铁碳相图详解.doc

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴ 工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用⑵ 碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）⑶ 白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是锻造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠ 工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程 合金液体在1~2点之间通过匀晶反映转变为δ铁素体继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变温度减少到3点后来，开始从d铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，达到4点后来，d铁素体所有转变为奥氏体在4~5点之间，不发生组织转变冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体所有转变为铁素体。

在6-7点之间冷却，不发生组织转变温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe3CIII7点如下，随温度下降，Fe3CIII量不断增长，室温下Fe3CIII的最大量为：图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图工业纯铁的室温组织为a+Fe3CIII，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3CIII 图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400×㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29合金液体在1 ~ 2 点间通过匀晶反映转变为奥氏体在2 ~ 3点之间,不发生组织转变达到3点后来，发生共析转变：g077 ® a00218 +Fe3C，由奥氏体相似时析出铁素体和渗碳体反映结束后，奥氏体所有转变为珠光体继续冷却会从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体，但是它们往往依附在共析渗碳体上，难于辨别共析钢的室温组织为100%的珠光体，如图3-30所示由图3-30可以看出，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈指纹状，其中白色的基底为铁素体，黑色的层片为渗碳体。

室温下珠光体中两相的相对重量比例为： 图3-29 共析钢的冷却曲线及组织转变示意图 图3-30 珠光体组织 400×㈢ 亚共析钢（图3-27中合金③）的结晶过程含碳量在0.09%~0.53%之间的亚共析钢结晶时将发生包晶反映现以含0.45%C的钢为例分析亚共析钢的结晶过程，其冷却曲线及组织转变示于图3-31该合金从液态缓慢冷却到1点后，发生匀晶反映,开始析出d铁素体达到2点温度时，匀晶反映停止，开始发生包晶转变：L0.53 + d0.09 ® g0.17包晶转变结束后，除了新形成的奥氏体外，液相尚有剩余温度继续下降，在2-3点之间，剩余的液相通过匀晶反映所有转变为奥氏体在3-4点之间，不发生组织变化冷却到4点，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的减少，铁素体数量增多温度降到5点，奥氏体的成分沿GS线变化到S点，此时，奥氏体向铁素体的转变结束，剩余的奥氏体发生共析反映：g0.77 ® a0.0218 + Fe3C，转变为珠光体温度继续下降，从铁素体中析出三次渗碳体，但是由于其数量很少，因此可忽视不计亚共析钢的室温组织为珠光体+铁素体，如图3-32所示，图中的白色组织为先共析铁素体，黑色组织为珠光体。

图3-31 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图(a) 0.20%C (a) 0.45%C图3-32 亚共析钢的显微组织 400× 室温下，含0.45%C亚共析钢中先共析铁素体和珠光体两个组织构成物的相对重量比例为：而铁素体和渗碳体两相的相对重量比例为：在0.0218%~0.77%C范畴内珠光体的相对重量随含碳量的增长而增长由于室温下铁素体中含碳量极低，珠光体与铁素体密度相近，因此在忽视铁素体中含碳量的状况下，可以运用平衡组织中珠光体所占的面积比例，近似地估算亚共析钢的含碳量：式中，，为珠光体的面积比例㈣ 过共析钢（图3-26中合金④）的结晶过程过共析钢的结晶过程及组织转变示于图3-33合金液体在1~2点间发生匀晶转变，所有转变为奥氏体冷却到3点后，开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，并在晶界上呈网状分布在3~4点之间，二次渗碳体量不断增多温度降到4点，二次渗碳体析出停止，奥氏体成分沿ES线变化到S点，剩余的奥氏体发生共析反映：g0.77 ® a0.0218 + Fe3C，转变为珠光体继续冷却，二次渗碳体不再发生变化，珠光体的变化同共析钢。

