铁碳平衡相图详解

目前应用的铁碳合金状态图是W(c)为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe-Fe3C部分），W(c)大于6.69％的铁碳合金在工业领域应用鲜见报道。1.铁碳合金状态图1.1以构成相标注的铁碳相图1.2以特性点标注的铁碳相图注：虚线、点划线的意义———尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序－无序转变线。①以稳定的化合物分割相图（Fe3C）；②以特殊的成分分割相图（钢*与铁的区分）；③确定各点、线、区的意义；④分析特征合金的结晶过程及其组织演化；⑤说明相图的实际应用2.1分析步骤2.铁碳相图的分析方法*——此处讨论的钢仅限于碳钢，暂不涉及合金钢。相邻相区的相数差1（点接触除外）——相区接触法则；三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。若两个三相区中有两个相同的相，则两水平线之间必是由这两相组成的两相区。单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。2.2铁碳相图的几何规律2.3铁碳相图的相区1）单相区（四个）：α-Fe——α-铁素体；γ-Fe——奥氏体；δ-Fe——δ-铁素体；L——液相区2）两相区(七个)：L+δδ+AL+A；L+Fe3C；A+F；A+Fe3C；F+Fe3C续前页3）三相区(两个)L、A、Fe3C——ECF线：共晶线，是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线；A、F、Fe3C——PSK线，共析线，是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存线。续前页2.4主要特性点1）A点纯铁的熔点，温度1538℃，W(c)=0%；2）C点共晶点，温度1148℃，W(c)=4.3%成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：Lc→Ld（AE+Fe3C）；3）D点渗碳体熔点，温度1227℃，W(c)=6.69%；4）E点碳在γ-Fe中的最大溶解度，温度1148℃，W(c)=2.11%；5）G点纯铁的同素异晶转变点，冷却到912℃时，发生γ-F→α-Fe；6）P点碳在α-Fe中的最大溶解度，温度727℃，W(c)=0.0218%；续前页8）S点共析点，温度727℃，W(c)=0.77%成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：As→P（Fp+Fe3C）；7）Q点600℃时，碳在α-Fe中的溶解度，W(c)=0.0057%；（冷至室温时，碳在α-Fe中的溶解度为0.0008%）；续前页附：铁碳平衡图中所有的特性点2.5特性线1）ACD线液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。2）AECF线固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。3）ECF水平线共晶线，W(c)＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148℃）时，均发生共晶转变，生成莱氏体。4）ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中最大溶解度是E点（W(c)=2.11％），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ。5）GS线奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。续前页7）GP线0＜W(c)＜0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。6）PSK水平线共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度（727℃）时，将发生共析转变生成珠光体（P），W(c)＞0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。续前页8）PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时，W(c)=0.0218%，溶碳量最大；在600℃时，W(c)=0.0057%。在727℃缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3CIII）的形式析出。一般情况下，忽略Fe3CIII的存在。以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若是加热过程，则相反。续前页附：铁碳平衡图中所有的特性线一般所指铁素体系碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃时0.0218%；室温时为0.0008%，几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。2.6.1铁素体（Ferrite—F或α相）2.6各相（组织）名称及其定义2.6.2奥氏体（Austenite——A或γ相）奥氏体系碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时为2.11%；其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。