(材料科学基础)FH6-3-6节Fe－C相图.ppt

0 绪论,第1章 原子结构与结合键 Atomic Structure and binding bond 第2章 晶体学基础 Basis of Crystallography 第3章 晶体结构 Crystal Structure 第4章 晶体缺陷 Crystal defects 第5章 非晶体与准晶结构 Amorphous and Quasicrystal Structure 第6章 相图 Phase Diagram 第7章 固体扩散 Solid Diffusion 第8章 凝固与结晶 Solidification and Crystallization 第9章 烧结与聚合 Sintering and Polymerization 第10章 固态 相变 Solid Phase Transformation,材料科学与工艺 的基础理论,第6章 相图 Phase Diagram,6.1 相图的基本知识 相与组织、 相图与相律 6.2 单元相图 (Unit phase diagram) 6.2.1 纯铁相图 6.2.2 SiO2相图 6.2.3 聚合物相图 6.3 二元相图 （Binary diagram） 6.3.1 匀晶相图与杠杆定律 6.3.2 二元共晶相图与共析相图 6.3.3 包晶相图与包析相图 6.3.4 其他类型二元相图 6.3.5 二元相图的几何规律及分析方法 6.3.6 铁碳相图 6.3.7 无机材料专业相图,6.4 三元相图 (Ternary diagram) 6.4.1 等边三角形的成分表示法 6.4.2 三元相图中的基本法则 6.4.3 三元匀晶相图 6.4.4 固态互不溶解的三元共晶相图 6.4.5 三元相图的几何规律及分析 6.4.6 典型的三元相图 6.5 相图热力学,第6章 相图,6.3 二元相图 6.3.1 匀晶相图与杠杆定律 6.3.2 二元共晶相图与共析相图 6.3.3 包晶相图与包析相图 6.3.4 其他类型二元相图 6.3.5 二元相图的几何规律及分析方法 6.3.6 铁碳相图 6.3.7 无机材料专业相图,相图的测定： 二元相图：4000个（81%）（4950）； 三元相图：8000(5%)（161700）。

四元相图：1000（0.1%）（3921225） 问题：成分难控制，高熔点，难以达到相平衡 测定不准确需校准6.3.6 铁碳相图 (Iron-carbon phase diagram),钢铁材料都是铁碳合金， 使用最广泛的材料铁碳平衡相图的发展： （ iron-carbon equilibrium diagram ）,1868 年，俄国学者切尔诺夫（Чернов）----- 把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念 1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond） 热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，沿用奥斯蒙以法文标志临界点 A (驻点Arrestation) 代表转变点, 下标c (加热chauffage) r (冷却refroidissement) 分别代表升温及降 温的转变点 α、β、γ也是延用Osmond 的符号 确立铁的同素异构理论 1899年英国人罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；1897年完成初稿 ， 1899年彻底完成 洛兹本 (H.W.Bakhius Roozeboom)首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律修订铁碳相图 ,1900年制定出较完整的铁碳平衡图。

相图的出现,是金属学发展的一个里程碑 平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的如何画？？,6.3.6 铁碳相图,C 的存在形式： (1)渗碳体Fe3C (2)石墨(C,G)实际使用合金 含碳量不超过5%; Fe-Fe3C相图 Fe-C(G)相图的形式：,一、铁碳合金的组元和基本相,1、纯铁,同素异晶转变,,铁素体(F或α)晶胞示意图 奥氏体(A或γ)晶胞示意图,铁碳合金中的基本相：,(1)α相： C溶于α-Fe的间隙固溶体，bcc； 仅由α相形成的组织-----铁素体 F (Ferrite) 拉丁文的铁Ferrum.,(2)γ相： C溶于γ-Fe的间隙固溶体， fcc； 仅由γ相形成的组织---奥氏体A (Austenite) 英国 Roberts-Austen (1843-1902),(3)δ相：bcc，高温铁素体罗伯茨-奥斯汀爵士 Roberts-Austen (1843～1902),英国冶金学家 18岁进入皇家矿业学院，后在造币厂从事金、银和合金成分的研究，铸币权威 用量热计法测定银铜合金的凝固点，并首先用冰点曲线表示其实验成果。

1876年与J.洛基尔一起用光谱仪作定量分析，以辅助传统的试金法 1885年开始研究钢的强化，研究少量杂质对金的拉伸强度的影响奥斯汀采用Pt/（Pt-Rh）热电偶高温计，得以测定了高熔点物质的冷却速度，创立共晶理论用显微镜照相研究金属的金相形貌 为纪念他，把γ-铁及其固溶体的金相组织命名为奥氏体铁素体F与奥氏体 A的性能特点：,铁素体(F或α)： F的溶碳能力比A小得多 F性能与纯铁基本相同 强度低，塑性好奥氏体(A或γ)： A的溶碳能力大； A塑性很好，易于塑性变形， A是顺磁性郭可信院士(1923-2006 ) “金相学史话”共六篇,1 金相学的兴起 2 β-Fe 的论战 3 Fe-C 平衡图 4 合金钢的早期发展史 5 X射线金相学 6 电子显微镜在材料 科学中的应用 《材料科学与工程》2000-2002年,郭可信（1923-2006）,中科院院士、物理冶金和晶体学家 中国科学院北京电子显微镜开放实验室主任、研究员 浙江大学化学工程系，瑞典皇家工学院 合金钢中碳化物及金属间化合物的X射线及电镜结构研究 1984/85年：发现五重旋转和Ti-V-Ni二十面体准晶， 1987年国家自然科学一等奖； 1987年：首先发现八重旋转对称准晶; 1988年：首先发现稳定的Al-Cu-Co十重旋转对称准晶及一维准晶; 1997-2000年：获得准晶覆盖理论的实验证据。

