2.3二元相图的典型应用 铁碳合金相图.ppt

2 3二元相图的典型应用 铁碳合金相图 TypicalApplicationsoftheBinaryPhaseDiagram TheIron carbonEquilibriumDiagram 2 3二元相图的典型应用 铁碳合金相图 2 3 1铁碳相图中的组元与基本相 Componentsandfundamentalphasesoftheiron carbonphasediagram 2 3 2铁碳合金相图分析 Interpretationoftheiron carbonphasediagram 2 3 3铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织 Interpretationofequilibriumcrystallizationoftheiron carbonalloysanditsmicrostructures 2 3 4 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响 Influenceofcarboncontentsonequilibriummicrostructuresandpropertiesofiron carbonalloys 2 3 5铁碳合金相图的局限性 Thelimitationoftheiron carbonalloydiagram 2 3 1铁碳相图中的组元与基本相 Componentsandfundamentalphasesoftheiron carbonphasediagram 1 纯铁 1 纯铁铁的原子序数为26 原子半径1 27nm 熔点1538 密度7 87g cm3 属于过渡族金属元素 铁的一个重要特性是具有同素异构转变 如图1 16所示 含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁 室温下为 Fe 具有BCC结构 一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为 b 180 230MPa 0 2 100 170MPa 30 50 70 80 aK 1 6 2 0 J m2 硬度值为50 80HBW 可见钝铁的塑 韧性虽然很好 但强度 硬度很低 所以很少用它制造机械零件 2 铁素体 F或 与奥氏体 A或 不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体 铁素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相 这两个相都是碳在铁中的间隙固溶体 但它们也有一系列不同之处 晶体结构碳原子溶入 Fe中所形成间隙固溶体称为A 而碳原子溶入 Fe中所形成间隙固溶体 则称为F F为BCC晶格 A为FCC晶格 溶碳能力从铁碳相图可知 F的溶碳能力比A要小得多 A最大溶碳量为2 11 于1148 时 而F的最大溶碳量仅为0 0218 于727 时 室温下F的溶碳量就更低了 一般在0 0008 以下 组织形态单相F与A都呈多边形的等轴晶粒 力学性能F A力学性能相近 都是塑韧相 其中F的力学性能如下 b 176 274MPa S 98 166MPa 30 50 70 80 aK 1 5 2 0MJ m2 布氏硬度值为50 80HBW 2 渗碳体 常用符号Fe3C或Cm表示 在铁碳相图中 碳一般以Cm形式存在 Cm是钢铁合金中一基本相 它的存在状态 数量及分布 对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用 1 晶体结构Cm是具有复杂晶格的间隙化合物 每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子 即Fe C 3 1 所以Cm的碳含量为6 69 其熔点1227 2 组织形态Cm在钢中具有多种多样的组织形态 这些形态主要与形成条件有关 凡是从液相中结晶出来的一次渗碳体 图2 19中 一般呈粗大片状 凡是从A或F中析出的二次渗碳体 图2 19中 或三次渗碳体 图2 19中 一般呈网状分布 共析体 珠光体 中的Cm 图2 19中 一般呈薄片状 而共晶体 莱氏体 中的Cm作基体 图2 19中 等 这五种渗碳体的特征如表2 1所示 3 力学性能Cm具有硬而脆的特性 其硬度值很高 约800HBW 而塑性很差 0 Cm的热力学稳定性不高 在高温 长时间加热条件下 Cm将发生分解 形成石墨 Fe3C Fe C 石墨 可见 