材料科学基础第四章相平衡与相图(4)

铁碳相图可用来研究铁碳合金的成分，组织、性能之间的关系。碳可溶于铁的晶格间隙中与铁形成间隙固溶体。而间隙固溶体只能是有限固溶体，所以当碳原子溶入量超过铁的极限溶解度后，碳与铁将形成渗碳体（Fe3C）或石墨（C）。•热力学上石墨是稳定相而渗碳体是亚稳定相。但石墨•含碳量为100％，而渗碳体含碳量仅为6.69％，所以通•常情况下碳总是与铁形成形成渗碳体，而在某些特定•的情况下，如极为缓慢的冷却或加入促进石墨化的元•素，碳才以石墨的形式存在。第四节铁碳相图渗碳体是一个稳定的化合物，将其•作为一个组元与铁构成Fe－Fe3C相•图。由于钢的含碳量最多不超过•2.11％，铸铁中含碳量最多不超过•5％，所以研究铁碳合金，只需研•究Fe－Fe3C部分即可。为全面反映铁碳合金的组织状态，将Fe－Fe3C和Fe－C综合在一起，绘成双重相图，如图5－37所示。图中实线部分为Fe－Fe3C相图，虚线表示Fe－C相图（虚线与实线重合的部分以实线表示）。相图中包括包晶相图、共晶相图、共析相图组成。一、铁碳合金的组元及基本相•1.纯铁•铁是过渡族元素，熔点为1538℃。在固态下铁可以发生两种同素异晶转变，具有两种同素异晶状态。•将δ-Fe→γ-Fe的转变温度称为A4点，•γ-Fe→α-Fe的转变温度称为A3点。•同素异晶转变与液态结晶一样，也是一种相变过程。为了区别于•液态结晶，通常将固态下的相变过程称为重结晶。α–Fe的磁性转变温度为770℃(居里点)，770℃以下具有一定的铁磁性。发生磁性转变时铁的晶格类型不变。•2.铁素体与奥氏体铁素体：•碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，体心立•方晶格(bcc)，用符号F或α表示。奥氏体：δ铁素体：•碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，面心立•方晶格(fcc)，用符号A或γ表示。称高温铁素体，碳溶于δ-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格(bcc)，用符号δ表示。铁素体：最大溶碳量（727℃）为0.0218％，室温下为0.008％。奥氏体：δ铁素体：奥氏体的最大溶碳量（1148℃）为•2.11％，随着温度降低，其溶解度也减•小，在727℃时，为0.77%C。•δ铁素体的最大溶碳量（1495℃）为•0.09％。三种固溶体的溶碳能力：•奥氏体的溶碳能力大于铁素体的原因：•奥氏体晶体间隙大，面心立方晶格（γ-Fe）八面体半径为•0.0535nm（950℃）;体心立方晶格（α-Fe）八面体半径•为0.0186nm（20℃），碳的原子半径为0.077nm。铁素体的性能力学性能以及物理、化学性能与纯铁极相近，塑性、韧性很好（δ=30%~50%），强度、硬度很低（σb=180~280Mpa）。居里点也是770℃。奥氏体的性能强度、硬度低，塑性、韧性高。在铁碳合金平衡状态时，奥氏体为高温下存在的基本相，也是绝大多数钢种进行锻压、轧制等加工变形所要求的组织。2.渗碳体Fe3C相是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为6.69％，可用符号Cm表示，熔点为1227℃，晶格类型是正交晶系，硬度很高HB＝800，延伸率近另。230℃（A0）为居里点，230℃以下具有一定的铁磁性。3.石墨C或G•渗碳体是一种亚稳定相。在一定条件•下会发生分解，转化为石墨•Fe3C－3Fe＋C（石墨）•石墨含有100％的碳，具有六方晶格，•是灰口铸铁中的一个基本组成相。•硬度HB3－5，塑性几乎为另，可用符•号C或G表示。二、Fe－Fe3C相图分析1.