材料科学基础-第五章 铁碳相图

第三节复杂二元相图的分析步骤和方法：(1)首先看是否存在稳定化合物，如有则把相图分成几个区域(基本相图)进行分析。(2)根据相区接触法则，弄清各相区的组成相。(3)找出所有的三相共存水平线及与其接触的三个单相区，根据3个单相区与水平线的相互位置确定三相平衡转变的类型及反应式。分析相图的关键步骤。第三节复杂二元相图的分析(4)应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规律。单相区：相成分与原合金相同。双相区：在不同温度下，两相成分分别沿相界线变化，各相的相对量可由杠杆法则求得。三相共存(平衡)时：三个相的成分固定不变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。第三节复杂二元相图的分析(5)在应用相图分析实际情况时，切记相图只给出体系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相的形状、大小和分布（这些只取决于相的本性及形成条件）；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它们的非平衡条件下可能出现的相和组织。(6)相图的正确与否可用相律来判断。在分析和认识相图中的相、相区及相变线的特点之后，就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变化。铁碳相图（重点掌握）1.铁碳相图2.铁碳合金的结晶过程和组织变化3.铁碳合金的成分、组织与性能间的关系4.钢中的杂质元素及其对性能的影响5.铁石墨相图6.石墨与基体对铸铁机械性能的影响Fe-C合金概述•钢(Steels)和铸铁(Castirons)是现代机械制造工业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，其基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloysoftheiron-carbonsystem）。合金钢和合金铸铁实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。•铁碳相图描述了钢铁材料的成分、温度与组织（相）之间的关系，是了解钢铁材料的基础。因此，学习铁碳相图、掌握、应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。Fe-C合金概述•Fe与C形成系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。Fe-C相图分成Fe-Fe3C,Fe3C–Fe2C,Fe2C-FeC，FeC-C四部分由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。Fe-C合金的各种化合物铁碳（Fe-Fe3C）相图铁碳（Fe-Fe3C）相图1.铁碳合金中的组元铁碳合金中组元：纯铁(Fe)渗碳体（Fe3C）(1)纯铁（Fe）纯铁（pureiron）WFe99.8%，原子序数26，原子相对质量55.85，纯铁的熔点1538℃，汽化点2738℃，密度7.87g/㎝³。纯铁固态下具有同素异构转变：912℃以下为体心立方(bcc)结构，912℃到1394℃之间为面心立方(fcc)结构,1394℃到熔点之间为体心立方(bcc)结构。另外，纯铁770℃发生磁性转变。(1)纯铁（Fe）纯铁的冷却曲线及晶体结构变化(1)纯铁（Fe）纯铁的显微组织(2)渗碳体(Fe3C)•渗碳体是Fe3C，属于正交晶系，结构复杂。•Fe3C熔点为1227℃，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe+C渗碳体的结构•Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示。•Fe3C在钢和铸铁中呈片状，粒状，网状和板条状。•渗碳体硬而脆(800HBW)，塑性极低，延伸率接近于0。•钢铁材料中的主要强化相。其中Fe可以被其它元素Cr、Mn替代，形成(Fe,Mn)3C，(Fe,Cr)3C，称为合金渗碳体。(2)渗碳体(Fe3C)Fe-Fe3C相图：介稳定系相图。Fe-C相图：稳定系相图。若把两相图画在同一图上，称为Fe-C合金双重相图，两相图各有不同的适用范围。