铁碳合金相图详解

铁碳合金Iron-carbonAlloy5.2铁碳合金相图分析5.2铁碳合金相图分析一、概述铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。由于含碳量高于6.67％的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而对铁碳合金相图只研究Fe-Fe3C部分。图5-9所示为Fe-Fe3C相图。相图中各主要点的涵义、温度及含碳量见表5-3所示。5.2铁碳合金相图分析一、概述5.2铁碳合金相图分析一、概述相图中各主要点的涵义：ABCD为液相线，而AHJECF则为固相线。相图上的三条平行线(HJB、ECF、PCK)是指三个恒温反应：(1)在1493℃(HJB水平线)发生包晶反应，其反应式为LB+δHAJ包晶反应的结果形成了奥氏体。此反应仅可能在含碳量为O.10～0.50％的铁碳合金中发生。5.2铁碳合金相图分析一、概述相图中各主要点的涵义：相图上的三条平行线(HJB、ECF、PCK)是指三个恒温反应：(2)在1147℃(ECF水平线)发生共晶反应，其反应式为LcFP+Fe3C。共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称此共晶混合物为莱氏体，用字母Ld表示；冷至室温时成为变态莱氏体，用L′d表示。此反应发生于所有含碳量2.06％6.67％的铁碳合金范围内。5.2铁碳合金相图分析一、概述相图中各主要点的涵义：相图上的三条平行线(HJB、ECF、PCK)是指三个恒温反应：(3)在723℃(PSK水平线)发生共析反应，其反应式为AsFP+Fe3C。共析反应的结果形成了铁素体与渗碳体的共析混合物，称此共析混合物为珠光体(P)。所有含碳量超过0.02％的铁碳合金中，即实际在工程上常用的铁碳合金中均发生珠光体(共析体)转变。5.2铁碳合金相图分析一、概述此外，值得注意的是ES和PQ线：(1)ES线——碳在奥氏体中的固溶线。从该线看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在1147℃，此时可溶解2.06％C，而在723℃时只能溶解0．80％C。故凡含碳量大于0.80％的铁碳合金自1147℃冷至723℃时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为二次渗碳体(Fe3CⅡ)，以区别于从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CⅠ)。5.2铁碳合金相图分析一、概述此外，值得注意的是ES和PQ线：(2)PQ线——碳在铁素体中的固溶线。从该线看出，碳在铁素体中的最大溶解度是在723℃，此时可溶解O.02％C，而在室温平衡状态下，仅可溶解0.0008％C，故一般铁碳合金凡是从723℃缓冷至室温时，均可能从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体(Fe3CⅢ)。因其数量极少，故一般在讨论中经常予以忽略。5.2铁碳合金相图分析一、概述所谓一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源和分布有所不同，没有本质区别，其含碳量，晶体结构和本身的性质均相同。相图中AHN线和GPQ线的左方分别为δ和α的铁素体区域；NJESG包围的范畴为奥氏体区域。5.2铁碳合金相图分析一、概述铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量和组织的不同，分成下列三类：(1)工业纯铁(C0.02％)；(2)钢(0.02～2.06％C)：亚共析钢(CO.80％)、共析钢(C=O.80％)、过共析钢(C0.80％)；(3)白口铁(2.06～6.67％C)：亚共晶白口铁(C4.3％)、晶白口铁(C=4.3％)、过共晶白口铁(C4.3％)。5.2铁碳合金相图分析一、概述下面列举6个典型的铁碳合金来讨论其结晶过程。钢和白口铁的结晶过程虽然比较复杂，但其分析方法则与前述的相同，并无新颖之处。所选择的各合金的成分如图5-10所示。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(一)共析钢(0.80％C)的结晶过程分析图中合金①为共析钢，该合金在1点以上的温度为液相(L)，缓冷至稍低于1点的温度开始从L中结晶出奥氏体(A)。缓冷至2点温度以下，L全部冷凝为A。继续缓冷至3点温度(723℃)时，A按共析反应转变成珠光体。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(一)共析钢(0.80％C)的结晶过程分析共析钢的结晶过程示意图：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(一)共析钢(0.80％C)的结晶过程分析共析钢的显微组织(珠光体)：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析含碳量在0.10～0.50％范围内的亚共析钢，在冷凝至1493℃时均发生包晶反应，反应结果形成奥氏体(A)；而含碳量大于0.50％者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接从L中结晶出A。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析含碳量在0.10～0.50％范围内的亚共析钢，在冷凝至1493℃时均发生包晶反应，反应结果形成奥氏体(A)；而含碳量大于0.50％者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接从L中结晶出A。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析合金②冷凝后得到A组织，继续冷至GS线(3点温度)时，便会发生AF的转变，同时引起母相A中碳浓度的变化。