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......专业word可编辑.第三章铁碳合金相图非合金钢[(GB/T13304-91),将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料,都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系,有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。铁与碳可以形成一系列化合物:CFe3、CFe2、FeC等。CFe3的含碳量为6.69%,铁碳合金含碳量超过6.69%,脆性很大,没有实用价值,所以本章讨论的铁碳相图,实际是Fe-CFe3相图。相图的两个组元是Fe和CFe3。3.1Fe-CFe3系合金的组元与基本相3.l.l组元⑴纯铁Fe是过渡族元素,1个大气压下的熔点为1538℃,20℃时的密度为2/mkg3107.87。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构(同素异构转变),即:-Fe(体心)-Fe(面心)-Fe(体心)工业纯铁的力学性能大致如下:抗拉强度b=180~230MPa,屈服强度2.0=100~170MPa,伸长率30~50%,硬度为50~80HBS。可见,纯铁强度低,硬度低,塑性好,很少做结构材料,由于有高的磁导率,主要作为电工材料用于各种铁芯。⑵CFe3CFe3是铁和碳形成的间隙化合物,晶体结构十分复杂,通常称渗碳体,可用符号Cm表示。CFe3具有很高的硬度但很脆,硬度约为950~1050HV,抗拉强度b=30MPa,伸长率0。3.1.2基本相Fe-CFe3相图中除了高温时存在的液相L,和化合物相CFe3外,还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相:⑴高温铁素体碳溶于-Fe的间隙固溶体,体心立方晶格,用符号表示。⑵铁素体碳溶于-Fe的间隙固溶体,体心立方晶格,用符号或F表示。F中碳的固溶度极小,室温时约为0.0008%,600℃时约为0.0057%,在727℃时溶碳量最大,约为0.0218%,但也不大,在后续的计算中,如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。⑶奥氏体碳溶于-Fe的间隙固溶体,面心立方晶格,用符号或A表示。奥氏体中......专业word可编辑.碳的固溶度较大,在1148℃时最大达2.11%。奥氏体强度较低,硬度不高,易于塑性变形。3.2Fe-CFe3相图3.2.1Fe-CFe3相图中各点的温度、含碳量及含义Fe-CFe3相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。图3.1及表3.1中代表符号属通用,一般不随意改变。C,%(重量)→图3.1Fe-CFe3相图表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义符号温度(℃)含碳量[%(质量)]含义......专业word可编辑.ABCDEFGHJKNPSQ153814951148122711481148912149514957271394727727600(室温)00.534.306.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.0057(0.0008)纯铁的熔点包晶转变时液态合金的成分共晶点Fe3C的熔点碳在γ-Fe中的最大溶解度Fe3C的成分α-Fe→γ-Fe同素异构转变点碳在δ-Fe中的最大溶解度包晶点Fe3C的成分γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点碳在α-Fe中的最大溶解度共析点600℃(或室温)时碳在α-Fe中的最大溶解度3.2.2Fe-CFe3相图中重要的点和线3.2.2.1三个重要的特性点⑴J点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。B点成分的L与H点成分的发生包晶反应,生成J点成分的A。包晶反应在恒温下进行,反应过程中L、、A三相共存,反应式为:HBLJA或09.053.0L17.0A。⑵C点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。C点成分的L发生共晶反应,生成E点成分的A和CFe3。共晶反应在恒温下进行,反应过程中L、A、CFe3三相共存,反应式为:CLCFeAE3或3.4LCFeA311.2。共晶反应的产物是A与CFe3的共晶混合物,称莱氏体,用符号Le表示,所以共晶反应式也可表达为:3.4L3.4Le。莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状A(727℃时转变为珠光体)分布在渗碳体基体上。⑶S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时S点成分的A发生共析反应,生成P点成分的F和CFe3。共析反应在恒温下进行,反应过程中A、F、CFe3三相共存,反应式为:SACFeFP3或77.0ACFeF30218.0共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物,称珠光体,用符号P表示,因而共析反应可简单表示为:77.0A77.0PP中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下P的形态呈层片状。在放大倍数很高时,可清楚看到相间分布的渗碳体片(窄条)与铁素体片(宽条)。P的强度较高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间,其机械性能如下:抗拉强度(b)770MPa延伸率()20~35%冲击韧性(ka)30~402/cmJ硬度(HB)1802/mmkgf3.2.2.2相图中的特性线相图中的ABCD为液相线;AHJECF为固相线。⑴水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09~0.53%的铁碳含金在平衡结晶过程中均发......专业word可编辑.生包晶反应。⑵水平线ECF为共晶反应线。碳含量在2.11~6.69%之间的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共晶反应。⑶水平线PSK为共析反应线。碳含量0.0218~6.69%之间的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线在热处理中亦称1A线。⑷GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线,通常称3A线。