相图中各点、线、区及意义线液相线－ABCD固相线－AHJECF:5个单相区:•七个两相区:•ABCD以上－液相区（L）•AHNA－δ铁素体区•NJESGN－γ奥氏体区•GPQ以左－α铁素体区•DFK-－Fe3C渗碳体区L＋δ、L+γ、L+Fe3C、•δ+γ、α+γ、•γ+Fe3C、F+Fe3C图2-29Fe-Fe3C相图•三个重要的点和线J点：包晶点(0.17%C）HJB：包晶反应线（1495℃）LB+δH→AJ即：L0.53+δ0.09→A0.17•C点：共晶点（4.3％C）•ECF:为共晶反应线（1148℃）•Lc→AE+Fe3C•即：L4.3→A2.11+Fe3C•共晶组织：莱氏体（Ld）S点：共析点（0.77％C）PSK：共析反应线（727℃）也称A1线AS→FP+Fe3C即：A0.77→F0.0218+Fe3C共析组织：珠光体（P）图2-29Fe-Fe3C相图0.09－0.53％C的所有铁碳合金冷•至此温度都发生包晶转变：•0.17％C（包晶）合金，反应前δ和L•的数量匹配得当，反应结束时δ和L•同时耗尽，变为单相奥氏体γ。0.09－0.17％C合金，δ量相对较多，反应结束后δ相有剩余，继续冷却δ→γ（同素异晶转变）。0.17－0.53％C合金反应后L相有剩余，继续冷却L→γ。图2-29Fe-Fe3C相图•莱氏体：是由（γ2.11+Fe3C）•组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是一个连续分布•基体相，奥氏体呈颗粒分布在渗碳体•基体上。因为渗碳体很脆，所以莱氏•体是一种塑性很差的组织。含碳2.1－6.69％范围内的合金，在1148℃都要发生共晶转变。含碳小于2.11％的合金，不会发生共晶转变，组织中不会出现莱氏体。图2-29Fe-Fe3C相图珠光体：（F0.0218+Fe3C）组成的机械混合物。凡是含碳量大于0.0218％的铁碳合金由高温缓冷到727℃时都将发生共析转变。图2-29Fe-Fe3C相图三条重要的特性线•GS线又称A3线：冷却时A向F转变的•开始线或加热时F向A转变终了线；•A→F或F→A•fcc→bcc或bcc→fcc•GS线是由G点（A3点）演变而来的，•随着含碳量的增加，奥氏体与铁素•体的同素异晶转变温度逐渐降低，•从而由A3点演变成了A3线。•ES线又称Acm线：C在A中的溶解度变化曲线；当温度低于此线时，•从奥氏体中就要析出二次渗碳体A→Fe3CⅡ•记作Fe3CⅡ，ES线又称为二次渗碳体的开始析出线。又称Acm线。•E点（1148℃）为γ的最大溶碳量。Fe3CⅡ网状分布在A晶界上。图2-29Fe-Fe3C相图PQ线：C在F中的溶解线；•在727℃时（P点）溶碳达最大值•为0.0218%C，在300℃以下，减少•到0.008％C；•0.0218%C→0.008%C，F→Fe3CⅢ•这种由铁素体析出的渗碳体称为•三次渗碳体。•Fe3CⅢ呈短杆状，量极少，可忽略。图2-29Fe-Fe3C相图⑴工业纯铁•W（C）＜0.0218％•只发生同素异晶转变碳钢白口铸铁•⑵共析钢W（C）＝0.77％•⑶亚共析钢W（C）＝0.0218％－0.77％•⑷过共析钢W（C）＝0.77％－2.11％•⑸共晶白口铸铁W（C）＝4.3％•⑹亚共晶白口铸铁W（C）＝2.11％－4.3％•⑺过共晶白口铸铁W（C）＝4.3％－6.69％•三、铁碳合金及平衡结晶•1.铁碳合金•根据含碳量及组织特征，•铁碳合金可分为7种。•碳钢与白口铸铁的界限是2.11％C：•0.0218％－2.11％不发生共晶转变属于碳钢，•2.11％－6.69％发生共晶转变属于白口铸铁。•3.写各点的符号（字母）并连线。分三个•相图形式连线。•4.10个成分点。HJBECFPSKQ•5.6个温度。ANG（熔点和同•素异构转变温度）；HJB线、PSK线、ECF线。•6.3个恒温转变反应式：•L＋δ→A、L→A＋Fe3C、A→F＋Fe3C。7.3个匀晶转变：L→δ、L→A、L→Fe3CⅠ8.2个同素异构转变：δ-Fe→γ-Fe→α-Fe•9.两个脱溶转变：A→A＋Fe3CⅡF→F＋Fe3CⅢ•2.画铁碳相图的步骤：•1.纯Fe的转变点：一个熔点和两个同素异•构转变点。注意温度•（A—1538℃、N—1394℃、G—912℃）。•2.画三条水平线。注意由温度确度水平线•高低位置、由水平线起始点的成分数值确•定水平线长短位置。