渗碳体系铁与碳形成的化合物，碳含量为6.69％，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，δ、Ak值接近于零，脆性很大。图中平直的白色条状物即为铁碳合金凝固时的一次渗碳体。2.6.3渗碳体（Cementite—Fe3C）2.6.4珠光体（Pearlite—P）珠光体是由铁素体和渗碳体组成的处于热力学平衡状态的机械混合物。系奥氏体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织为铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。2.6.5莱氏体（Ledeburite—Ld或Ld'）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的处于热力学平衡状态的机械混合物。系在1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量为4.3%。3.铁碳相图中钢与铁的区分共析钢亚共析钢过共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁W(c)=0.77%0.0218%W(c)0.77%0.77%W(c)2.11%W(c)=4.3%2.11%W(c)4.3%4.3%W(c)6.69%工业纯铁钢白口铸铁铁碳合金**——按含碳量和室温组织分类W(c)=0.0218%工业纯铁钢白口铸铁铁碳合金*4.典型铁碳合金的结晶过程分析——以钢为例①共析钢②亚共析钢③过共析钢④共晶白口铸铁⑤亚共晶白口铸铁⑥过共晶白口铸铁4.1共析钢的结晶过程1点温度以上，合金处于液态；缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量逐渐增加；直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体；2点至3点间为单一奥氏体的冷却；当温度降到S点时，奥氏体在恒温下发生共析转变，转变为珠光体；S点以下，珠光体冷却至室温。共析钢结晶过程示意图4.2亚共析钢的结晶过程在3点以前的结晶过程与共析钢类似；当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素体；温度继续下降，铁素体量逐渐增加，奥氏体量逐渐减少，尚未转变的奥氏体的碳含量沿GS线逐渐增加；当缓冷到4点(727℃)时，剩余的奥氏体的W(c)=0.77%，发生共析转变而形成珠光体；共析转变结束后，合金组织由铁素体加珠光体组成，冷却到4点以下，组织不再产生改变；所有亚共析钢的室温平衡组织均为铁素体+珠光体，随着碳含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增加。亚共析钢结晶过程示意图4.3过共析钢的结晶过程在3点以前与共析钢类似；当缓冷到3点温度时，奥氏体的溶碳量随着温度的下降而逐渐降低，并沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体；随着温度继续下降，二次渗碳体不断析出，而剩余奥氏体的碳含量沿ES线逐渐减少；温度降到4点(727℃)时；剩余奥氏体恒温下发生共析转变而形成珠光体；共析转变结束后，合金组织为珠光体加二次渗碳体，直至室温。所有过共析钢的室温平衡组织都是珠光体+网状二次滲碳体。但随着含碳量的增加，组织中珠光体的数量减少，网状二次滲碳体的数量增加，并变得更粗大。过共析钢结晶过程示意图5.铁碳合金的成分、组织与性能的关系5.1含碳量与铁碳合金平衡组织间的关系铁碳合金的室温组织都是由铁素体和滲碳体两相组成。随着含碳量的增加，铁素体量逐渐减少，滲碳体量逐渐增多，且它的形状和分布也有所不同，从而形成不同的组织。相图自左至右的组织为：FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld’Ld’Ld’+Fe3CI5.2含碳量与力学性能间的关系强度：当W(c)0.9％时，随着W(c)增加，强度不断提高；当W(c)0.9％时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降，脆性上升。硬度：随W(c)的增加而提高。塑性：随W(c)的增加而迅速降低。冲击韧性：随W(c)的增加而迅速降低。6.1相图与材料的力学和物理性能*6.相图与合金性能的关系铸造性能根据液固相线之间的距离X：X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差大）；X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。塑性加工性能：单相固溶体区易于锻造。热处理性能：利用固溶度变化的固态相变。6.2相图与材料工程的工艺性能相图与热加工工艺性能的关系7.钢铁热处理与铁碳合金相图的关系Fe-Fe3C相图是制订钢铁零件热处理工艺的理论依据，所以对热处理工作者具有特别重要的意义。各种钢材热处理的常用工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图来确定的。钢铁热处理的温度选取范围在铁碳相图中的位置铁碳平衡相图是铁碳合金在平衡状态时的组织组成图，图中标注的所有参数仅仅针对碳钢和铸铁，且不揭示它们的非平衡组织如马氏体、贝氏体等的转变规律。合金钢和合金铸铁的平衡状态图由于添加了其它合金元素，与二元铁碳平衡相图差别很大。即使对于碳钢和铸铁，在实际应用中，也不可直接在铁碳平衡图上读取成分-温度的对应参数值。因为实际成分和加热条件往往偏离或远离平衡状态图，须根据工程实际参考相关手册中钢的加热温度参数。铁碳平衡相图仅仅是学习金属材料热处理、进而研究热处理的必备基础知识和出发点，还不是指导热处理生产过程的直接技术依据。总结