Fe-C合金双重相图实线：Fe-Fe3C相图虚线：Fe-C相图2.Fe-C合金中的基本相Fe-C合金在不同条件下，有5（6）个基本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、（石墨(G)相）2.Fe-C合金中的基本相（1）液相(L)Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上)（2）δ相[高温铁素体]C溶解于δ-Fe形成的间隙固溶体。在1459℃时最大溶解度可达0.09%，为bcc结构，也称高温铁素体。2.Fe-C合金中的基本相C溶解于γ-Fe形成的间隙固溶体。γ具有fcc结构。可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%C，到727℃时含碳量降到0.77%。碳原子处于fcc晶格中正八面体的中心。（3）奥氏体(γ或A)2.Fe-C合金中的基本相C溶解于γ-Fe形成的间隙固溶体。γ具有fcc结构。可以溶解较多的碳，碳原子处于fcc晶格中正八面体的中心。（3）奥氏体(γ或A)碳在γ-Fe晶格中的位置2.Fe-C合金中的基本相奥氏体的晶粒呈平直多边形。（3）奥氏体(γ或A)奥氏体的显微组织2.Fe-C合金中的基本相C溶于α-Fe形成的间隙固溶体。C原子处于八面体间隙。在727℃时C在α-Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%，所以其性能与纯铁相似。（4）铁素体（α或F）2.Fe-C合金中的基本相（4）铁素体（α或F）2.Fe-C合金中的基本相（5）渗碳体（Fe3C）•属于正交晶系，结构复杂。•Fe3C熔点为1227℃，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe+C2.Fe-C合金中的基本相（6）石墨（C）•在一些条件下，碳以游离态石墨(hcp)稳定相存在。所以石墨在Fe-C合金铸铁中也是一个基本相。思考题：为什么C在γ中的溶解能力高于α？什么是α、γ？影响间隙固溶体溶解度的因素？γ：FCC，八面体间隙大小0.414α：BCC，八面体间隙大小0.1553.Fe-Fe3C相图分析相图分解为三个部分包晶转变部分共晶转变部分共析转变部分Fe-Fe3C相图3.Fe-Fe3C相图分析（1）相图中的点相图中各特性点的温度、成分和意义：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、QFe-Fe3C相图3.Fe-Fe3C相图分析（1）相图中的点3.Fe-Fe3C相图分析（2）相图中的相区Fe-Fe3C相图单相区（5个）：L、δ、γ、α、Fe3C双相区（7个）：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3Cγ+α、α+Fe3C三相区（3个）：L+δ+γ（HJB线）、L+γ+Fe3C（ECF线）、γ+α+Fe3C（PSK线）3.Fe-Fe3C相图分析特性线：由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的A.三条水平恒温转变线B.二条磁性转变线C.三条重要的相界线Fe-Fe3C相图（3）相图中的线A.三条水平恒温转变线Fe-Fe3C相图（3）相图中的线①HJB--包晶转变线：转变产物：奥氏体（用A或γ)强度低，塑性好L0.53+δ0.09γ0.17或LB+δHγJ1495℃1495℃A.三条水平恒温转变线Fe-Fe3C相图（3）相图中的线②ECF--共晶转变线：转变产物：γ和Fe3C组成的机械混合物称为莱氏体，用Ld表示。硬、脆、无法加工L4.3γ2.11+Fe3C或LCγE+Fe3C1148℃1148℃A.三条水平恒温转变线Fe-Fe3C相图（3）相图中的线③PSK--共析转变线：转变产物：α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体，用P表示。室温下，α、P、Fe3C是钢中的基本组织。γ0.77α0.0218+Fe3C或γSαP+Fe3C727℃727℃珠光体P的硬度、塑性、韧性介于α和Fe3C之间；强度最高。铁素体、渗碳体、珠光体的性能比较组织硬度（HB）延伸率δ（塑性、韧性）强度（Mpa）铁素体α50-8030％-50％180-230渗碳体Fe3C800030珠光体P=α+Fe3C18020％-35％770B.两条磁性转变线Fe-Fe3C相图（3）相图中的线①A0线:渗碳体Fe3C的磁性转变线，230℃以上无磁性，230℃以下铁磁性。②A2线:铁素体α的磁性转变线。