工程材料及热加工―铁碳合金相图

一、铁碳合金的基本相二、铁碳相图分析三、铁碳合金在平衡条件下的固态相变及组织四、铁碳合金的成分、组织和性能的变化规律铁碳合金相图•在二元合金中，铁碳合金是现代化工业使用最广泛的材料，它也是国民经济的重要物质基础。铁碳合金是由铁、碳两个基本组元组成，根据含碳量的不同，可分为碳钢、铸铁两类。碳钢是指含碳量为0.02％~2.11％的铁碳合金。铸铁是指含碳量大于2.14％的铁碳合金。•铁碳合金相图是研究平衡状态下铁碳合金成分、组织和性能之间关系及变化规律的重要工具,对于钢铁材料的研究和使用,特别是热加工工艺的制订都有重要的指导意义。•铁碳合金相图是用实验的方法做出的温度—成分坐标图。当铁碳合金的含碳量超过6.69％时，合金太脆无法使用所以人们研究铁碳合金相图时，主要研究简化后的铁碳合金相图。一、铁碳合金的基本相1、铁素体•碳固溶于(α-Fe或δ-Fe)中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F、α或δ表示。•溶碳能力差。•强度、硬度不高，具有良好的塑性和韧性。（与纯Fe几乎相同）2、奥氏体•碳固溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用A或γ表示。•溶碳能力较大。•硬度较低，塑性较高，易于塑性成型。3、渗碳体（Fe3C）•渗碳体是Fe和C的金属化合物。•渗碳体具有复杂的斜方结构，无同素异构转变。•熔点高、硬度高、脆性大、塑韧性为零，属于硬脆相。•渗碳体是钢中的主要强化相，它的数量、形状、分布对钢的性能影响很大。•渗碳体是一种亚稳相，在一定条件下会分解。（Fe和G）二、铁碳相图分析1、相图中点、线、区及其含义•ABCD为液相线,AHJECF为固相线。•相图中存在五个单相区和七个两相区。2、三条水平线相图中存在三个衡温转变：⑴HJB水平线•在此温度（1495℃）发生包晶转变，反应式为：LB+δH→γj⑵ECF水平线•在此温度（1148℃）发生共晶转变，反应式为：LC→γE+Fe3CL4.3→γ2.11+Fe3C•转变产物为奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，记为Ld。•即由一定成分的液相在恒温下生成另外两个一定成分的固相。•凡含碳量大于2.11﹪的铁碳合金冷却至1148℃时，将发生共晶转变，形成莱氏体。⑶PSK水平线、A1线•在此温度（727℃）发生共析转变，反应式为：γS→αP+Fe3C•转变产物为铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，记为P。•即由一定成分的固相在恒温下生成另外两个一定成分的固相。•凡含碳量大于0.0218﹪的铁碳合金冷却至727℃时，将发生共析转变，形成珠光体。共析转变的相图特征与共晶转变的非常相似，所不同的是反应相不是液相而是固相。3、三条曲线相图中还有三条重要的固态转变线。⑴GS线•此线是奥氏体析出铁素体的起始温度或铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，又称为A3线。⑵ES线•碳在奥氏体中的溶解度曲线（固溶线）。•当温度低于此曲线时，就要从奥氏体中析出渗碳体，通常称之为二次渗碳体,记为Fe3CII。ES线也叫Acm线。⑶PQ线•碳在铁素体中的溶解度曲线（固溶线）。•当温度低于此曲线时，要从铁素体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，记为Fe3CIII。三、铁碳合金在平衡条件下的固态相变及组织1、铁碳合金的分类•工业纯铁：含碳量＜0.0218％•钢：亚共析钢(含有0.0218％~0.77％C)共析钢(含有0.77％C)过共析钢(含有0.77％~2.11％C);•白口铸铁：亚共晶白口铸铁(含有2.11％~4.3％C)共晶白口铸铁(含有4.3％C)过共晶白口铸铁(含有4.3％~6.69％C)。