由于合金继续冷却过程中，A的含碳量沿GS线逐渐增浓而趋近于S点，即合金冷至723℃时，A的含碳量增为0.80％，故当合金冷至稍低于723℃时，其组织中剩余的A，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为F+P。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析必须指出，所有亚共析钢在缓冷后，最终的显微组织都是F+P。各种亚共析钢组织的主要差别，在于其中的F与P的相对量和F的分布情况不同。凡含碳量距S点愈近的亚共析钢，其组织中含P量愈多而F量则愈少。含碳量大于0.50％的亚共析钢组织，其中F趋向于沿P边界呈网状分布。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析0.10％C的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为F晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析0.30％C的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为F晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析0.10％C、0.30％C的亚共析钢的显微组织。白色颗粒为F晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。可见，含碳量较高的0.30％C亚共析钢显微组织中，P所占面积较大。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(三)过共折钢(0.80～2.06％C)的结晶过程分析5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(三)过共折钢(0.80～2.06％C)的结晶过程分析过共析钢(以合金③为例)冷凝后得到A组织，继续冷至ES线(3点温度)时，即将从A中沿晶界开始析出Fe3CⅡ，随着温度的降低，A的含碳量沿ES线逐渐减少，与此同时，从A中沿晶界不断析出Fe3CⅡ。合金冷却至723℃时，A的含碳量减为0.80％，故当合金冷至稍低于723℃时，其组织中剩余的A，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为P+Fe3CⅡ。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(三)过共折钢(0.80～2.06％C)的结晶过程分析过共析钢的结晶过程示意图：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(三)过共折钢(0.80～2.06％C)的结晶过程分析含1.20％C的过共析钢的结晶显微组织：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(四)共晶白口铁(4.3％)的结晶过程分析5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(四)共晶白口铁(4.3％)的结晶过程分析共晶白口铁(图中合金④)首先在1147℃时发生恒温反应形成莱氏体，莱氏体在继续冷却过程中，由于其中A的含碳量沿ES线逐渐减少，还会不断析出Fe3CⅡ。冷却至723℃时，A的含碳量减为0.80％，故当合金冷至稍低于723℃时，其组织中剩余的A，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的莱氏体组织应为(P+Fe3CII+Fe3C)。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(四)共晶白口铁(4.3％)的结晶过程分析共晶白口铁结晶过程示意图：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(四)共晶白口铁(4.3％)的结晶过程分析共晶白口铁显微组织（200×）：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析亚共晶白口铁的结晶过程比较复杂。在共晶反应之前，在L中已首先结晶出一部分A晶体。这部分初生A在继续冷却时的转变过程与莱氏体中的奥氏体的转变过程完全相同，即先析出Fe3CⅡ，之后含碳量为0.80％的奥氏体再通过共析反应转变为珠光体。除此变化外，其它变化与共晶白口铁完全相同。亚共晶白口铁的最终组织应为P+Fe3CⅡ+L′d(P+Fe3CⅡ+Fe3C)。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析亚共晶白口铁的结晶过程示意图：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析含3.0％C的亚共晶白口铁的结晶过程示意图：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析过共晶白口铁的结晶过程比亚共晶白口铁要简单得多，因为它在共晶反应之前首先结晶的是针状Fe3CⅠ，在继续冷却过程中，Fe3CⅠ不会发生成分和结构的变化，因此，过共晶白口铁的最终组织应为共晶白口铁组织加上从L中结晶出来的针状Fe3CⅡ，即为Fe3CⅡ+L′d(P+Fe3CⅡ+Fe3C)。5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析过共晶白口铁的结晶过程示意图：5.2铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析含5.0％C的过共晶白口铁的显微组织：