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材料科学基础第四章相平衡与相图(4)


二、Fe-Fe3C相图分析 1.相图中各点、线、区及意义
液相线- ABCD
线
固相线- AHJECF
: 5个单相区:
•ABCD以上-液相区(L) • AHNA- δ 铁素体区 • NJESGN- γ奥氏体区 •GPQ以左- α 铁素体区 •DFK--Fe3C渗碳体区
•七个两相区:
L+δ、 L+γ、 L+Fe3C 、 •δ + γ、 α + γ 、
图2-29 Fe-Fe3C相图
三条重要的特性线
•GS线又称A3 线:冷却时A向F转变的 •开始线或加热时F向A转变终了线;
• A→F 或 F→A • fcc→bcc或bcc →fcc
•GS线是由G点( A3点)演变而来的, •随着含碳量的增加,奥氏体与铁素 •体的同素异晶转变温度逐渐降低, •从而由A3点演变成了A3线。
S点:共析点(0.77%C) PSK:共析反应线(727 ℃ )也称A1线
AS→FP+ Fe3C 即:A0.77→F0.0218+ Fe3C 共析组织:珠光体 ( P )
图2-29 Fe-Fe3C相图
0.09-0.53%C的所有铁碳合金冷 •至此温度都发生包晶转变:
•0.17%C(包晶)合金,反应前δ和L •的数量匹配得当,反应结束时δ和L •同时耗尽,变为单相奥氏体γ 。
α → Fe3CⅢ
最大的 Fe3CⅢ量: •W (Fe3CⅢ)=0.0218-0.008 •/6.69-0.008=0.33%
室温组织F+Fe3CⅢ 组成相为F+Fe3C
F + 少量Fe3CⅢ
Fe3CⅢ在晶界呈薄片状断续分布, 因量少,对性能影响不大,可忽略 不计。
•⑵ 共析钢 合金② •(W(C)=0.77%) 1-2点温度区间:L → γ, 按
• γ + Fe3C 、F + Fe3C
图2-29 Fe-Fe3C相图
•三个重要的点和线
J点:包晶点(0.17%C) HJB:包晶反应线(1495℃)
LB+δH→AJ 即: L0.53+δ0.09→A0.17
•C点:共晶点(4.3%C) •ECF:为共晶反应线(1148 ℃ ) • Lc→AE+Fe3C •即:L4.3→A2.11+Fe3C •共晶组织:莱氏体( Ld )
它在共析铁素体与共析渗碳 体的相界面上形成并与共析 渗碳体连在一起,在显微镜 下难以分辨,其数量很少, 对珠光体组织和性能无明显 影响,一般都忽略不记。
室温组织:P 组成相为:F+Fe3C
F% 6.69 0.77 100% 88% 6.69
Fe3C% 1 88% 12% 珠光体组织中, W( α): W( Fe3C )=8:1,即铁素体的体积应是 渗碳体的8倍。
•⑸ 共晶白口铸铁 W(C) =4.3% •⑹亚共晶白口铸铁 W(C) =2.11%-4.3% •⑺过共晶白口铸铁 W(C) =4.3%-6.69%
•碳钢与白口铸铁的界限是2.11%C: •0.0218% -2.11%不发生共晶转变属于碳钢, •2.11%- 6.69%发生共晶转变属于白口铸铁。
•2.画铁碳相图的步骤:
图2-29 Fe-Fe3C相图
•ES线又称Acm线:C在A中的溶解度变化曲线;当温度低于此线时, •从奥氏体中就要析出二次渗碳体 A→Fe3CⅡ •记作Fe3CⅡ,ES线又称为二次渗碳体的开始析出线。又称Acm线。 •E点(1148 ℃)为γ的最大溶碳量。Fe3CⅡ网状分布在A晶界上。
PQ线:C在F中的溶解线; •在 727 ℃时(P点)溶碳达最大值 •为0.0218%C, 在300 ℃以下,减少 •到0.008%C; •0.0218%C→0.008%C,F→Fe3CⅢ
•6.3个恒温转变反应式: •L+δ→A、 L→A+Fe3C、A→F+Fe3C。
7.3个匀晶转变:L→δ、L→ A、L→Fe3CⅠ 8.2个同素异构转变:δ-Fe→γ-Fe→α-Fe
•9.两个脱溶转变:A→ A+Fe3CⅡ F→F+Fe3CⅢ
几种碳钢的钢号和碳质量分数
类型
亚共析钢
共析钢 过共析钢
钢号
匀晶转变结晶出奥氏体,在2点 结晶完毕,全部转变为奥氏体。
2-3温区: γ冷却过程。 冷却到3点(727℃)时:在恒温下发生共析转变,
γ S→ αp+ Fe3C 形成珠光体,两相一般为层片状分布。
•继续冷却时:珠光体中的 •铁素体的含碳量将沿着PQ •线变化,共析铁素体要析 •出三次渗碳体; •(α → Fe3CⅢ )
•1.纯Fe的转变点:一个熔点和两个同素异 •构转变点。注意温度 •(A—1538℃、N—1394℃、G—912℃)。 •2.画三条水平线。注意由温度确度水平线 •高低位置、由水平线起始点的成分数值确 •定水平线长短位置。
•3.写各点的符号(字母)并连线。分三个 •相图形式连线。 •4.10个成分点。HJB ECF PSK Q •5.6个温度。A N G(熔点和同 •素异构转变温度);HJB 线、PSK线、ECF线。