2、铁碳合金平衡条件下的固态相变及组织2.1共析钢在平衡条件下的固态相变及组织•共析钢按匀晶转变形成单相奥氏体。•共析钢在S点温度以上，钢的组织为单相奥氏体。•当冷却到S点温度（727℃）时,奥氏体将发生共析反应，AS→FP+Fe3C(P)，生成片层状的珠光体。•随着温度继续下降，将从铁素体中析出三次渗碳体。由于三次渗碳体数量少，通常可忽略不计。因此，共析钢在室温下的平衡组织为100%的珠光体。其中铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆定律进行计算：WFe3C=PS/PK=(0.77-0.0218)/(6.69-0.0218)=11.3%WF=1-WFe3C=88.7%。2.2亚共析钢在平衡条件下的固态相变及组织•以合金II为例，亚共析钢按匀晶转变形成单相奥氏体。•当奥氏体冷到1点温度时，开始析出铁素体。由于析出了含碳量极低的铁素体，使未转变的奥氏体含碳量增加。随着温度的下降，奥氏体的含碳量沿GS线变化，铁素体的含碳量沿GP线变化。•当合金冷却到2点时，剩余奥氏体的含碳量达到共析浓度，在恒温下发生共析转变，生成珠光体。因此，亚共析钢室温下平衡组织由铁素体和珠光体构成。其中铁素体和珠光体的比例取决于钢的含碳量,钢的含碳量越高，珠光体所占的比例越大。2.3过共析钢在平衡条件下的固态相变及组织•以合金III为例，过共析钢按匀晶转变形成单相奥氏体。•当奥氏体冷到1点温度时，开始沿着晶界析出二次渗碳体。由于析出了含碳量极高的二次渗碳体，使未转变的奥氏体含碳量减少。随着温度的下降，奥氏体的含碳量沿ES线变化。•当合金冷却到2点时，剩余奥氏体的含碳量达到共析浓度，在恒温下发生共析转变，生成珠光体。因此，过共析钢室温下平衡组织由珠光体和沿晶界析出的网状二次渗碳体（网状碳化物）构成。钢的含碳量越高，二次渗碳体所占的比例越大。2.4共晶白口铸铁在平衡条件下的固态相变及组织L4.31148℃A2.11+Fe3CLd1148℃～727℃A0.77+Fe3CIIFe3C727℃PFe3CIIFe3CLd′2.5亚共晶白口铸铁在平衡条件下的固态相变及组织2.11＜L＜4.3＞1148℃A2.11+L4.31148℃A2.11A2.11+Fe3CLd1148℃～727℃A0.77+Fe3CIIA0.77+Fe3CIIFe3C727℃P+Fe3CIIP+Fe3CIIFe3CLd′2.6过共晶白口铸铁在平衡条件下的固态相变及组织4.3＜L＜6.69＞1148℃Fe3CI+L4.31148℃Fe3CIA2.11+Fe3CLd1148℃～727℃Fe3CIA0.77+Fe3CIIFe3C727℃Fe3CIP+Fe3CIIFe3CLd′四、铁碳合金的成分、组织和性能的变化规律•碳钢在室温下的平衡组织皆由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)两相组成。随着含碳量的增加，碳钢中铁素体的数量逐渐减少，渗碳体的数量逐渐增多，从而使得组织按下列顺序发生变化：F→F+P→P→P+Fe3CII•铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相。珠光体由铁素体和渗碳体所组成，渗碳体以细片状分布在铁素体的基体上，起了强化作用，因此，珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。随着含碳量升高，钢的强度、硬度增加，塑性下降。当钢中的含碳量超过1.0%以后，钢的硬度继续增加，而强度开始下降，这主要是由于脆性的二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出所致•工艺性能：铸造性能：接近共晶成分合金好。（结晶范围小）锻造性能：A、A+F区好。（Fe3C硬、脆）切削性能：中碳钢好。（Fe3C硬、脆）