铁碳合金相图

1、铁碳合金的结晶一.铁碳相图                                 提示：重点内容    铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。  &#

2、160; 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。       Fe-Fe3C相图                Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳含量及含义符号温度, 碳含量(C)%含义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484

3、.30      共晶点 Lc    AE+Fe3CD12276.69Fe3C的熔点E11482.11碳在 -Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120  -Fe -Fe同素异构转变点(A3)H14950.09碳在 -Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点LB+ H   AJK7276.69Fe3C的成分N13940  -Fe  -Fe同素异构转变点(A4)P7270.0218碳在 -Fe中的最大溶解度S7270.77共析点(A1)

4、As FP+Fe3CQ6000.0057600时碳在 -Fe中的溶解度 (室温)(0.0008) 1. 铁碳合金的组元   (1) Fe  铁是过渡族元素, 熔点或凝固点为1538, 相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394及912时, 先后发生两次同素异构转变。（见2-1-2）？纯铁是如何结晶的    工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。主要机械性能如下：    抗拉强度极限b    &#

5、160;  180MPa230MPa    抗拉屈服极限0.2      100MPa170MPa     延伸率                30%50%     断面收缩率         &#

6、160;    70%80%    冲击韧性 ak              1.6×106J/m22×106 J/m2硬度                     50

7、HB80HB (2) Fe3C   Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 通常称为渗碳体, 用Cm表示。   渗碳体的机械性能特点是硬而脆, 大致性能如下：抗拉强度极限b延伸率   断面收缩率   冲击韧性  ak   硬度30MPa000800 HB2. 铁碳合金中的相    Fe-Fe3C相图中存在五种相。    液相L 液相L是铁与碳的液

8、溶体。    相相又称高温铁素体, 是碳在 -Fe中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格, 在1394以上存在, 在1495时溶碳量最大, 为0.09%。    相 相也称铁素体, 用符号 F或 表示, 是碳在 -Fe 中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%, 600时为 0.0057%, 在727时溶碳量最大, 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性能与工业纯铁大致相同。     相 

9、 相常称奥氏体, 用符号 A或 表示, 是碳在 -Fe中的间隙固溶体, 呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大, 在1148时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。Fe3C相  Fe3C相是一个化合物相, 其晶体结构和性能已于前述, 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。3. 相图中重要的点和线  重要的点:    J为包晶点。合金在平衡结晶过程中冷却到1495时, B点成分的L与H点成分的 发生包晶反应, 生成J点成分的A。  &#

10、160; C点为共晶点。合金在平衡结晶过程中冷却到1148时, C点成分的L发生共晶反应, 生成E点成分的A和Fe3C。共晶反应在恒温下进 行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。     共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。     莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A(室温时转变成珠光体)分布在渗碳体基体上。    S点为共析点。合金在平衡结晶过程中冷却到727时, S点成分的A发生共析反

11、应, 生成P点成分的F和Fe3C。共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe3C三相共存。    共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。    珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠光体的形态呈层片状。在放大倍数很高时, 可清楚看到相间分布的渗碳体片(窄条)与铁素体片(宽条)。     珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间, 其机械性能如下：  抗拉强度极限b 冲击韧性ak延伸率硬度 77

12、0MPa3×105 J/m2 4×105J/m2 20%35%180HBFe-Fe3C相图中重要的线:   水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。    水平线ECF为共晶反应线。碳含量在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。碳含量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。  &

13、#160; 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%, 因此碳含量大于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。    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%, 因此碳含量大于0.0008%的铁

14、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.典型铁碳合金的平衡结晶过程     根据Fe-Fe3C相图, 铁碳合金可分为三类：    (1)工业纯铁(C)0.0218%     (2)钢0.0218%<(C)2.11%     亚共析钢 0.0218%<(C)&l

15、t;0.77%                                   共析钢(C) = 0.77%            &#

16、160;                      过共析钢 0.77%<(C)2.11%    (3)白口铸铁2.11%<(C)<6.69% 亚共晶白口铸铁 2.11%<(C)<4.3%            

17、;                       共晶白口铸铁(C) = 4.3%                         

18、          过共晶白口铸铁 4.3%<(C)<6.69%     几种碳钢的钢号和碳含量类型 亚共析钢 共析钢 过共析钢 钢号 20    45    60T8T10    T12碳质量分数/%0.20  0.45  0.600.801.00    1.20(6)(4)(7)(5)(3)(2)(1)