770℃以上无磁性，770℃以下铁磁性。磁性转变是否属于相变？C.三条重要的相界线（3）相图中的线①GS线(A3线)：②ES线(Acm线)：碳在γ中的溶解度曲线冷却时开始析出加热时全部溶入γα冷却时开始析出加热时全部溶入γFe3CⅡ③PQ线：碳在α中的溶解度曲线冷却时开始析出加热时全部溶入αFe3CⅢFe-Fe3C相图A0、A1、A2、A3、Acm的区别Fe-Fe3C相图A0线：230℃Fe3C的磁性转变线A1线：共析转变线A2线：α的磁性转变线A3线：γαAcm线:γFe3CⅡA0、A1、A2、A3、Acm线温度依次升高。开始析出全部溶入开始析出全部溶入A0线A1线Acm线4.Fe—C合金分类按有无共晶转变分为碳钢和铸铁两大类:Wc＞2.11%铸铁；Wc＜2.11%碳钢；Wc＜0.0218%工业纯铁2.110.02184.Fe—C合金分类根据组织特征分为七种类型：1)工业纯铁:Wc0.0218%铁素体α2)钢:Wc=0.0218～2.11%奥氏体γ•共析钢Wc=0.77%•亚共析钢Wc=0.0218～0.77%•过共析钢Wc=0.77～2.11%3)白口铸铁:Wc=2.11～6.69%莱氏体γ+Fe3C•共晶白口铸铁Wc=4.30%•亚共晶白口铸铁Wc=2.11~4.30%•过共晶白口铸铁Wc=4.30~6.69%2.110.02181.按比例默画出Fe-Fe3C相图，说明特性点的符号、成分、温度及意义2.特征温度A0、A1、A2、A3、Acm的意义3.填相区，并回答：铁素体、奥氏体、渗碳体的结构、性质、表示法，为什么A溶碳能力高于F？4.Fe-Fe3C相图的三个恒温转变式、转变产物及性能。5.两条磁性转变线温度，是否相变？6.三条重要的固态转变线的意义。7.铁碳合金的分类Fe-Fe3C相图应掌握的内容（1）工业纯铁（Wc＜0.0218%）以Wc=0.01%的合金为例•转变过程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+Fe3CⅢ•室温组织为：α+Fe3CⅢ•匀晶转变＋多晶型转变＋脱溶沉淀Fe3CⅢ最大量：(0.0218-0)/(6.69-0)=0.33%5.Fe-C合金的平衡结晶过程及组织0.0218%工业纯铁室温组织图（200×）Fe3CⅢα（2）共析钢（Wc=0.77%）结晶过程如下：L→L+γ→γ→α+Fe3C+γ→P（α+Fe3C）室温组织为P（α+Fe3C），P呈层片状，匀晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀白色片状为α，黑色片状为Fe3C0.77%共析钢的室温组织白色片状为α，黑色片状为Fe3C共析钢的室温组织（500×）珠光体P：白色片状为α，黑色片状为Fe3CT12钢球化退火组织T10钢退火组织（3）亚共析钢（Wc=0.0218～0.77%）以Wc=0.4%的合金为例：结晶过程如下：L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→α+γ→α+P+γ→α+P（α中析出Fe3CⅢ量少忽略不计）室温组织为：α+P匀晶转变＋包晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀αP0.77%白色的α；黑灰色的P亚共析钢的室温组织（200×）αP（4）过共析钢（Wc=0.77～2.11%）结晶过程如下：L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ室温组织为：层片状P+白色Fe3CⅡ匀晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀0.77%层片状P+白色Fe3CⅡ过共析钢的室温组织（500×）层片状P+白色Fe3CⅡPFe3CⅡ思考题：现有一块碳钢，试用金相法判断其属于哪一类？如果组织中珠光体面积大约占50%，试确定其含碳量？（5）共晶白口铸铁（Wc=4.30%）结晶过程如下：L→Ld（γ+Fe3C共晶）→Ld(γ+Fe3CⅡ+Fe3C共晶)→Ld′（P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）室温组织为：低温莱氏体L′d（P+Fe3C+Fe3CⅡ）共晶转变＋脱溶沉淀＋共析转变4.30%2.11%共晶白口铸铁组织图（200×）L′d低温莱氏体：P+Fe3C+Fe3CⅡ共晶白口铸铁组织图L′d低温莱氏体：P+Fe3C+Fe3CⅡ（6）亚共晶白口铸铁（Wc=2.11～4.30%）结晶过程如下：L→L+γ