过共析钢的室温组织为珠光体 +网状二次渗碳体，如图3–34所示，图中的白色网状的是二次渗碳体，黑色为珠光体室温下，含1.2%C过共析钢中二次渗碳体和珠光体两个组织构成物的相对重量比例为：过共析钢中Fe3C Ⅱ的量随含碳量增长而增长，当含碳量达到2.11%时，Fe3C Ⅱ量最大：图3-33 过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图(a) 硝酸酒精浸蚀 (b) 苦味酸钠浸蚀图3-34 过共析钢的显微组织 400×㈤ 共晶白口铸铁（图3-26中合金⑤）的结晶过程共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，其结晶过程如图3-35所示该合金液态冷却到1点即1148°C时，发生共晶反映：L43 ® g211 + Fe3C，所有转变为莱氏体（Le），莱氏体是共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合物，呈蜂窝状此时：，温度继续下降，共晶奥氏体成分沿ES线变化，同步析出二次渗碳体，由于二次渗碳体与共晶渗碳体 结合在一起而不易辨别，因而莱氏体仍作为一种组织看待温度降到2点，奥氏体成分达到0.77%，并发生共析反映，转变为珠光体这种由珠光体与共晶渗碳体构成的组织称为低温莱氏体，用符号Le’表达，此时，，。

温度继续下降，莱氏体中珠光体的变化与共析钢的相似，珠光体与渗碳体的相对重量不再发生变化共晶白口铸铁的室温组织为Le’（P+ Fe3C），它保存了共晶转变产物的形态特性，如图3-36所示，图中黑色蜂窝状为珠光体，白色基体为共晶渗碳体室温下两相的相对重量比例为：， 图3-35 共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-36 共晶白口铸铁的显微组织 400×㈥ 亚共晶白口铸铁（图3-26中合金⑥）的结晶过程以含3.0%C的亚共晶白口铸铁为例进行分析，图3-37为其冷却曲线及组织转变示意图当合金液体冷却到1点温度时，发生匀晶反映，结晶出奥氏体，称为一次奥氏体或先共晶奥氏体在1~2点之间，奥氏体量不断增多并呈树枝状长大冷却到2点后来，剩余液相的成分沿BC线变化到C点，并发生共晶转变，转变为莱氏体继续降温，将从一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体由于一次奥氏体粗大，沿其周边析出的二次渗碳体被共晶奥氏体烘托出来而共晶奥氏体析出二次渗碳体的过程，与共晶白口铸铁相似温度降到3点，奥氏体成分沿GS线变到S点，并发生共析反映，转变为珠光体其室温组织为P+ Fe3C Ⅱ+Le’，如图3-38所示，图中树枝状的黑色粗块为珠光体，其周边被莱氏体中珠光体烘托出的白圈为二次渗碳体，其他为低温莱氏体。

室温下，含3.0%C白口铸铁中三种组织构成物的相对重量比例为：，，而该合金在结晶过程中所析出的所有二次渗碳体（涉及一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体）的总量为： 图3-37 亚共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-38 亚共晶白口铸铁的显微组织 400×㈦ 过共晶白口铸铁（图3-26中合金⑦）的结晶过程过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示于图3-39合金液体在1--2点间发生匀晶反映，结晶出一次渗碳体Fe3CⅠ一次渗碳体呈粗条片状冷却到2点，余下的液相成分沿DC线变化到C点，并发生共晶反映，转变为莱氏体继续冷却，一次渗碳体成分重量不再发生变化，而莱氏体的变化同共晶合金过共晶白口铸铁的室温组织为Fe3CⅠ+Le’，如图3-40所示，图中粗大的白色条片为一次渗碳体，其他为低温莱氏体 图3-39 过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-40 过共晶白口铸铁的显微组织 400×㈧ 组织构成物在铁碳合金相图上的标注根据以上对铁碳合金相图的分析，可将组织构成物标注在铁碳合金相图中，如图3-41所示。

组织构成物的标注与相构成物的标注的重要区别在g+Fe3C和a+Fe3C两个相区，g+ Fe3C相区中有四个组织构成物区，a+ Fe3C相区中有七个组织构成物区用组织构成物标注的相图直观地反映了各合金在不同温度下的组织状态图3-41 以组织构成物标注的铁碳合金相图铁碳合金相图从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基本，也是制定多种热加工工艺的根据目 录1铁碳合金中的基本相1 1.1 1,铁素体(ferrite)1 1.2 2,奥氏体(Austenite )1 1.3 3,渗碳体(Cementite)2铁碳合金相图分析1 2.1 上半部分-------共晶转变1 2.2 下半部分-----共析转变1 2.3 相图中的某些特性点1 2.4 铁碳相图中的特性线1 2.5 相图中的相区3含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1铁碳合金中的基本相铁碳合金相图事实上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应当是纯铁和Fe3C铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的构造不同构造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)表达,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,因此它的溶碳量很小,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.δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.铁素体的显微组织与纯铁相似,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边.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)表达,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,因此它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.在一般状况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范畴为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,一般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。