19、典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置下面分别对图中七种典型铁碳合金的结晶过程进行分析    1. 工业纯铁(C0.0218%)    以碳质量分数为0.01%的铁碳合金为例, 其平衡结晶过程为：    合金在1点以上为液相L。冷却至稍低于1点时, 开始从L中结晶出 , 至2点合金全部结晶为 。    从3点起, 逐渐转变为A, 至4点全部转变完了。   4-5点间A冷却不变, 自5点始, 从A中析出 F。 F在A

20、晶界处生核并长大, 至6点时A全部转变为 F。    在6-7点间F冷却不变。    在7-8点间, 从F晶界析出Fe3CIII。因此合金的室温平衡组织为F+ Fe3CIII。F呈白色块状; Fe3CIII量极少, 呈小白片状分布于F晶界处。若忽略Fe3CIII, 则组织全为F。2. 共析钢(C=0.77%)                   

21、  提示：重点内容       碳质量分数为0.77%的钢为共析钢, 其平衡结晶过程为：    合金冷却时, 于1点起从L中晶出A, 至2点全部结晶完了。    在2-3点间A冷却不变。    至3点时, A发生共析反应生成P。从3¢继续冷却至4点, P不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P。P呈层片状。   共析钢的室温组织    共析钢的

22、室温组织组成物全部是P, 而组成相为F和Fe3C, 它们的质量分数为：          3. 亚共析钢(0.0218%<C<0.77%)    以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例, 平衡结晶过程：    合金冷却时, 从1点起自L中结晶出 , 至2点时, L成分变为0.53%C, 变为0.09%C, 发生包晶反应生成 A0.17 。反应结束后尚有多余的 L。   2点以下, 自 L中不断结晶

23、出 , 至3点合金全部转变为 A。    在3-4 点间A冷却不变, 从4点起, 冷却时由A中析出F, F在A晶界处优先生核并长大, 而A和F的成分分别沿GS和GP线变化。    至5 时, A的成分变为0.77%C,F的成分变为0.0218%C。此时A发生共析反应, 转变为P, F不变化。    从5¢继续冷却至6点, 合金组织不发生变化, 因此室温平衡组织为F+P。F呈白色块状; P呈层片状, 放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于0.6%的亚共析钢, 室温平衡组织中的F常呈白色网状, 包围在

24、P周围。    含0.4%C的亚共析钢的组织组成物为F和P, 它们的质量分数为：                 钢的组成相为F和Fe3C, 它们的质量分数为：                 亚共析钢的碳质量分数可由其室温平衡组织来估算。若将F中的碳含量忽略不计, 则钢中的碳含量全部在P

25、中, 因此由钢中P的质量分数可求出钢的碳质量分数：C%=P%×0.77% 式中, C%表示钢的碳质量分数, P%表示钢中P的质量分数。由于P和F的密度相近, 钢中P和F的质量分数可以近似用P和F的面积百分数来估算。  4. 过共析钢(0.77%<C2.11%)       以碳质量分数为1.2%的铁碳合金为例, 其平衡结晶过程为：    合金冷却时, 从1点起自L中结晶出A, 至2点全部结晶完了。在2-3点间A冷却不变, 从3点起, 由A中析出Fe3CII, Fe3CI

26、I呈网状分布在A晶界上。至4点时A的碳含量降为0.77%, 4-4¢发生共析反应转变为P, 而Fe3CII不变化。在4¢-5点间冷却时组织不发生转变。因此室温平衡组织为Fe3CII+P。在显微镜下,  Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。      含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe3C；组织组成物为Fe3CII和P, 它们的质量分数为: 5. 共晶白口铸铁(C=4.3%)    合金在1点发生共晶反应, 由L转变为(高温)莱氏体Le即(A+Fe3C)。1-2点间,

27、Le中的A不断析出Fe3CII。Fe3CII与共晶Fe3C相连, 在显微镜下无法分辨, 但此时的莱氏体由A+ Fe3CII+ Fe3C组成。由于Fe3CII的析出, 至2点时A的碳含量降为0.77%, 并发生共析反应转变为P; 高温莱氏体Le转变成低温莱氏体Le¢(P+ Fe3CII+ Fe3C)。从2¢至3点组织不变化。所以室温平衡组织仍为Le¢, 由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成。    共晶白口铸铁的组织组成物全长为Le¢, 而组成相还是F和Fe3C。   共晶白口铸铁室温平衡组织130&#

