏体组织不变；温度降至3点时，碳在奥氏体中达到饱和，开始析出Fe3C，称作二次渗碳体，写作Fe3CII。Fe3CII沿着奥氏体晶界析出，呈网状分布(图2－9)，随着温度降低，碳在奥氏体中溶解度下降，不断析出。•温度降至4点（727℃）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在A＋Fe3C两相区SK线上计算出来。（三）过共析钢电厂金属材料2022/5/2419式中③—过共析钢的含碳量•剩余的奥氏体量为1－QFe3CII，其成分已沿着SE线变化至S点，已具备珠光体转变的条件，在727时发生共析反应，转变为珠光体。珠光体的组织相对量为：•Qp＝1－QFe3CII或Qp＝利用杠杆定律可以在F+Fe3C两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量：•QFe3C＝1－QF%10077.0-69.677.0-%100SKS4③%10077.0-69.6-69.6③QFe3CII=•Lg→L+A→Ag→Fe3CII＋Aτ→Fe3CII+AsFe3CII+P恒温727℃•这样计算出的QFe3C为二次渗碳体与共析渗碳体之和。过共析钢的结晶过程可用反应式表示为：电厂金属材料2022/5/2420过共析钢的显微组织如图2－9所示，图中白色的沿着