铁碳相图Word下载.docx
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二是以间隙固溶体形式存在。
二、铁碳合金中的基本相
相:
指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。
铁碳合金系统中,铁和碳相互作用形成的相有两种:
固溶体和金属化合物。
固溶体是铁素体和奥氏体;
金属化合物是渗碳体。
这也是碳在合金中的两种存在形式。
1.铁素体
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体,用α或者F表示,为体心立方晶格结构。
塑性好,强度硬度低。
2.奥氏体
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体,用γ或者A表示,为面心立方晶格结构。
塑性好,强度硬度略高于铁素体,无磁性。
3.渗碳体Fe3C:
晶体结构复杂,含碳量6.69%,熔点高,硬而脆,几乎没有塑性。
渗碳体对合金性能的影响:
(1)渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性,使合金的塑性和韧性降低。
(2)对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关:
以层片状或粒状均匀分布在组织中,能提高合金的强度;
以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时,急剧降低合金的强度、塑性韧性。
二、两相机械混合物
珠光体:
铁素体与渗碳体的两相混合物,强度、硬度及塑性适中。
莱氏体:
奥氏体与渗碳体的混合物;
室温下为珠光体与渗碳体的混合物,又硬又脆。
铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织,是铁碳合金中的组织组成物。
组织组成物:
指构成显微组织的独立部分,可以是单相,也可以是两相或多相混合物。
显微组织:
指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌,包括相和晶粒的形态、大小、分布等。
第二节铁碳合金相图
一、相图中的点(14个)
1.组元的熔点:
A(0,1538)铁的熔点;
D(6.69,1227)Fe3C的熔点
2.同素异构转变点:
N(0,1394)δ-Feγ-Fe;
G(0,912)γ-Feα-Fe
3.碳在铁中最大溶解度点:
P(0.0218,727),碳在α-Fe中的最大溶解度
E(2.11,1148),碳在γ-Fe中的最大溶解度
H(0.09,1495),碳在δ-Fe中的最大溶解度
Q(0.0008,RT),室温下碳在α-Fe中的溶解度
2.三相共存点:
S(共析点,0.77,727),(A+F+Fe3C)
C(共晶点,4.3,1148),(A+L+Fe3C)
J(包晶点,0.17,1495)(+A+L)
3.其它点
∙B(0.53,1495),发生包晶反应时液相的成分
∙F(6.69,1148),渗碳体
∙K(6.69,727),渗碳体
二、相图中的线
1.液相线(ABCD):
结晶时液相的成分,在其上体系为液相;
2.固相线(AHJECF):
结晶时固相的成分,其下为固相。
3.恒温转变的线:
HJB包晶线、ECF共晶线、PSK共析线。
PSK线,共析线。
在此线上的合金都要发生共析反应。
冷却时,奥氏体转变为珠光体的温度;
加热时,珠光体转变为奥氏体的温度;
PSK线又称A1线。
4.固溶度线
ES线:
碳在奥氏体中的溶解度线,随温度温度,溶解度;
0.77%~2.11%C。
冷却时,从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度;
加热时,二次渗碳体完全溶入奥氏体中的温度。
ES线又叫作Acm线。
PQ线:
碳在铁素体中的溶解度;
随温度,最大溶解度;
0.0008%~0.0218%C;
冷却时,从铁素体中开始析出三次渗碳体的温度;
加热时,三次渗碳体完全溶入铁素体的温度。
5.同素异构转变线:
NH和NJ,GS和GP。
GS线:
冷却时,由奥氏体向铁素体转变的开始温度;
加热时,铁素体完全转变为奥氏体的温度,GS线又叫作A3线。
三、相图中的相区
1.单相区(4个+1个):
L、δ、A、F、(+Fe3C)
2.两相区(7个):
L+δ、L+Fe3C、L+A、δ+A、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C。
四、基本转变类型
1.匀晶反应
Lδ:
由液相中直接结晶出δ相。
合金的成分线与AB线相交,Wc:
0~0.53%。
LA:
由液相中直接结晶出A相。
合金的成分线与BC线相交,Wc:
0.53%~4.3%。
LFe3C:
由液相中直接结晶出Fe3C相。
合金的成分线与CD线相交,Wc:
4.3%~6.69%
2.包晶反应
含义:
具有J点成分的铁碳合金冷却至14950C,液相和δ相在转生变过程中恰好全部消耗完,成了单一的J点成分的A相。
•包晶点:
J(0.17,1495)
•产物:
单相奥氏体(A)
•发生包晶反应的合金成分:
0.09%--0.53%C。
即合金的成分线与HJB线相交。
3.共晶反应
由C点成分的液相在11480C下,同时生成具有E点成分的A相和Fe3C。
•发生共晶反应的成分范围:
2.11%—6.69%C,合金成分线与ECF线相交)。
•产物:
A和Fe3C的两相混合物,称为莱氏体,用Ld表示,其组织形态是以Fe3C为基体,A呈粒状或杆状分布在Fe3C基体上。
•共晶点:
C(4.3,1148)
4.共析反应
As
0.77
•含义:
在7270C下,由S点成分的A相同时生成P点成分的F相和Fe3C相
•合金范围:
0.0218~6.69%C,合金成分线与PSK线相交。
F和Fe3C的两相混合物,称为珠光体,用P表示,形态呈层片状。
•共析点:
S(0.77,727),具有S点成分的A相冷却至7270C时,发生共析转变,生成珠光体。
五种渗碳体的异同(Fe3CI、Fe3CⅡ、Fe3CIⅡ、共晶Fe3C、共析Fe3C):
它们只是形成条件、形态与分布不同,对铁碳合金性能有所不同,就其本身来说,并无本质区别,都是同一种物质,即Fe3C,6.69%C。
五、铁碳合金分类
工业纯铁、钢(亚共析、共析、过共析钢)、铸铁(亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁)
六、典型铁碳合金的结晶过程分析
分析方法和步骤:
•在相图的横坐标上找出给定的成分点,过该点作成分线;
•在成分线与相图的各条线的交点作标记(一般用1、2、3、4…….)