28、215;        6. 亚共晶白口铸铁(2.11%<C<4.3%)    以碳含量为3%的铁碳合金为例。    合金自1点起, 从L中结晶出初生A, 至2点时L的成分变为含4.3%C(A的成分变为含2.11%C), 发生共晶反应转变为Le, 而A不参与反应, 在2-3点间继续冷却时, 初生A不断在其晶界上析出Fe3CII,同时Le中的A也析出Fe3CII。至3点温度时, 所有A的成分均变为0.77%C, 初生A发生共析

29、反应转变为P; 高温莱氏体Le也转变为低温莱氏体Le。在3¢点以下到4点, 冷却不引起转变。因此室温平衡组织为P+ Fe3CII+Le¢。网状Fe3CII分布在粗大块状P的周围, Le¢则由条状或粒状P和Fe3C基体组成。亚共晶白口铸铁的组成相为F和Fe3C; 组织组成物为P 、Fe3CII和Le¢。           亚共晶白口铸铁室温平衡组织130×   过共晶白口铸铁室温平衡组织130× 7. 过共晶白口铸铁(4.3%<C<6

30、.69%)过共晶白口铸铁的室温平衡组织为Fe3CI+Le¢。Fe3CI呈长条状, Le由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成。根据以上对铁碳合金结晶过程的分析将组织标注在铁碳相图中:    标注组织的Fe-Fe3C相图 三.铁碳合金的成分组织性能关系         按照铁碳相图, 铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成, 两相的质量分数由杠杆定律确定。随碳含量的增加, F的量逐渐变少, 由100%按直线关系变至0%(含6.69%C时); Fe3C的量则逐

31、渐增多, 由0%按直线关系变至100%。     在室温下, 碳含量不同时, 不仅F和Fe3C的相对重量变化, 而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化。随碳含量增大, 组织按下列顺序变化：          F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Le'、Le'、Le'+Fe3CI、Fe3C各个区间的组织组成物的质量分数用杠杆定律求出,。碳质量分数小于0.0218%的合金的组织全部为F; 0.77%C时全部为P; 4.3%C时全部为Le

32、; 6.69%C时全部为Fe3C。在上述碳含量之间, 则为相应组织组成物的混合物。     铁碳合金的成分一组织一性能的对应关系 相图的形状与合金的性能之间存在一定的对应关系。    硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度约80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB。    强度是一个对组织形态很敏感的性能。随碳含量的增加, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高,

33、其大小与细密程度有关。组织越细密, 则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。但当碳质量分数超过共析成分之后, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20MPa30MPa)。    塑性铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变形

34、全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就降到近于零值了。    亚共析钢的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下的估算：     硬度80×（F）+180×（P）  (HB)        或硬度80×（F）+800×（Fe3C）  (HB)        强度( b)230×

35、;（F）+770×（P）  (MPa)       延伸率( )50×（F）+20×（P）  (%) 式中的数字相应为F、P或Fe3C的大概硬度、强度和延伸率; 符号相应表示组织中F、P或Fe3C的质量分数。   实验二 铁碳合金平衡组织观察和分析 一.实验目的 1通过观察和分析，熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织。 2了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征。二.实验内容 1  观察表中所列金相样品的显微组织，研究每一个样品的组织特

36、征，并联系铁碳相图分析其组织形成过程。编号材料工艺浸蚀剂1 工业纯铁退火4硝酸酒精溶液2 亚共析钢（45钢）退火4硝酸酒精溶液3 共析钢（T8钢）退火4硝酸酒精溶液4 过共析钢（T12钢）退火4硝酸酒精溶液5 亚共晶白口铸铁铸造4硝酸酒精溶液6 共晶白口铸铁铸造4硝酸酒精溶液7 过共晶白口铸铁铸造4硝酸酒精溶液  三.实验报告要求2  1.画出所观察样品的显微组织示意图。用箭头和代表符号标明各组织组成物，并注明样品的碳含量、浸蚀剂和放大倍数。3  2.根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳含金的组织和性能影响的大致规律。四.思考题渗碳体有哪几种？它们的形态有什么差别？四. Fe- Fe3C相图的应用