第3章铁碳合金相图

第3章 铁碳合金相图 (3) 奥氏体。用符号A表示，是碳溶入γ-Fe中形成的间隙固 溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃ 时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于 塑性变形(δ= 40%～50%)。故在轧钢或锻造时，为使钢易于进 行变形，常把钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。
第3章 铁碳合金相图
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3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相 3.2 铁碳合金相图分析 3.3 铁碳合金相图的应用 知识窗——金相观察 金相观察 知识窗 学习指导 自测习题
第3章 铁碳合金相图
3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相
3.1.1 纯铁的同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金 属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等 金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下存在两种或两种 以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过 程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变， 由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
第3章 铁碳合金相图 PSK水平线为共析反应线，S点为共析点。合金在平衡结晶 过程中冷却到727℃时，S点成分的奥氏体发生共析反应，生成P 点成分的铁素体和Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中 奥氏体、铁素体、Fe3C三相共存。共析转变的表达式如下：
A S →(FP + F3C)
727CC
第3章 铁碳合金相图 (5) 珠光体(合金的一种基本组织)。它是铁素体和渗碳体 组成的机械混合物，用符号P表示。珠光体的含碳量为0.77%。 由于渗碳体在混合物中起强化作用，因此，珠光体有着良好 的力学性能，如其抗拉强度高，硬度较高且仍有一定的塑性 和韧性。珠光体在显微镜下呈片层状，如图3-2所示。图中黑 色层片为渗碳体，白色基体为铁素体。
第3章 铁碳合金相图 ES线是碳在奥氏体中的固溶线，通常叫做Acm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℃冷却至727℃的过程 中，将从奥氏体中析出Fe3C，析出的渗碳体称为二次渗碳体 (Fe3CII)。 PQ线是碳在铁素体中的固溶线。在727℃时F中溶碳量最大 可达0.0218%，室温时仅为0.0008%，因此，含碳量大于 0.0008%的铁碳合金自727℃冷却至室温的过程中，将从F中析 出Fe3C，析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳 体数量极少，对钢铁性能的影响可以忽略不计。为了初学者方 便，可将铁碳相图的左下角简化。
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。它是奥氏体和渗碳体的 机械混合物，由于其中的奥氏体属高温组织，这时称高温莱氏 体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷却到727℃以下时，将转变 为珠光体和渗碳体的机械混合物(P+Fe3C)，称低温莱氏体，用 符号Ld′表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
第3章 铁碳合金相图 (4) 渗碳体相。渗碳体是Fe与C形成的一种具有复杂结构的 间隙化合物，含碳量为6.69%，通常称为渗碳体，用Fe3C(或Cm) 表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。它的硬度极高，可以 刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。 渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件呈条状、网状、片 状、粒状等不同形态，其数量、形态和分布对铁碳合金的力学 性能有很大影响。
第3章 铁碳合金相图 ECF水平线为共晶反应线，C点为共晶点。合金在平衡结晶 过程中冷却到1148℃时，C点成分的液相发生共晶反应，生成E 点成分的奥氏体和Fe3C。共晶反应在恒温下进行，共晶转变的 表达式如下：
LC 1148CC →(A E + F3C)
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物，称莱氏 体，以符号Ld表示。含碳量在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。
第3章 铁碳合金相图 3.2.2 典型合金结晶过程分析 1．铁碳合金的分类 ． 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： (1) 工业纯铁(wC≤0.0218%)。 (2) 钢(0.0218%＜wC≤2.11%)。钢分为亚共析钢(0.0218%＜ wC＜0.77%)、共析钢(wC=0.77%)和过共析钢(0.77%＜wC≤2.11% ＝。 (3) 白口铸铁(2.11%＜wC＜6.69%)。白口铸铁分为亚共晶白 口铸铁(2.11%＜wC＜4.3%)、共晶白口铸铁(wC=4.3%)和过共晶白 口铸铁(4.3%＜wC＜6.69%)。
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图3-7 亚共析钢显微组
第3章 铁碳合金相图 3) 过共析钢的结晶过程 过共析钢的冷却过程如图3-4中的合金Ⅲ线所示，以含碳量 为1.2%的铁碳合金为例，其结晶过程如图3-8所示。
图3-8 过共析钢的结晶过程示意图
