铁碳合金相图分析.doc

鐵碳平衡圖（The Iron-Carbon Diagrams）連聰賢、目的及要求 本章闡述了鐵碳合金的基本組織，鐵碳合金狀態圖，碳鋼的分類、編號和用途。要求牢固掌握鐵碳合金的基本組織(肥粒體、沃斯田體、雪明碳體、波來體、粒滴斑體)的定義、結構、形成條件和性能特點。牢固掌握簡化的鐵碳合金狀態圖；熟練分析不同成分的鐵碳合金的結晶過程；掌握鐵碳合金狀態圖各相區的組織及性能，以及鐵碳合金狀態圖的實際應用。掌握碳鋼中常存元素對碳鋼性能的影響；基本掌握碳鋼的分類、編號、性能和用途。二、內容 鐵碳合金基本組織肥粒體、沃斯田體、雪明碳體、波來體和粒滴斑體的定義、表示符號、晶體結構、顯微組織特徵、形成條件及性能特點。鐵碳合金狀態圖的構成、狀態圖中特性點、線的含義。典型合金的結晶過程分析及其組織，室溫下不同區域的組織組成相。碳含量對鐵碳合金組織和性能的影響。鐵碳合金狀態圖的實際應用。錳、矽、硫、磷等常存雜質元素對鋼性能的影響。碳鐵的分類、編號、性能和用途。三、學習要領 鐵碳合金狀態圖是金屬熱處理的基礎。必須配合鐵碳合金平衡組織的金相觀察實驗，結合課堂授課，作重點分析鐵碳合金的基本組織及其室溫下不同成分鐵碳合金的組織特徵。練習繪製鐵碳合金狀態圖，對不同成分的合金結晶過程進行分析。四、課程綱要 （一）鐵碳合金的構成元素及基本相 1. 合金的構成元素與名詞解釋（1）金屬特性：具有不透明、金屬光澤良好的導熱和導電性並且其導電能力隨溫度的增高而減小，富有延性和展性等特性的物質。金屬內部原子具有規律性排列的固體（即晶體）。（2）合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物質。（3）相：合金中成份、結構、性能相同的組成部分，物理上均質且可區分的部分。 （4）固溶體：是一個（或幾個）組元的原子（化合物）溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態金屬晶體，固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。（5）固溶強化：由於溶質原子進入溶劑晶格的間隙或結點，使晶格發生畸變，使固溶體硬度和強度升高，這種現象叫固溶強化現象。（6）化合物：合金組元間發生化合作用，生成一種具有金屬性能的新的晶體固態結構。（7）機械混合物：由兩種晶體結構而組成的合金組成物，雖然是兩面種晶體，卻是一種組成成分，具有獨立的機械性能。（8）平衡：隨著時間的進行，系統沒有巨大的變化，謂之平衡。（9）平衡相圖：顯示在不同壓力、溫度及成分時，會存在何種平衡穩定相的圖示。材料科學中最常見的相圖是溫度成分圖。（10）組織：金屬材料各個晶粒的成分、粗細、形狀、方向、相這些因素的組合，稱金屬的組織。（11）晶粒：同一結構的物系，由於原子排列方向的不同，造成物系內包含許多各種方向的晶體，這些個別晶體稱之晶粒。晶粒與晶粒間區域稱之晶界（grain boundary）。（12）平衡相圖可提供的資訊：含何種相及幾相共存？各項成分為何？各相含量比例為何？（13）槓桿定律：若組成與溫度的交點落於兩相區，則此兩相含量的比例由槓桿定律求得。2. 鐵碳合金的基本相(1) 肥粒體(Ferrite)；(F)；(-Fe)組織:碳在-Fe中的固溶體。特性:呈體心立方晶格.固溶碳能力最小,最大為0.0218%;硬度和強度很低,HB=80-120,b=250N/mm2;而塑性和韌性很好,=50%,=70-80%.因此,含肥粒體多的鋼材(軟鋼)中用來做可壓、擠、沖板與耐衝擊震動的機件。肥粒體在768以下具有鐵磁性，在768以上則失去鐵磁性。這類鋼有超低碳鋼,如工業用純鐵,矽鋼片等。（2）沃斯田體(Austensite)；(A)；(-Fe)組織:碳在-Fe中的固溶體特性:呈面心立方晶格.最高溶碳量為2.11%,在一般情況下,具有高的塑性,但強度和硬度低,約170-220HB, 為4050%，因此塑性較高，易于緞壓成形。沃斯田體組織除了在高溫轉變時產生以外,在常溫時亦存在于不銹鋼、高鉻鋼和高錳鋼中,如沃斯田體不銹鋼等。（3）雪明碳體(Cementite)；(C)；(Fe3C)組織:鐵和碳的化合物(Fe3C)特性:呈複雜晶格結構的間隙化合物.含碳量為6.67%,硬度很高,相當於800HB,耐磨,但脆性很大,因此,雪明碳體不能單獨應用,而總是與肥粒體混合在一起.碳在鐵中溶解度很小,所以在常溫下,鋼鐵組織內大部分的碳都是以雪明碳體或其它碳化物形式出現。Fe3C是一種介穩態相，在一定條件下會發生分解。（4）波來體(Pearlite)；(P又分Pc , PM , Pf)組織: 肥粒體片和雪明碳體片交替排列的層狀顯微組織,是肥粒體與雪明碳體之共析體)。特性:是過冷沃斯田體進行共析反應的直接產物.其片層組織的粗細隨沃斯田體過冷程度不同,過冷程度越大,片層組織越細性質也不同.沃斯田體在約600分解成的組織稱為中波來體(Sorbite),在500-600分解轉變成用光學顯微鏡不能分辨其片層狀的組織稱為細波來體(Troostite),它們的硬度較肥粒體和沃斯田體高,而較雪明碳體低,其塑性較肥粒體和沃斯田體低而較雪明碳體高.