铁碳合金状态图

1.2.2铁碳合金的状态图1.2铁碳合金的组织与状态图1.2.1铁碳合金的基本组织1.2.2铁碳合金状态图1.2.2铁碳合金状态图铁碳合金状态图是以温度为纵坐标，合金成分（含碳量）为横坐标的图形，是研究不同含碳量的钢和铸铁在不同温度下组织变化规律的重要工具一、二元合金相图的建立测定二元合金相图的步骤：（以铜镍合金为例）1）配制几组成分不同的Cu-Ni合金；2）分别将它们熔化，然后极缓慢冷却，同时测定其从液态到室温的冷却曲线；3）找出各冷却曲线上开始结晶的温度点TNi、l、2、3、4、TCu及结晶终了的温度点（称为临界点）TNi、1’、2’、3’、4’、TCu；4）将各临界点标在以温度为纵坐标，以成分为横坐标轴的图形中相应合金的成分垂线上，并将意义相同的临界点连接起来，即得到Cu-Ni合金相图。1.匀晶相图组成二元合金的两组元在液态和固态均能无限互溶的合金系所形成的相图。例如，Cu-Ni、Ag-Au、Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Mo、Mo-W合金的相图。(1)相图分析两个熔点；两条曲线；三个相区(2)合金的平衡结晶过程匀晶反应：从液相中结晶出单相固溶体：L═αL相成分沿液相线变化，α相成分则沿固相线变化。2.共晶相图组成合金的两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，结晶时发生共晶转变的合金系所形成的二元合金相图。例如，Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si合金相图(1)相图分析1）图中的点、线和区域tA为Pb的熔点，tB为Sn的熔点，E点为共晶点。tAEtB为液相线，tAMENtB为固相线、MEN线为共晶线、MF为Sn在Pb中的溶解度曲线，NG为Pb在Sn中的溶解度曲线，这两条曲线也称为固溶线。三个基本相：L是Pb与Sn两组元形成的均匀的液相，α是Sn溶于Pb的固溶体，β是Pb溶于Sn的固溶体三个单相区和三个两相区：即L+α、L+β、α+β相区。在三个两相区之间有一根水平线MEN，是L+α+β三相并存区。1）图中的点、线和区域2）共晶反应成分位于（E）点的合金，在温度达到水平线MEN所对应的温度（tE=183℃）时，将同时结晶出成分为M点的α相及成分为N点的β相。其转变式为：这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出一定成分的两个固相的转变过程，称为共晶转变或共晶反应。共晶转变的产物（αM+βN）是由两个固相组成的机械混合物，称为共晶组织NMEβαL)183(c恒温(2)合金的平衡结晶过程及其组织1）固溶体合金（合金Ⅰ）成分位于M点以左（即wSn≤19%）或N点以右（即wSn≥97.5%）的合金称为固溶体合金液态合金缓冷至温度1，开始从L相中结果出α固溶体。随温度的降低，液相的数量不断减少，α固溶体的数量不断增加，至温度2合金全部结晶成α固溶体。温度2~3范围内合金无任何转变，这是匀晶转变过程。冷却至温度3时，Sn在α中的溶解度减小，从α中析出β是二次相（βⅡ）。α成分沿固溶线MF变化，这一过程一直进行至室温，所以合金Ⅰ室温平衡组织为（α+βⅠ）。2）共晶合金（合金Ⅲ）成分为wSn=61.9%的合金Ⅲ合金缓冷至温度1（即tE=183℃）时，发生共晶转变，在恒温下进行，所以冷却曲线上相应温度出现一水平线段共晶转变完成后合金全部成为共晶组织（αM+βN）。继续冷却，随着温度下降α、β相的成分将分别沿固溶度曲线MF、NG变化，α将析出βⅡ，β相则析出αⅡ。由于αⅡ、βⅡ与共晶组织中的α、β连接在一起且量小难以分辨。所以共晶组织的二次析出一般可忽略不计。共晶合金的室温平衡组织为共晶组织（α+β）。其组织组成物只有1个，即共晶体，相组成物有两个，即α相和β相。3）亚共晶合金（合金Ⅱ）成分位于M、E点之间（即wSn=19~61.9%之间）的合金。以wSn=35%的合金Ⅱ为例。液态合金缓冷至温度1时开始从液相中结晶出初生的α固溶体随着温度下降α相不断增加，温度1~2范围内的结晶过程与合金Ⅰ的匀晶转变完全相同。