第3章 铁碳合金相图 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不变，从3点起由A中析出Fe3CII，Fe3CII呈网状分 布在A晶界上。至4点时A的含碳量降为0.77%，发生共析反应 转变为P，而Fe3CII不变化。在4～5点间冷却时组织不发生转变， 即 L—→L＋A—→A—→A＋Fe3CII—→P＋Fe3CII(网状) 因此室温平衡组织为P＋Fe3CII。其显微组织如图3-9所示。 Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。
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图3-2 珠光体的显微组织
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3.2 铁碳合金相图分析
铁碳合金相图是以温度为纵坐标、含碳量为横坐标绘制的 图形，如图3-3所示(这里将左上角进行了简化)。它是研究钢和 铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工工艺的制定也具 有重要的指导意义。由于含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极 大，没有使用价值，因而有实用意义并被深入研究的只是FeFe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和 Fe3C。
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图3-1 纯铁的冷却曲线
第3章 铁碳合金相图 纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结 晶的一般规律：有一定的平衡转变温度(相变点)；转变时需要 过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。 但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比在液态下困难得 多，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变 时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。例如，γ-Fe转 变为α-Fe时，它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件 变形和开裂。 纯铁的磁性转变温度为770℃。磁性转变不是相变，晶格 不发生转变。
第3章 铁碳合金相图 图3-1所示为纯铁的冷却曲线。液态纯铁在1538℃进行结 晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe。继续冷却到1394℃时发生 同素异构转变，成为面心立方晶格的γ-Fe。再冷却到912℃时 又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的α-Fe。正因为 纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组 织和性能成为可能。
第3章 铁碳合金相图 表3-1 铁碳合金相图各特性点的说明
符号 A C D E F G P S 温度/℃ 1538 1148 1227 1148 1148 912 727 727 含碳量/% 0 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.0218 0.77 含 义
纯铁的熔点 共晶点 LC? ? (AE+Fe3C) Fe3C 的熔点 碳在 γ-Fe 中的最大溶解度 共晶生成 Fe3C 的成分 α-Fe? ? γ-Fe 同素异构转变点 碳在 α-Fe 中的最大溶解度 共析点 AS? ? (F P+Fe3C)
第 铁碳合金相图 (2) 相图中的特性线。相图中各条线都表示铁碳合金发生组 织转变的界限，这些线就是组织转变线，又称作特性线。下面 简单介绍一下主要特性线的含义。 ACD线为液相线。此线以上的区域是液相区，液态合金冷 却到此线温度时，便开始结晶。 AECF线为固相线。表示合金冷却到此线温度时将全部结晶 成固态。 液相线和固相线之间所构成的两个区域，是由液态合金和 结晶体组成的两相区。不过，这两个区所包含的结晶体不同， 液态合金沿AC线结晶出来的是奥氏体，而沿CD线结晶出来的是 渗碳体。由液态合金直接析出的渗碳体称为一次渗碳体(Fe3CI)。
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图3-3 Fe-Fe3C相图
第3章 铁碳合金相图 3.2.1 图形分析 铁碳合金相图中有四个基本相，即液相(L)、奥氏体(A)、 铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)。它们各有其相应的单项区。 (1) 相图中的特性点。在铁碳合金相图中，用字母标出的 点都有其特定的意义，称作特性点。主要特性点的温度、含碳 量及含义见表3-1。
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，以符号P表示。含碳量为0.0218%～6.69%的铁碳合金，在平 衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。 GS线是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的临界温度 线，通常称A3线。奥氏体之所以转变成铁素体是γ-Fe→α-Fe同素 异晶转变的结果。
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图3-9 过共析钢的显微组织
第3章 铁碳合金相图 3．白口铸铁(2.11%＜wC＜6.69%)的结晶过程 ．白口铸铁 ＜ 的结晶过程 1) 亚共晶白口铁(以合金Ⅴ为例) 合金Ⅴ冷却到1点(在AC线上)，从液态中先结晶出奥氏体A， 温度下降到2点(共晶线上)时，剩余液相转变为高温莱氏体(Ld)， 先结晶的A在温度继续下降时转变为P＋Fe3CII，而莱氏体也转变 为低温莱氏体(Ld′)，即 L—→L＋A—→A＋Ld—→P＋Fe3CII＋Ld′ 因此，亚共晶白口铁室温组织P＋Fe3CII＋Ld′，如图3-10(a) 所示。
第3章 铁碳合金相图 2．钢的结晶过程分析 ．
图3-4 典型铁碳合金的结晶过程分析
第3章 铁碳合金相图 1) 共析钢的结晶过程 共析钢的冷却过程如图3-4中的合金Ⅰ线所示，含碳量为 0.77%，其结晶过程如图3-5所示。