⑸ES线是碳在A中的固溶线,通常称cmA线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%,而在727℃时仅为0.77%,因此碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中,将从A中析出CFe3。析出的渗碳体称为二次渗碳体(IICFe3)。cmA线亦是从A中开始析出IICFe3的临界温度线。⑹PQ线是碳在F中的固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%,室温时仅为0.0008%,因此碳含量大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中,将从F中析出CFe3。析出的渗碳体称为三次渗碳体(IIICFe3)。PQ线亦为从F中开始析出IIICFe3的临界温度线。IIICFe3数量极少,往往可以忽略。下面分析铁碳合金平衡结晶过程时,均忽略这一析出过程。3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程根据Fe-CFe3相图,铁碳含金可分为三类:⑴0.0218%C工业纯铁⑵2.11C0.77过共析钢0.77%C共析钢0.77%C0.0218%亚共析钢2.11%C0.0218%钢⑶6.69%C4.3%过共晶白口铸铁4.3%C共晶白口铸铁4.3%C2.11%亚共晶白口铸铁6.69%C2.11%白口铸铁下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。3.3.1工业纯铁以含碳0.01%的铁碳合金为例,其冷却曲线(如图3.2)和平衡结晶过程如下。合金在1点以上为液相L。冷却至稍低于1点时,开始从L中结晶出,至2点合金全......专业word可编辑.部结晶为。从3点起,逐渐转变为A,至4点全部转变完了。4-5点间A冷却不变。自5点始,从A中析出F。F在A晶界处生核并长大,至6点时A全部转变为F。在6-7点间F冷却不变。在7-8点间,从F晶界析出IIICFe3。因此合金的室温平衡组织为F+IIICFe3。F呈白色块状;IIICFe3量极少,呈小白片状分布于F晶界处。若忽略IIICFe3,则组织全为F。图3.2工业纯铁结晶过程示意图3.3.2共析钢其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。合金冷却时,于1点起从L中结晶出A,至2点全部结晶完了。在2-3点间A冷却不变。至3点时,A发生共析反应生成P。从3′继续冷却至4点,P皆不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P,P呈层片状。共析钢的室温组织组成物也全部是P,而组成相为F和CFe3,它们的相对质量为:%%%881006.690.776.69F;%%%3121FCFe图3.3共析钢结晶过程示意图3.3.3亚共析钢......专业word可编辑.以含碳0.4%的铁碳含金为例,其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示。合金冷却时,从1点起自L中结晶出,至2点时,L成分变为0.53%C,变为0.09%C,发生包晶反应生成17.0A,反应结束后尚有多余的L。2′点以下,自L中不断结晶出A,至3点合金全部转变为A。在3-4点间A冷却不变。从4点起,冷却时由A中析出F,F在A晶界处优先生核并长大,而A和F的成分分别沿GS和GP线变化。至5点时,A的成分变为0.77%C,F的成分变为0.0218%C。此时A发生共析反应,转变为P,F不变化。从5′继续冷却至6点,合金组织不发生变化,因此室温平衡组织为F+P。F呈白色块状;P呈层片状,放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于0.6%的亚共析钢,室温平衡组织中的F常呈白色网状,包围在P周围。图3.4亚共析钢结晶过程示意图含0.4%C的亚共析钢的组织组成物(F和P)的相对质量为:%%%511000.020.770.020.4P;%%%49511F组成相(F和CFe3)的相对质量为:%%%%;%%36941941006.690.46.69CFeF由于室温下F的含碳量极微,若将F中的含碳量忽略不计,则钢中的含碳量全部在P中,所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据P的含量可求出钢的含碳......专业word可编辑.量为:%%%0.77PC。由于P和F的密度相近,钢中P和F的含量(质量百分数)可以近似用对应的面积百分数来估算。图3.5过共析钢结晶过程示意图3.3.4过共析钢以碳含量为1.2%的铁碳合金为例,其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示。合金冷却时,从1点起自L中结晶出A,至2点全部结晶完了。在2-3点间A冷却不变,从3点起,由A中析出IICFe3,IICFe3呈网状分布在A晶界上。至4点时A的碳含量降为0.77%,4-4′发生共析反应转变为P,而IICFe3不变化。在4′-5点间冷却时组织不发生转变。因此室温平衡组织为IICFe3+P。在显微镜下,IICFe3呈网状分布在层片状P周围。含1.2%C的过共析钢的组成相为F和CFe3;组织组成物为IICFe3和P,它们的相对质量为:%%%%;%%CFeII3937171000.776.690.771.2P3.3.5共晶白口铸铁共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示。图3.6共晶白口铸铁结晶过程示意图合金在1点发生共晶反应,由L转变为(高温)莱氏体Le(A+CFe3)。在1′-2点间,Le中的A不断析出IICFe3。IICFe3与共晶CFe3无界线相连,在显微镜下无法分辨,但此时的莱氏体由A+IICFe3+CFe3组成。由于IICFe3的析出,至2点时A的碳含量降为0.77%,并发生共析反应转变为P;高温莱氏体Le转变成低温莱氏体Le′(P+IICFe3+CFe3)。从2′至3点组织不变化。所以室温平衡组织仍为Le′,由黑色条状或粒状P和白色CFe3基体组成(见图3.12)。共晶白口铸铁的组织组成物全为Le′,而组成相还是F和CFe3,它们的相对重量可用杠杆定律求出。......专业word可编辑.3.3.6亚共晶白口铸铁以碳含量为3%的铁碳合金为例,其冷却曲线和平衡结晶讨程如图3.7所示。图3.7亚共晶白口铸铁结晶过程示意图合金自1点起,从L中结晶出初生A,至2点时L的成分变为含4.3%C(A的成分变为含2.11%),发生共晶反应转变为Le,而A不参与反应。在2′-3点间继续冷却时,初生A不断在其外围或晶界上析出IICFe3,同时Le中的A也析出IICFe3。至3点温度时,所有A的成分均变为
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