Cm是亚稳定相 因此 铁碳相图具有双重性 表2 1铁碳合金中的物种渗碳体特征 2 3 2铁碳合金相图分析 Interpretationoftheiron carbonphasediagram 1 三相平衡转变 三个基本反应 包晶反应其反应式为 包晶反应的产物为奥氏体 图2 19中 凡W C 0 09 0 53 范围内的合金都要进行此反应 反应后获得奥氏体组织 由于工业生产中 包晶反应往往进行不完全 故常将其简化 共析反应其反应式为 共析反应产物为珠光体 P 其组织形态如图2 22及图2 19中 所示 P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物 具有较高强度 一定塑韧性和硬度 b 770MPa 硬度180HBW 20 35 AK 30 40J 共析反应温度是水平线PSK 727 故称为共析线或共析转变温度 常用符号A1表示 因此 凡碳含量大于0 0218 的铁碳合金都将进行共析反应 共晶反应其反应式为 共晶反应产物莱氏体 Ld 共晶转变温度即相图上水平线ECF 称为共晶温度或共晶线 因此 碳含量在2 11 6 69 范围内的铁碳合金都要进行共晶反应 应指出 在冷却过程中当温度降至727 时 Ld中的A也要进行共析反应形成P 因此 把共析线以上温度存在的 A Fe3C 的机械混合物 称为高温莱氏体 Ld 而把共析线以下温度存在的 P Fe3C Fe3 的机械混合物 称为低温莱氏体 用符号L d表示 其组织形态如图2 21以及图2 19中 所示 L d的组织特征为呈点状或短条状P分布在白色Fe3C基体上 因此其性能特点与渗碳体相近 即高硬度而塑性差 硬而脆 2 3 2铁碳合金相图分析 Interpretationoftheiron carbonphasediagram 图2 20共析碳钢室温P显微组织图2 21共晶白口铸铁Ld 显微组织 2 相图中的特性点 特性线及相区等 铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义 如表2 2所示 相图中包括5个单相区 7个双相区及3个三相区 对经简化的Fe Fe3C相图而言 包括4个单相区 5个双相区及2个三相区 图2 17 图2 18即为以相组分 即组成相或相组成物 形式表示的Fe Fe3C合金相图 表2 2铁碳合金相图中的特性点和特性线 3 铁碳合金的分类 钢和铸铁都是铁碳合金 它们可按C质量分数的多少来划分 也可按是否发生共晶反应来区分 C质量分数 2 11 或不发生共晶反应的铁碳合金称为钢 或碳钢 而C的质量分数 2 11 或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁 由于此类铸铁的共晶体中C以Fe3C形式存在 其断口一般呈白亮色 故又称为白口铸铁 根据成分不同 铁碳合金可分为3大类7种 如表2 3所示 表2 3铁碳合金的分类 2 3 3铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织 Interpretationofequilibriumcrystallizationoftheiron carbonalloysanditsmicrostructures 1 共析钢 w C 0 77 C 图2 22中 为共析钢的冷却曲线 成分为0 77 C的合金自液态 L相 缓冷至1点以下 通过匀晶反应 L A 形成A 至2点时L相结晶完毕 在2 3点间合金无组织类型变化 仍为单相A组织 至3点时A发生共析反应 得到的转变产物称为P组织 从3 点继续冷却至4点 P皆不发生转变 因此共析钢室温平衡组织全部为P 其结晶过程中的基本反应为 匀晶反应 共晶反应 图2 22利用冷却曲线描述典型铁碳合金的平衡结晶过程 其室温下组织组分为100 P 而P中相组分 组成相 为F和Fe3C 其相组分的相对质量分数为 F 6 69 0 77 6 69 100 88 Fe3C 0 77 6 69 100 1 WF 12 2 亚共析钢 0 0218 w C 0 77 下面以0 6 C钢为例 其冷却曲线如图2 22中 示 该合金冷却时 从1点起自L中结晶出A 在1 2点间发生匀晶反应 L A 至2点获得全部A组织 在2 3点 随温度下降 仅为A的简单冷却 从3点起 冷却时由A中析出F F在A晶界处优先形核并长大 而A和F的成分分别沿GS和GP线变化 至4点时 A的w C 0 77 F的w C 0 0218 此时A发生共析反应 即 转变产物为P 而F不变化 从4 点继续冷却至5点 合金组织不发生变化 因 中析出Fe3C 一般忽略不计 