铁碳相图及其合金
49页1、电厂金属材料 铁碳相图及其合金 DateDate 1 1 电厂金属材料 第一节 铁碳合金的相结构 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的-Fe,随后又有两次 同素异构转变,即面心立方格的-Fe和体心立方格的-Fe 。 碳溶入-Fe和-Fe铁中所形成的固溶体为铁素体和奥氏体 。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时,则会出现金属化 合物相Fe3C,称做渗碳体。 碳原子溶入-fe 中所形成的固溶体称做高温铁素体。它在 1400以上的高温出现,对工程上应用的铁碳合金的组织和 性能没有什么影响,故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳 合金的基本组成相是铁素体,奥氏体和渗碳体。 DateDate 2 2 电厂金属材料 一、铁素体 碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体,称做铁素体。由于体心立方格的 -Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm,而碳原子半径为0.077nm,所以铁 素体对碳的溶解度很小。在727时最大固溶度为0.02%,而在室温时固溶 度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近,其数值如下: 抗拉强度Rm 250Mpa, 屈服强度RE 140Mpa 断后延伸率A11.3 40%-50% 冲击韧性K 2
2、00 J/cm2 布氏硬度HBS 80 由此可见,铁素体有优良的塑 性和韧性,但强度,硬度较低 ,在铁碳合金中是软韧相。铁 素体是912以下的平衡相, 也称做常温相,在铁碳相图中 用符号F表示。 DateDate 3 3 电厂金属材料 二、奥氏体 碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体,称做奥氏体。具 有面心立方格的-Fe的间隙半径为0.052nm,比-Fe的 间隙稍大,在1148时碳原子在其中的最大固溶度为 2.11%。随着温度的降低,碳在-Fe中的固溶度下降,在 727时是0.77%。 奥氏体是727以上的平衡相,也称高温相。在高温下, 面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性,所以碳钢具有 良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中,奥氏体 通常用符号A表示。 DateDate 4 4 电厂金属材料 三、渗碳体 渗碳体是铁与碳原子结合形成的 具有金属性质的复杂间隙化合物 。它的晶体结构复杂,属于复杂 八面体结构,分子式为Fe3C,含 碳量6.69%。 渗碳体的硬度很高,HV800,但 极脆,塑性和韧性几乎是零,强 度Rm=30Mpa左右。在铁碳合金中 ,它是硬脆相,是碳钢的主要强 化相。
3、渗碳体在碳钢中的含量和 形态对钢的性能有很大影响。它 在铁碳合金中可以呈片状、粒状 、网状和板状形态存在。 在高温时,钢和铸铁中的渗碳体 在一定时间会发生下面的分解反 应,析出石墨态的碳。 Fe3C 3Fe+C(石墨) DateDate 5 5 电厂金属材料 一、相图图形介绍 在铁碳合金系中,含碳量高于6.69%的铁碳合金性能极脆, 没有使用价值。因此只研究FeFe3C,即含碳量小于6.69% 这一部分,通常称为FeFe3C相图,也称铁碳合金相图。 在FeFe3C相图中,较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合 金的两个组元。相图有三个部分组成,左上角为包晶相图。 包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图,但 它是在1400以上发生的反应,在研究和应用中对铁碳合金 的组织和性能都没有什么影响,故不予研究。FeFe3C相图 可简化为图2-2的形式。 第二节 铁 碳 合 金 相 图 DateDate 6 6 电厂金属材料 L4.3 A2.11 +Fe3C 恒温 1148 恒温 727 相图的右上部为共晶相图,在1148时,含碳量4.3%的合金发生共晶反应: A0.77 F0.02+
4、Fe3C 反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体,称作珠光体,以符号P表示。 以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体,称为莱氏体,以符号Ld表示。 相图的下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似,所不同的是共晶相图是从 液相中同时析出两个固相,产物称作共晶体;而共析相图则是从一个固相中同时 析出两个新的固相,产物称作共析体。在铁碳合金中,含碳0.77%的奥氏体在 727时发生共析反应: DateDate 7 7 电厂金属材料 珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织,其力学性能数据如下: 布氏硬度 HBS 180 断后延伸率 A11.3 20%25% 冲击韧性 aK 3040J/cm 强度极限Rm 750Mpa 二、相图中点、线和相区的意义 铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表2-1所示。 特性 点 温度( ) 含碳量( ) 特性点含义 A15380纯铁的熔点 C11484.3共晶点 D12276.69渗碳体的熔点 B11482.11碳在奥氏体中的最大溶解 度 G9120-Fe -Fe的同素异构转 变点 S7270.77共析点 DateDate 8 8 电厂金属材
5、料 DateDate 9 9 电厂金属材料 铁碳合金下图中各主要线的意义是: AECF为固相线。若温度低于AECF线时,铁碳合金凝固为固体。 ECF为共晶线。若含碳量在ECF线投影范围(2.11%6.69%)内,铁碳合金在1148 时必然发生共晶反映,形成莱氏体。 ES为碳在奥氏体中溶解度变化线,简称Acm。从这根线可以看出,碳在秋耕氏体中 的最大溶解度是在1148时,可溶解碳2.11%,布在727时,由于碳在奥氏体中的 溶解度会降低,会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次 渗碳体(Fe3CII),以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CI)。 GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称A3线. GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线. PSK为共析线,简称A1线.合金含碳量在PSK线投影范围(0.02%6.69%)内时,奥氏体在 727时必然发生共析反应,形成珠光体。 DateDate1010 电厂金属材料 PQ为碳在铁素体中溶解度变化线。从该线可看出,碳在铁素体中最大溶解度是在 727时,可溶解碳0.0218%,在室温仅能溶解碳0.008
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