几种碳钢的钢号和碳质量分数类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数/%0.200.450.600.801.001.201－2温度区间：L→δ按匀晶转变结晶出固溶体。2－3温度区间：δ相冷却过程。冷至3点：δ→γ，发生δ固溶体同素异晶转变，奥氏体优先在δ相的晶界上形核并长大，这一转变在4点结束，合金全部为奥氏体。⑴工业纯铁合金Ⅰ4－5温区：γ相冷却过程。冷却到5点：γ→α发生γ固溶体的同素异晶转变，同样铁素体也是在奥氏体晶界形核，并长大。•温度降到6点：•奥氏体全部转变为α铁•素体。6－7温区：α相冷却。冷至7点时：碳在铁素体中的溶解度达到饱和，当温度降至7点以下时，从铁素体中将析出三次渗碳体α→Fe3CⅢ最大的Fe3CⅢ量：•W（Fe3CⅢ）＝0.0218－0.008•／6.69－0.008＝0.33％室温组织F+Fe3CⅢ组成相为F+Fe3CF+少量Fe3CⅢFe3CⅢ在晶界呈薄片状断续分布，因量少，对性能影响不大，可忽略不计。1－2点温度区间：L→γ，按匀晶转变结晶出奥氏体，在2点结晶完毕，全部转变为奥氏体。2－3温区：γ冷却过程。冷却到3点（727℃）时：在恒温下发生共析转变，γS→αp＋Fe3C形成珠光体，两相一般为层片状分布。•⑵共析钢合金②•（W（C）＝0.77％）•继续冷却时：珠光体中的•铁素体的含碳量将沿着PQ•线变化，共析铁素体要析•出三次渗碳体；•（α→Fe3CⅢ）它在共析铁素体与共析渗碳体的相界面上形成并与共析渗碳体连在一起，在显微镜下难以分辨，其数量很少，对珠光体组织和性能无明显影响，一般都忽略不记。室温组织：P组成相为：F+Fe3C%12%881%%88%10069.677.069.6%3CFeF珠光体组织中，W（α）：W（Fe3C）＝8：1，即铁素体的体积应是渗碳体的8倍。1－2温度区间：L→δ按匀晶转变结晶出δ固溶体。冷至HJB线上的2点时：δ变为0.09％C，L相变为0.53％C，于是，在1495℃的恒温下发生包晶转变形成奥氏体，LB＋δH→γJ（3）亚共析钢合金③W（C）＝0.40％2－3点之间：L→γ因为合金的含碳量大于0.17％，所以包晶转变结束后，仍有液相存在，这部分液相在2－3点之间继续结晶为γ，此时L相的成分沿着BC线变化，γ的成分沿着JE线变化。冷却至3点时：合金全部变为W（C）＝0.40％的单相γ。在3－4之间：γ不发生变化。冷至GS线上的4点时：γ→α•开始析出先共析铁素体，随着温度的•降低，先共析α的数量不断增加，其•成分沿着GP线变化，而γ的成分则烟•GS线变化。冷至PSK线上的5点时：γ的成分达到S点，即W（C）＝0.77％，在727℃的恒温下发生共析转变：形成珠光体。γS→αp＋F3C5点以下：先共析α和P中的共析铁素体析出Fe3CⅢ，因数量很少忽略不记。室温组织F+P组成相为F+Fe3C含碳量越高珠光体量越多，先共析铁素体量越少。（见图5－43a、b、c）•组织组成物含量为:•W（F）＝0.77－0.40／0.77－0.0218•＝49.5％•W（p）=1－49.5％＝50.5％F和p各占50％相组成物含量为:•W（F）＝6.69－0.40／6.69•＝94.0％•W（Fe3C）＝1－94％＝6％计算W（C）＝0.40％碳钢室温下组织组成物和相组成物的相对量：根据平衡组织中珠光体的含量估算亚共析含碳量：因为亚共析钢中的碳基本上都集中在珠光体之中，所以根据亚共析钢平衡组织中珠光体的含量可大智估算其含碳量，即W（C）＝W（p）×0.77％如一钢试样经分析组织为α＋p测出其中p量为42％，确定钢的大致成分；W（p）=42％W（C）＝42×0.77％＝0.33％，1－2点：L→γ按匀晶转变由液态结晶出奥氏体；在2点：全部变为单相奥氏体；2－3点：奥氏体的纯冷却；•冷至ES线上的3点时，奥氏体中的•碳量处于饱和状态；⑷过共析钢合金④W（C）＝1.2％3－4点：γ→Fe3CⅡ从奥氏体中将不断析出二次渗碳体，又称先共析渗碳体。二次渗碳体沿奥氏体晶界形核并长大，最终呈网状分布。由于二次渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿ES。当温度降至PSK线上的4点时：奥