•写出每两个点之间或者重要点上发生的转变(由液相分析至室温)。
•室温下该成分线所在的相区,合金室温下就具有那个相;
组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。
1.Wc=0.77%的铁碳合金结晶过程分析
合金在1点温度以上为液相L;
在1~2温度之间,发生匀晶反应,从液相中析出奥氏体相;
在2~3点温度之间,为单相奥氏体,只有温度的降低;
在3点(S点)时到达共析温度(7270C,奥氏体发生共析反应,生成珠光体组织;
3点以下直到室温,合金温度降低,为珠光体组织。
所以,Wc=0.77%的铁碳合金
•室温下的相:
F+Fe3C
•组织组成物:
P(珠光体)(100%)
•组织形貌:
F和Fe3C层片状混合物
2.Wc=0.4%的铁碳合金结晶过程分析
在1~2点温度之间,发生匀晶转变,从液相中结晶出δ铁素体相;
在2点1495℃,液相L与δ相发生包晶反应,生成奥氏体A,液相有剩余;
在2~3点温度之间,剩余的液相向A相转变;
在3~4点温度之间,为单相奥氏体,合金温度降低;
在4~5点温度之间,同素异构转变,A向F(先共析铁素体)转变,为(F+A)两相;
在5点727℃,未转变成F的A发生共析反应,生成珠光体(P)组织;
从5点直到室温,组织为(F+P),合金温度降低,没有组织转变。
F和P
块状F和片状P
3.过共析钢(1.2%C)
合金在BC线温度以上为液相L;
在BC线~JE线温度之间,发生匀晶反应,从液相中析出奥氏体相;
在JE线~ES线温度之间,为单相奥氏体,合金温度降低;
在ES线~PSK线温度之间,从奥氏体中析出二次渗碳体相(先共析渗碳体),合金为A+Fe3CⅡ两相;
在PSK线上727℃时,未转变的奥氏体发生共析反应,转变为珠光体组织;
从727℃直到室温,合金温度降低,没有发生组织转变。
室温下的相:
室温组织:
珠光体+二次渗碳体。
组织形态:
片状P和二次渗碳体呈网状分布在A晶界。
在过共析钢中,当碳含量小于0.9%时,二次渗碳体呈片状分布在A晶界;
当碳含量大于0.9%时,二次渗碳体成为网状沿晶界分布。
室温下组织组成物的质量百分数的计算:
4.白口铸铁的平衡结晶过程(略)
七.Fe-Fe3C相图的应用
(一)、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
1.含碳量对合金平衡组织的影响
Fe3C的形态:
2.含碳量对力学性能的影响
铁素体(F):
软而韧,硬度极低;
渗碳体(Fe3C):
硬而脆。
所以,
(1)含碳量增加,硬度增加;
塑性韧性降低。
(2)含碳量增加,强度先增后降(0.9%最高):
当碳含量在小于0.9%时,渗碳体含量越多,分布越均匀,铁碳合金强度越高;
当碳含量超过0.9%时,渗碳体在钢的组织中呈网状分布在晶界,而在白口铸铁的组织中作为基体存在,使强度降低。
3.含碳量对工艺性能的影响
切削加工性能:
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。
可锻性:
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单相奥氏体状态下进行。
铸造工艺性能:
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。
从相图的角度来看,凝固温度区间越大,越容易形成分散缩孔和偏析,铸造工艺性能越差。
可焊性:
一般,含碳量越低,钢的焊接性能越好,所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。
(二)、Fe—Fe3C相图的应用
1.为制定热加工工艺提供依据。
(1)制定热处理工艺的依据
(2)为制定热加工工艺提供依据,包括铸造、锻造、焊接、热处理。
铸造方面铸造合金成分的确定和浇注温度的确定。
锻造方面确定始锻温度和终锻温度。
焊接方面分析热影响区的组织。
热处理方面确定热处理加热的温度。
2.为选材提供成分依据。
工业纯铁:
室温下退火态的组织由等轴晶粒组成;
强度低,塑性、韧性好;
作为功能材料使用,如变压器的铁芯等。
含碳量在0.15-0.25%的亚共析钢:
属低碳钢,为工程结构用钢。
这类钢主要用于房屋,桥梁、船舶、车辆、矿井或油井井架等大型工程结构件,一般不进行热处理,直接在热轧或正火状态下使用。
含碳量在0.30-0.50%的亚共析钢,属中碳钢,为机械结构用钢。
主要用于制造各种机械零部件,如轴类、齿轮等。
它要求有较高的强度,塑性、韧性和疲劳强度等综合力学性能。
这类钢通常在淬火、高温回火状态下使用,常称之为调质钢。
含碳量在0.6~0.7