L相不断减少，α的成分沿固相线AM变化；L的成分沿液相线AE变化冷至温度2（即tE=183℃）时，α相为M点处成分，L相则为E点处成分。液相tE发生共晶转变形成共晶组织（α+β），αM固溶体保持不变。所以合金在共晶转变刚结束时，其组织为αM+（αM+βN）从共晶温度继续冷却时，αM、βN将分别析出βⅡ、αⅡ，共晶组织的二次析出如前所述可忽略不计。冷却至室温时其平衡组织为α+（α+β）+βⅡ4）过共晶合金（合金Ⅳ）成分位于E、N点之间（即wSn=61.9~97.5%之间）的合金Ⅳ。其结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是初生相是β固溶体，二次相是αⅡ。合金Ⅳ的室温平衡组织为β+αⅡ+（α+β），其组织组成物有三，即β、αⅡ、（α+β）；相组成物仍为两种，即α相β相。二、铁碳合金状态图概况1、铁碳合金状态图中的各特性点的意义2、铁碳合金状态图中各特性线的意义3、铁碳合金状态图中的相区1、特性点：由字母标出的具有特定意义的点2、特性线ACD——液相线；AECF——固相线其中：ACE区——L＋A；CDF区——A＋Fe3CIC点：共晶点共晶反应：LC←－→Ld（AE+Fe3C）ECF——共晶线；wC=（2.11～6.69）%的铁碳合金，缓冷至1148°C（ECF共晶线）都发生共晶转变。共晶：在一定条件下（温度、成分），由液体合金中同时结晶出两种不同晶体的转变。GS——A冷却析出F开始线,通常称为A3线。ES——C在A中溶解度曲线/冷却时A析出Fe3C开始线,又称Acm线。PSK——共析线，又称A1线。wC0.0218%的铁碳合金，缓冷至727°C（PSK共析线）都发生共析转变。S点：共析点共析反应：AS←－→P（FP+Fe3C）PQ——C在F中的溶解度曲线。3、铁碳合金状态图中的相区（1）四个单相区ABCD线以上的液相区（L）；NJESGN线围着的奥氏体相区（A）；GPQG线围着的铁素体相区（F）；DFKL线垂线代表的渗碳体相区（Fe3C）。（2）五个双相区ACEA线围着的L+A相区；DCFD线围着的L+Fe3CⅠ相区；EFKSE线围着的A+Fe3C相区；GSPG线围着的A+F相区；QPSKLQ线围着的F+Fe3C相区。（3）两个三相共存区ECF线为L、A、Fe3C三相区；PSK线为A、F、Fe3C三相区。1）工业纯铁（ωc0.0218%）组织为铁素体和极少量的三次渗碳体；2）钢（ωc=0.0218%~2.11%）亚共析钢（ωc0.77%）：组织是铁素体和珠光体；共析钢（ωc=0.77%）：组织是珠光体；过共析钢（ωc0.77%）：组织是珠光体和二次渗碳体。3）白口铸铁（ωc=2.11%~6.99%）亚共晶白口铸铁（ωc4.3%）：组织是珠光体、二次渗碳体和莱氏体；共晶白口铸铁（ωc=4.3%）：组织是莱氏体；过共晶白口铸铁（ωc4.3%）：组织是一次渗碳体和莱氏体。三、铁碳合金分类四、典型的铁碳合金平衡结晶过程及组织1)共析钢的结晶过程分析2)亚共析钢的结晶过程3)过共析钢的结晶过程4)共晶白口铸铁的结晶过程5)亚共晶白口铸铁的结晶过程6)过共晶白口铸铁的结晶过程五、铁碳相图的应用1、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。2、判断切削加工性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。3、制定热加工工艺：在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。讨论：默画出铁碳相图,标明C、S、E、F点的成分及ECF、PSK线的温度,标明各相区;说明铁与碳在液态和固态的相互作用以及各相的本质，指出α-Fe与F；γ-Fe与A的区别;写出相图中C、S两点进行相变的反应式,指出各是什么反应,说明其相变特点;说出ECF;PSK;ES;GS各线的意义;用冷却曲线表示含碳量为0.6%；3%铁碳合金的结晶过程,画出室温平衡组织示意图。