1)渗碳体 Cementite,Fe3C相：6.69% 组织--渗碳体，Fe3C 或 Cm 发现者称水泥 .,2. 碳,Fe3C熔点1227℃ 硬度高，HB800，塑性接近于0 一定的铁磁性，磁性转变点A0 ：230℃复杂 正交 晶系强度/硬度/塑性/韧性 都极低 耐高温,导电,润滑性; 灰口铸铁的基本组成相2)石墨 (Graphite),石墨： 游离态存在， 100%C， 组织： G (Graphite) （相图----虚线）,二、Fe-Fe3C相图分析,（一）概况 ABCD液相线AHJECF－ 固相线 2条磁性转变线： 770℃：MO虚线, F 磁性转变线（A2） 230℃：Cm渗碳体的磁性转变线 (A0),5个单相区， 7个两相区， 3条水平线1. 五个单相区： 液相区 L ， 高温固溶体 ， 奥氏体  (A)， 铁素体  (F) 渗碳体 Fe3C（Cm ）,2. 七个双相区： L＋  ， ＋  L＋  ，L＋ Fe3C ＋ Fe3C， ＋  ， ＋Fe3C,(1)包晶转变: HJB线: （L＋）→ ,3. 三个三相区：,发生在高温， 在随后的冷却过程中 组织还会变化。

此转变不作讨论 （简化Fe-Fe3C相图）,(2)共晶转变: ECF线:,共晶组织 (＋ Fe3C)为 莱氏体，Ld(Ledeburite),Ld：纪念德国冶金学家 A.莱德堡(Ledebur)而命名 Ld：高硬度，脆性较大3)共析转变： PSK线:（A1温度）,(＋Fe3C)： 两相层片交替分布的共析体组织, 称为珠光体P (Pearlite),2500×,4.三条重要的固溶度曲线,(1) GS线—— 降温时---- 中开始析出  升温时---- 全部溶入  的转变线 记为A3温度A3,(2) SE线—— 碳在中的溶解度曲线 记为Acm温度 低于此温度，奥氏体中将析出Fe3C ， 称为二次渗碳体Fe3CIIAcm,(3) PQ线,C在F中溶解度曲线 727℃时，碳在F中最大解度为0.0218％； F从727℃冷却时会析出极少量的渗碳体， 三次渗碳体Fe3CIII 室温下含0.0008%C相图中各点的参数及含义：,,,,,http://www.crct.polymtl.ca/FACT/documentation/,,,,,三、铁碳合金的平衡结晶过程及组织,（1）工业纯铁(C%0.02%),（3）共析钢(C%≈0.77%),（2）亚共析钢 (C%=0.02～0.77%),（4）过共析钢 (C%=0.77～2.11%),（5）亚共晶白口铁 (C%=2.11～4.3%),（7）过共晶白口铁 (C%=4.3～6.69%),（6）共晶白口铁 (C%=4.3%),（1）工业纯铁 (C%0.02%),组织转变,,工业纯铁结晶过程,工业纯铁的室温组织,含碳量大于Q点(0.0008%)时，α-Fe中析出三次Fe3C； 但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。

通常的组织为单一铁素体 F2）共析钢(C%≈0.77%),相变过程,组织转变过程 L→→L+A→→P,,相: ＋Fe3C： ％=(6.69-0.77)/6.69＝88% Fe3C%= 0.77/6.69=12%,组织：P，100％,相与组织的量：,T8钢退火组织 500× 显微组织：片状珠光体(P),共析钢的室温组织,2500× 片状珠光体(P),材料之美 材料微观世界与自然界,珠光体,梯田,材料之美 材料微观世界与自然之美,珠光体,指纹,珠光体P (Pearlite)的生长及形态：,Microstructure of plain carbon UNS G10800 steel showing colonies of pearlite. 4% picral etch. Original magnification 200×（注：OM）,4% picral （苦味酸酒精溶液）,Microstructure of pearlite colonies in plain carbon UNS G10800 steel taken in the scanning electron microscope. 4% picral etch. Original magnification 2000×（SEM）,4% picral （苦味酸酒精溶液）,Microstructure of pearlite colonies in plain carbon UNS G10800 steel taken in the scanning electron microscope. The plates of cementite are clearly revealed. 4% picral etch. Original magnification 10,000×（注：SEM）,4% picral （苦味酸酒精溶液）,（3）亚共析钢 (C%=0.02～0.77%),组织转变 L→A→F+A→F+P,,相: ＋Fe3C： ％=(6.69-0.4)/6.69＝94% Fe3C%=0.4/6.69=6%,组织： F+P: F％=(0.77-0.4)/(0.77-0.02)=49%, P%=(0.4-0.02 )/(0.77-0.02)=51%,40钢（0.4%C)相与组织的量：,Wc=0.20%,Wc=0.40%,亚共析钢的室温组织,,20钢(0.2%C),40钢(0.4%C。