因此室温平衡组织为F P 亚共析钢室温下显微组织如图2 19中 所示 其中黑色部分为P 由于放大倍数较低而使F Fe3C层片分辨不清 白色块状组织为先共析F 亚共析钢平衡结晶过程的基本反应 匀晶反应 固溶体转变反应 共析反应 任一成分亚共析钢室温平衡组织均由F P组成 但随钢碳含量增加 钢中P量增多 F量减少 45钢的金相显微组织 3 过共析钢 0 77 w C 2 11 以1 2 C的铁碳合金为例 其冷却曲线如图2 22中 所示 合金冷却时 从1点开始发生匀晶反应 自L中结晶出A L A 至2点全部结晶完毕 得到单一A 在2 3点间随温度下降 仅为A的简单冷却 从3点起 继续冷却将由A中析出Fe3C A Fe3C 在温度3 4点间 随温度下降 Fe3C 量不断增多 A量不断减少且其成分沿ES线变化 至4点温度 727 剩余A的碳含量达S点 0 77 C 这就具备了发生共析反应的条件 通过共析反应 剩余A全部转变为P 此时共析反应前从A中析出的Fe3C 保持不变 共析反应刚结束时合金由P Fe3C 组成 继续冷却合金组织不再发生变化 故过共析钢室温平衡组织为P Fe3C 过共析钢室温下的显微组织特征为 Fe3C 呈网状分布在层片状P周围 如图2 19中的 所示 其平衡结晶过程的基本反应为 匀晶反应 二次析出反应 共析反应 任一成分的过共析钢室温平衡组织均由P Fe3C 组成 但随钢中碳含量的增加 组织中Fe3C 量增多 P量则减少 当w C 2 11 时 Fe3C 量达最大值 其相对质量分数为 Fe3C 2 11 0 77 6 69 0 77 100 22 6 表2 4钢中组织组分与相组分的计算 利用杠杆定律计算室温下钢中组织组分与相组分的相对质量分数 归纳如表2 4所示 表2 4钢中组织组分与相组分的计算 4 共晶白口铸铁 w C 4 3 图2 22中 所示系共晶白口铁的冷却曲线示意图 4 3 C合金熔液冷却至温度1点 1148 时 发生共晶反应 形成莱氏体 Ld 组织 在1 2点间 Ld中的A不断析出Fe3C 析出的Fe3C 与共晶Fe3C连在一起 在显微镜下无法分辨 但此时的Ld由A Fe3C Fe3C组成 由于Fe3C 的析出 使冷至2点时A的碳含量降至0 77 并发生共析反应 转变为P 高温莱氏体 Ld 转变成低温L d P Fe3C Fe3C 从2 3点组织不变化 所以室温平衡组织仍为L d 共晶白口铸铁室温下的显微组织如图2 19中 及图2 21所示 其组织特征可概括为 呈黑色条状或粒状P分布在白色Fe3C基体上 由此 共晶白口铁结晶过程的基本反应为 共晶反应 二次析出反应 共析反应 5 亚共晶白口铸铁 2 11 W C 4 3 图2 22中 所示系亚共晶合金的冷却曲线 合金自1点起 发生匀晶反应 从L中结晶出初晶A 至2点时L相成分变为含4 3 C 此时A的成分亦变为2 11 C 发生共晶反应 LC相转变为Ld而A不参与反应 此时合金组织为AE Ld 在2 3点间继续冷却时 初晶Ae E点成分 不断在其外围或晶界上析出Fe3C 同时Ld中的A也析出Fe3C 至3点温度时所有A成分均变为0 77 C 初晶A发生共析反应 ASFP Fe3C 转变为P组织 高温莱氏体Ld也转变为低温莱氏体L d 此时合金的组织为P Fe3C L d 在3 4点 只是简单冷却而合金组织不再变化 因此 该合金室温组织为P Fe3C L d 其室温下的显微组织特征为呈白色网状Fe3C 分布在粗大黑色块状P 从整体看呈树枝状 的周围 L d则由细密黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成 图2 19中的 所示 亚共晶白口铸铁结晶过程的基本反应为 匀晶反应 共晶反应 二次析出反应 共析反应 6 过共晶白口铸铁 4 3 w C 6 69 图2 22中 所示系过共晶合金的冷却曲线 合金从1点起 由L中首先结晶出初晶一次渗碳体 Fe3C 即发生匀晶反应 在1 2点温度区间 随着先共晶渗碳体的结晶 剩余液相成分沿着DC线变化 当温度降至2点温度时 L相成分达到4 3 C 此时发生共晶反应 形成莱氏体Ld组织 在2 3点间 Ld中的A不断析出Fe3C 并在3点发生共析反应 ASFP Fe3C 生成P 此时高温莱氏体Ld转变为低温莱氏体L d 但Fe3C 始终不变 从3 冷至4点无组织变化 所以该合金的室温平衡组织为Fe3C L d 其室温下的组织特征为 呈粗大白色长条状Fe3C 分布在L d基体上 图2 19中的 其平衡结晶过程中的基本反应为 匀晶反应 共晶反应 二次析出反应 共析反应 根据以上对各类铁碳合金平衡结晶过程的分析可知 