金属的同素异晶转变

金属的同素异晶转变§2-3铁碳合金的结构及相图由铁和碳为主要元素组成的合金称为铁碳合金，钢铁材料就是铁碳合金，它是工业上应用最广的金属材料。了解铁碳合金的结构及其相图，掌握其性能变化规律，为我们正确合理的使用钢铁材料，制定各种加工工艺提供了重要的理论依据。一、纯铁的同素异晶转变钢铁材料之所以应用的非常广泛，其中最主要的原因是由于组成钢铁材料的主要元素铁在不同的固态温度下其晶体结构会发生改变。纯铁的冷却曲线如图2-25所示。从曲线上可以看到：1538℃1394℃912℃（液态）Fe←———→δ-Fe←————→γ-Fe←————→α-Fe。结晶晶格类型转变晶格类型转变我们把这种金属在固体下，随着温度的变化，晶格由一种类型转变成为另一种类型的转变过程，称为同素异构转变（同素异晶转变）。同素异晶转变是钢铁一个重要特性，是能够进行热处理来改变性能的基础。同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，是重结晶过程，有一定的转变温度，转变时需要过冷，有潜热产生，而且转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。二、铁碳合金的基本相在铁碳合金中，因铁和碳在固态不同温度下，可以形成固溶体和金属化合物，其基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体。1、铁素体铁素体：α-Fe中溶入一种或几种溶质原子构成的间隙固溶体，用符号F表示。铁素体仍然保持α-Fe的体心立方晶格。由于体心立方晶格的间隙很小，溶碳能力很低，在600℃时溶碳量仅为Wc=0.006%，随着温度升高，溶碳量逐渐增加，在727℃时，溶碳量Wc=0.0218%。因此，铁素体室温时的性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性和韧性好。铁素体的显微组织呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折如图2-26所示。2、奥氏体奥氏体：γ-Fe中溶入碳和（或）其他元素形成的间隙固溶体，用符号A表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格的间隙较大，因此溶碳能力也较大，在727℃时溶碳量Wc=0.77%，随着温度的升高溶碳量逐渐增多，到1148℃时，溶碳量可达Wc=2.11%。奥氏体塑性韧性好，强度和硬度较低，因此，生产中常将工件加热到A状态进行锻造。奥氏体的显微组织与铁素体的显微组织相似，呈多边形，但晶界较铁素体平直、如图2-27所示。3、渗碳体渗碳体是铁和碳相互作用，形成的具有复杂晶格的间隙化合物，用分子式Fe3C表示。渗碳体的Wc=6.69%，熔点为1227℃，硬度很高（约1000HV），塑性、韧性几乎为零，极脆。渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形式与其它相共存，如能合理利用，渗碳体是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大的影响，另外，在一定条件下它会发生分解，形成石墨状的自由碳。除了上述基本相外，铁碳合金中还有由基本相铁素体与渗碳体（F+Fe3C）组成的复相组织珠光体（P）和渗碳体与奥氏体（A+Fe3C）组成的高温莱氏体（Ld）及渗碳体与珠光体（Fe3C+P）组成的低温莱氏体（Ld/）。三、铁碳合金相图1、Fe—Fe3C相图的建立铁碳合金相图是指在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度所处状态或组织的图形。图2-28简化后的Fe—Fe3C相图度所处状态或组织的图形铁和碳可形成一系列稳定化合物（Fe3C、Fe2C、FeC），由于Wc＞6.69%时的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，而且Fe3C又是一个稳定的化合物，可以作为一个独立的组元，因此我们所研究的铁碳合金相图实际上是Fe—Fe3C相图。如图2-28所示。为便于分析和研究，图中左上角部分已简化。Fe—Fe3C是二元合金相图，它的建立和我们前面讲的二元合金相图的建立过程是一样的。2、相图中的特性点、线的意义及相区相的组成（1）Fe—Fe3C相图的特性点（2）Fe—Fe3C相图的特性线ACD线、AECFD线、ECF线、PSK线（A1）、GS线（A3线）、SE线（Acm线）、PQ线共晶转变：Lc(AE+Fe3C)Ld1148℃表2-1简化的Fe-Fe3C相图的特性点特性点t/℃c(%)含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，Lc?(AE+Fe3C)D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度G9120纯铁的同素异晶转变点α-Fe?γ-FeP7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点，As?(Fe3C+F)PQ6000.006碳在α-Fe中的溶解度共析转变：As(F+Fe3C)P727℃（3）Fe—Fe3C相图的主要相区的相的组成见表2-2。3、典型合金的结晶过程及其组织（1）铁碳合金的分类根据铁碳合金中碳的质量分数和组织的不同，将铁碳合金分为：①工业纯铁：Wc≤0.0218%，室温组织：铁素体和三次渗碳体②碳钢：0.0218%Wc≤2.11%。根据室温组织不同，又可以分为●亚共析钢：0.0218%Wc0.77%，室温组织：铁素体和珠光体；●共析钢：Wc=0.77%，室温组织：珠光体；●过共析钢：0.77%Wc≤2.11%，室温组织：珠光体和二次渗碳体③白口铸铁：2.11%Wc≤6.69%。根据室温组织不同，又可以分为●亚共晶白口铸铁：2.11%Wc4.3%，室温组织：珠光体、低温莱氏体和二次渗碳体●共晶白口铸铁：Wc=4.3%，室温组织：低温莱氏体●过共晶白口铸铁：4.3%Wc≤6.69%，室温组织：渗碳体和低温莱氏体思考题：1．何谓金属的同素异晶转变？有何实际意义？试以纯铁为例说明金属的同素异晶转变。2．默画简化的Fe－Fe3C相图，说明图中特性点、线的含义，填写各区域的相和组织组成物。本文来自机械工程师家园：