•这种由铁素体析出的渗碳体称为 •三次渗碳体。 •Fe3CⅢ呈短杆状,量极少,可忽略。
图2-29 Fe-Fe3C相图
•三、铁碳合金及平衡结晶 •1 .铁碳合金 •根据含碳量及组织特征, •铁碳合金可分为7种。
⑴ 工业纯铁
•W(C)<0.0218% •只发生同素异晶转变
碳钢 白口铸铁
•⑵ 共析钢 W(C)=0.77% •⑶ 亚共析钢 W(C)= 0.0218%- 0.77% •⑷ 过共析钢 W(C)=0.77%-2.11%
20 45 60
T8 T10 T12
碳质量分 数/%
0.20
0.45
Байду номын сангаас0.60
0.80
1.00 1.20
⑴ 工业纯铁 合金Ⅰ
1-2 温度区间: L → δ 按匀晶转变结晶出固溶体。
2-3温度区间: δ相冷却过程。 冷至3点: δ → γ,发生δ固溶 体同素异晶转变,奥氏体优先在δ 相的晶界上形核并长大,这一转变 在4点结束,合金全部为奥氏体。
δ铁素体:
称高温铁素体,碳溶于δ- Fe中的间隙
固溶体,体心立方晶格(bcc) ,用符号 δ表示。
三种固溶体的溶碳能力:
铁素体:
最大溶碳量(727℃)为0.0218%,室温 下为0.008%。
奥氏体:
奥氏体的最大溶碳量(1148 ℃)为 •2.11%,随着温度降低,其溶解度也减 •小,在727℃时,为0.77%C。
2.渗碳体 Fe3C相
3.石墨 C或G
是铁与碳形成的间隙化合物,含碳量为6.69%, 可用符号Cm表示,熔点为1227 ℃,晶格类型 是正交晶系,硬度很高HB=800,延伸率近另。 230 ℃(A0)为居里点,230 ℃以下具有一定 的铁磁性。
•渗碳体是一种亚稳定相。在一定条件 •下会发生分解,转化为石墨 • Fe3C-3Fe+C(石墨) •石墨含有100%的碳,具有六方晶格, •是灰口铸铁中的一个基本组成相。 •硬度HB3-5,塑性几乎为另,可用符 •号C或G表示。
γ S→ αp+ F3C
5点以下:先共析α和 P中的共析铁素 体析出Fe3CⅢ,因数量很少忽略不记。
室温组织F+P 组成相为F+Fe3C
含碳量越高珠光体量越 多,先共析铁素体量越少。
( 见图5-43a、b、c)
计算W(C)=0.40%碳钢 室温下组织组成物和相组 成物的相对量:
•组织组成物含量为: •W(F)=0.77-0.40/0.77-0.0218 •=49.5% •W(p)=1-49.5%=50.5%
渗碳体是一个稳定的化合物,将其 •作为一个组元与铁构成Fe-Fe3C 相 •图。由于钢的含碳量最多不超过 •2.11%,铸铁中含碳量最多不超过 •5%,所以研究铁碳合金,只需研 •究Fe-Fe3C部分即可。
为全面反映铁碳合金的组织状态, 将 Fe-Fe3C和Fe-C综合在一起, 绘成双重相图,如图5-37所示。
4-5温区:γ相冷却过程。 冷却到5点:γ → α 发生γ固溶体的同素异晶转变, 同样铁素体也是在奥氏体晶 界形核,并长大。
•温度降到6点: •奥氏体全部转变为α铁 •素体。
6-7温区: α相冷却。 冷至7点时:碳在铁素体中的溶解度达 到饱和,当温度降至7 点以下时,从 铁素体中将析出三次渗碳体
图中实线部分为Fe-Fe3C相图,虚线表示Fe-C相图 (虚线与实线重合的部分以实线表示)。 相图中包括包晶相图、共晶相图、共析相图组成。
一、铁碳合金的组元及基本相
• 1.纯铁 • 铁是过渡族元素,熔点为1538℃。在固态下铁可以
发生两种同素异晶转变,具有两种同素异晶状态。
•将δ-Fe →γ -Fe 的转变温度称为A4点, •γ -Fe → α -Fe的转变温度称为A3点。 •同素异晶转变与液态结晶一样,也是一种相变过程。为了区别于 •液态结晶,通常将固态下的相变过程称为重结晶。
δ铁素体:
•δ铁素体的最大溶碳量(1495 ℃)为 •0.09%。
•奥氏体的溶碳能力大于铁素体的原因: •奥氏体晶体间隙大,面心立方晶格(γ-Fe)八面体半径为 •0.0535nm(950 ℃);体心立方晶格( α-Fe)八面体半径 •为0.0186nm(20 ℃),碳的原子半径为0.077nm 。
铁素体的性能 奥氏体的性能
力学性能以及物理、化学性能 与纯铁极相近,塑性、韧性很 好(δ=30%~50%),强度、 硬度很低(σb=180~280Mpa)。 居里点也是770℃。
强度、硬度低,塑性、韧性高。 在铁碳合金平衡状态时,奥氏 体为高温下存在的基本相,也 是绝大多数钢种进行锻压、轧 制等加工变形所要求的组织。
(3)亚共析钢 合金③
W(C)=0.40% 1-2温度区间: L → δ按匀晶 转变结晶出δ固溶体。
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