各类合金按照组织组分形式填写的Fe Fe3C相图如图2 19所示 例题2 2 某退火状态的碳钢试样在显微镜下观察 其组织为珠光体 P 和铁素体 F 各占50 试求该钢的碳含量 并判断其钢号 i 分析 在金相显微镜下观察到的面积组织百分比 即为其体积百分比 由于其密度相同 那么P和F这两种组织的质量分数也应各占50 由此可确定该钢在铁碳相图中的大致位置 应为亚共析钢 现设该钢的碳含量为x 在成分轴上应选在碳含量为0 0218 0 77 之间 如图2 18中 成分垂线所示 故应用杠杆定律很容易求出该钢的碳含量x 还需说明的是杠杆定律仅适用于两相区 利用杠杆定律计算组织组分的相对质量分数是杠杆定律的近似应用 因此须找出与组织组分相对应的两相区才能应用杠杆定律 从图2 19可知 与P F组织相对应的两相区在室温下找不到 只有顺着合金成分垂线找到F A两相区 在这个两相区 A与P相对应 因A在随后的共析转变 全部转变为P 此时杠杆的总长度为PS水平线 x 为杠杆的支点位置 例题2 2 某退火状态的碳钢试样在显微镜下观察 其组织为珠光体 P 和铁素体 F 各占50 试求该钢的碳含量 并判断其钢号 ii 解答 应用杠杆定律可近似求该钢在室温下其珠光体 P 的相对质量分数 W P Px PS x 0 02 0 77 0 02 50 x 0 395 故该钢的碳含量为0 395 此成分与40钢相符 故可判断该钢为40钢 iii 归纳 本题旨在检查对杠杆定律应用的熟练程度 杠杆定律仅适用于两相区 用来计算两相组分的相对质量分数 那么 如何计算钢的组织组分的相对质量分数呢 仍然可应用杠杆定律 但注意必须找出与该组织组分相对应的两相区才能近似应用 对于亚共析钢而言 只能在GSP两相区中应用杠杆定律近似计算该钢组织组分的相对质量分数 iv 请思考 如何计算过共析钢室温下的组织组分的相对质量分数呢 2 3 4 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能影响 Influenceofcarboncontentsonequilibriummicrostructuresandpropertiesofiron carbonalloys 1 碳含量对平衡组织和力学性能的影响 图2 23碳含量对铁碳合金平衡组织和力学性能影响 随C质量分数的增加 铁碳合金的相组分和组织组分发生了如图2 23所示的变化 所有铁碳合金在室温下组织皆由F Fe3C两平衡相组成 随C质量分数增加 F量逐渐减少 由100 按直线关系变为0 Fe3C量逐渐增多 由0 按直线关系增至100 两平衡相的相对质量分数可由杠杆定律确定 由图进一步看出 不仅F和Fe3C两平衡相的相对量发生了变化 且两相相互组合形态即合金组织也在发生变化 随C质量分数增加 铁碳合金组织按下列顺序变化 F Fe3C P Fe3C L d L d L d Fe3C Fe3C 各个区间组织组分的相对量同样可用杠杆定律近似求出 碳含量的变化所引起的合金组织的变化必将对合金的性能产生重大影响 2 3 4 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能影响 Influenceofcarboncontentsonequilibriummicrostructuresandpropertiesofiron carbonalloys 1 碳含量对平衡组织和力学性能的影响 图2 23碳含量对合金组织和力学性能影响 工业纯铁系单相F 故塑 韧性好 硬强度很低 Cm是一强化相 随其数量增多 合金强度 硬度增高 塑韧性相应降低 同时Cm又是一脆性相 其形态和分布状况对合金性能也产生很大影响 当P内的Cm以片状与F构成机械混合物时 合金综合力学性能较高 亚共析钢力学性能与碳含量关系几乎呈直线变化 由于随碳含量增加 F量减少而P量增加 故塑韧性降低 而硬度 强度增加 当碳含量0 77 时 全部P组织 其强度较高且具一定塑性 在过共析钢中 随C质量分数增加 Fe3C 数量增加且呈断续网状分布 仍使合金强度硬度增加 但当碳含量达1 0 时 Fe3C 呈连续网状分布时 虽不影响合金硬度 确使合金强度和韧性急剧下降 因Fe3C 呈连续网状包围P 犹如包着一层脆性外壳 致使合金强度 韧性急剧下降 对白口铸铁而言 由于共晶Cm作为Ld基体而使含有Ld合金的强度 塑性 韧度等性能变得极差 这也是其脆性极大 工业上很少应用根本原因 2 碳含量对工艺性能的影响 1 切削加工性低碳钢 w C 0 25 中含有大量F 硬度低 塑韧性好 切削时产生的切削热大 易粘刀 且切屑不易折断 影响工件表面粗糙