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什么是铁碳(Fe-Fe3C)相图

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铁碳合金相图是描述在极其缓慢加热或极其缓慢冷却的条件下铁碳合金的不同成分、温度、组织之间的关系图,它的前提是:

①铁与碳的成分组成;

②是在极其缓慢的转变过程组织形成过程;

③Fe3C实际是亚稳相,在一定条件下可以分解为铁固溶体和石墨,所以铁碳相图实际上市含有铁-石墨相图的双重相图;

④大于6.69%的铁碳合金由于脆性极大,没有使用价值,没有列入研究范围。

铁碳相图如下图所示:

Fe-Fe3C相图.png

在热处理过程中,相图中的左上角的ABN的实际运用意义不大,可以不考虑组织。但是GPQ相区有实际意义,不用忽略。

相图中的特性线主要有6条,分别如下。

ACD线:铁碳合金的液相线;

AECF线:铁碳合金的固相线;

GS线:冷却时奥氏体析出铁素体的开始转变线,用A3表示;

ES线:碳在奥氏体中溶解度线,用Acm表示;

ECF水平线:共晶转变线,L4.3→A0.77+Fe3C,转变温度1148℃;

PSK水平线:共析转变线,A0.77→Fe0.0218+Fe3C,用A1表示,转变温度727℃。

相图中的相区(忽略ABN相区)见表1-1,共机12个相区,其中:5个单相区,5个双相区,2个三相区。

表1-1 Fe-Fe3C相图的相区及组成
单相区
两相区
三相区
相区范围
相组成
相区范围
相组成
相区范围
相组成
ACD线以上
L(液态)
ACEA
L+A


AESGA
A(奥氏体)
CDFC
L+Fe3C


GPQG
F(铁素体)
GSPG
A+F
ECF线
L+A+Fe3C
DKF纵轴线
Fe3C(渗碳体)
EGKSE
A+Fe3C
PSK线
A+F+Fe3C
ANGQ纵轴线
纯铁Fe
QPSK线以下
F+Fe3C


  一、铁碳合金中的基本相  铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图,铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变,即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体,Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同,因而两者的溶碳能力也不同。

1,铁素体(ferrite)

  铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格;

  虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.

  铁碳合金中的基本相

  铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低.

  δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.

  铁碳合金中的基本相

  铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围.

  铁碳合金中的基本相

2,奥氏体(Austenite )

  奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格;

  虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.

  铁碳合金中的基本相

  在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.

  另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件.

  铁碳合金中的基本相

  奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在.

  铁碳合金中的基本相

3,渗碳体(Cementite)

  渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃,

  质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.

  铁碳合金中的基本相

  渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响.

  铁碳合金中的基本相

  总结:

  在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的.

  铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为 Fe-Fe3C相图, 此时相图的组元为Fe和Fe3C.

  _由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图.

二、铁碳合金相图分析

  Fe—Fe3C相图看起平比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析.

1.上半部分-------共晶转变

  在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变:

  Lc (AE+Fe3C),

  转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示.

  存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成.

  低温莱氏体是由珠光体,Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨.

2.下半部分-----共析转变

  在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变:

  AS (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体.

  共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不非液体.

3.相图中的一些特征点

  相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义一定要搞清楚.

4. 铁碳相图中的特性线

  相图中的一些线应该掌握的线有:ECF线,PSK线(A1线),GS线(A3线),ES线(ACM线)

  水平线ECF为共晶反应线.

  碳质量分数在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.

5.水平线PSK为共析反应线

  碳质量分数为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A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线.

  ES线是碳在A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%, 因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中, 将从A中析出Fe3C.析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII). Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线.

  PQ线是碳在F中固溶线.在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C.析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII).PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线.Fe3CIII数量极少,往往予以忽略.

三、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响

  1.含碳量对铁碳合金平衡组织的影响

  按杠杆定律计算,可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系

  2.含碳量对机械性能的影响

  渗碳体含量越多,分布越均匀,材料的硬度和强度越高,塑性和韧性越低;但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时,则材料的塑性和韧性大为下降,且强度也随之降低。

  3.含碳量对工艺性能的影响

  对切削加工性来说,一般认为中碳钢的塑性比较适中,硬度在HB200左右,切削加工性能最好。含碳量过高或过低,都会降低其切削加工性能。

  对可锻性而言,低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时,塑性好、强度低,便于塑性变形,所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度,始轧和始锻温度不能过高,以免产生过烧;始轧和温度也不能过低,以免产生裂纹。

  对铸造性来说,铸铁的流动性比钢好,易于铸造,特别是靠近共晶成分的铸铁,其结晶温度低,流动性也好,更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲,凝固温度区间越大,越容易形成分散缩孔和偏析,铸造性能越差。


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