正常化後的波來體比退火後的波來體組織細密,彌散度大,故其力學性能較好,但其片狀雪明碳體在鋼材承受負荷時會引起應力集中。（5）粒滴斑體(Ledeburite)；(Ld）)組織:沃斯田體與雪明碳體的共晶混合物。特性:鑄鐵合金溶液含碳量在2.11%以上時,緩慢冷到1147便凝固出共晶粒滴斑體.當溫度到達共析溫度（A1）時,共晶粒滴斑體中的沃斯田體轉變為波來體.因此,在723以下粒滴斑體是波來體與雪明碳體機械混合物(共晶混合). 粒滴斑體硬而脆(700 HB),不能進行壓力加工,如白口鑄鐵.在鑄態含有粒滴斑體組織的鋼有高速工具鋼和高Cr型高合金工具鋼等.這類鋼一般有較大有耐磨性和較好的切削性。（二）Fe-Fe3C相圖分析 1. 相圖中的點、線、相區及其意義：如表1-1，1-2，1-3所示。 2. 包晶反應（Peritectic reactions）：（水平線HJB） 其特徵是首先晶出之初晶固溶體與周圍殘留液體間發生反應，而生成第二種固溶體，將原來的初晶包起來。 包晶反應式： L( 0.53%C ) (0.09 %C) (0.17%C) 3. 共晶反應（Eutectic reactions）：（水平線ECF） 是由一種液體同時析出兩種不同的固體。 共晶反應式：L (4.3 %) (2.11C) Fe3C( 6.67%C) 4. 共析反應（Eutectoid reactions）：（水平線PSK） 是由一種固體同時析出兩種不同的固體。 共析反應式： (0.77 C) (0.218C ) Fe3C( 6.67%C) 5. 三 條重要的特性曲線（GS線、ES線、PQ線）（三）鐵碳合金的平衡結晶過程及組織 1. 工業純鐵（Pure iron）（含碳0.0218%） 2. 共析鋼（eutectoid steel）（含碳為0.77%） 3. 亞共析鋼（hypo-eutectoid steel）（含碳0.77%） 4. 過共析鋼（hyper-eutectoid steel）（含碳0.77%） 5. 共晶白鑄鐵（Eutectic white cast iron）（含碳為4.3%） 6. 亞共晶白鑄鐵（hypo-eutectic white cast iron）（含碳4.3%） 7. 過共晶白鑄鐵（hyper-eutectic white cast iron）（含碳4.3%） 以上合金之結晶過程如圖1-1至圖1-8所示。（四）含碳量對鐵碳合金的平衡組織和性能的影響 1. 對平衡組織的影響不同成分及組織特徵、組織組成物相對量（）、相組成物相對量（）等。 2. 對機械性質的影響強度、延展性、硬度等。 3. 對加工性能的影響切削加工性能、可鍛性、鑄造性、熱處理等。 （五）鋼中的雜質元素及鋼錠組織 1. 鋼中的雜質元素及其影響錳、矽、硫、磷、氮、氫、氧及其它非金屬夾雜物的影響。 2. 鋼錠組織及其巨觀缺陷全靜鋼（Killed steel），半靜鋼 （Semi-killed steel），未淨鋼（rimmed steel）。表1-1 鐵碳合金的特性點符號溫度（）含碳量（）說 明A15380純鐵之熔點B14950.53包晶反應時液態合金的成分C11484.30共晶點D12276.69雪明碳體的熔點E11482.11雪明碳體的成分G9120純鐵之A3變態點（ - Fe - Fe）H14950.09碳在 - Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點K7276.69雪明碳體的成份M7700純鐵的磁性變態點N13940-Fe -Fe的變態溫度P7270.0218碳在 - Fe中的最大溶解度S7270.77共析點0.77（S）0.02（P）Fe3C6.67（K）Q6000.006600時碳在 - Fe中的最大溶解度表1-2 鐵碳合金的特性線變態線說 明AB固溶體之液相線AH固溶體之固相線HJB包晶線，溫度1495NHA4變態之冷卻開始溫度曲線NJA4變態之冷卻終了溫度曲線BC固溶體之液相線JE固溶體之固相線CDFe3C之初晶線ECF固溶體與Fe3C之共晶線ES固溶體中Fe3C之溶解度曲線，稱為Acm線GSA3變態之開始溫度曲線GPA3變態之終了溫度曲線PSK固溶體與Fe3C之共析線，溫度727，稱為A1變態線PQ固溶體中Fe3C之溶解度曲線MO肥粒體的磁性轉變線，230虛線為Fe3C的磁性轉變線表1-3 鐵碳合金的特性相區單相區 相區說 明ABCD液相區（L）AHNA固溶體區（）NJESGN沃斯田體區（或A）GPQG肥粒體區（或F）DFKL雪明碳體（Fe3C或Cm）兩相區L+；L+；L+Fe3C；+；+；+Fe3C；+Fe3C三相區HJB包晶反應線；ECF共晶反應線；PSK共析反應線五、典型鐵碳合金分析 六、含碳量與鐵碳合金的組織、性能間的關係（一）含碳量與平衡組織間的關係（二）含碳量與機械性能間的關係 1.含碳量與組織百分率對強度、硬度間的關係1.含碳量與組織百分率對延性、韌性間的關係七、Fe-Fe3C及Fe-G相圖的應用（一） 在選材方面的應用（二） 在制定熱加工製程方面的應用1. 鑄造方面的應用2. 鍛造方面的應用3. 焊接方面的應用4. 熱處理方面的應用（三）在實際生產應用上，使用Fe-Fe3C相圖時還應注意以下兩點： 1. 實際使用之合金，並非