鐵碳合金相圖

Fe-Fe3C相圖看起 來比較復(fù)雜,但它仍然是由一些基本相圖組成的,我們可以將Fe-Fe3C相圖分成上下兩個(gè)部分來分析.

在1148℃,2.11%C的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變:

Lc (AE+Fe3C),

轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為萊氏體,用符號(hào)Ld表示.

存在于1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體,用符號(hào)Ld表示,組織由奧氏體和滲碳體組成;存在于727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體,用符號(hào)Ldˊ表示,組織由滲碳體和珠光體組成.

低溫萊氏體是由珠光體,Fe3CⅡ和共晶Fe3C組成的機(jī)械混合物.經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察,其中珠光體呈黑色顆粒狀或短棒狀分布在Fe3C基體上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交織在一起,一般無法分辨.

在727℃,0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變:

AS (F+Fe3C),轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體.

共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別是轉(zhuǎn)變物是固體而非液體.

相圖中應(yīng)該掌握的特征點(diǎn)有:A,D,E,C,G(A3點(diǎn)),S(A1點(diǎn)),它們的含義一定要搞清楚.根據(jù)相圖分析如下點(diǎn):

相圖中重要的點(diǎn)(14個(gè)):

1.組元的熔點(diǎn): A (0, 1538) 鐵的熔點(diǎn);D (6.69, 1227) Fe3C的熔點(diǎn)

2.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn):N(0, 1394)δ-Fe γ-Fe;G(0, 912)γ-Fe α-Fe 3.碳在鐵中最大溶解度點(diǎn):

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),室溫下碳在α-Fe 中的溶解度

三相共存點(diǎn):

S(共析點(diǎn),0.77,727),(A+F +Fe3C)

C(共晶點(diǎn),4.3,1148),( A+L +Fe3C)

J(包晶點(diǎn),0.17,1495)( δ+ A+L )

其它點(diǎn)

B(0.53,1495),發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)液相的成分

F(6.69,1148 ) , 滲碳體

K (6.69,727 ) , 滲碳體

相圖中的一些線應(yīng)該掌握的線有:ECF線,PSK線(A1線),GS線(A3線),ES線(ACM線)

水平線ECF為共晶反應(yīng)線.

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%~6.69%之間的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng).

水平線PSK為共析反應(yīng)線

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%~6.69%的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng).PSK線亦稱A1線.

GS線是合金冷卻時(shí)自A中開始析出F的臨界溫度線, 通常稱A3線.

ES線是碳在A中的固溶線, 通常叫做Acm線.由于在1148℃時(shí)A中溶碳量最大可 達(dá)2.11%, 而在727℃時(shí)僅為0.77%, 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.77%的鐵碳合金自1148℃冷至727℃的過程中, 將從A中析出Fe3C.析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII). Acm線亦為從A中開始析出Fe3CII的臨界溫度線.

PQ線是碳在F中固溶線.在727℃時(shí)F中溶碳量最大可達(dá)0.0218%, 室溫時(shí)僅為0.0008%, 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.0008%的鐵碳合金自727℃冷至室溫的過程中, 將從F中析出Fe3C.析出的滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII).PQ線亦為從F中開始析出Fe3CIII的臨界溫度線.Fe3CIII數(shù)量極少,往往予以忽略.

1.單相區(qū)(4個(gè)+1個(gè)): L,δ,A,F ,(+ Fe3C)

2.兩相區(qū)(7個(gè)):L + δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.

1.含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響

按杠桿定律計(jì)算，可總結(jié)出含碳量與鐵碳合金室溫時(shí)的組織組成物和相組成物間的定量關(guān)系

2.含碳量對(duì)機(jī)械性能的影響

滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強(qiáng)度越高，塑性和韌性越低;但當(dāng)滲碳體分布在晶界或作為基體存在時(shí)，則材料的塑性和韌性大為下降，且強(qiáng)度也隨之降低。

3.含碳量對(duì)工藝性能的影響

對(duì)切削加工性來說，一般認(rèn)為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過高或過低，都會(huì)降低其切削加工性能。

對(duì)可鍛性而言，低碳鋼比高碳鋼好。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時(shí)，塑性好、強(qiáng)度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行。鍛造時(shí)必須根據(jù)鐵碳相圖確定合適的溫度，始軋和始鍛溫度不能過高，以免產(chǎn)生過燒;始軋和溫度也不能過低，以免產(chǎn)生裂紋。

對(duì)鑄造性來說，鑄鐵的流動(dòng)性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性也好，更具有良好的鑄造性能。從相圖的角度來講，凝固溫度區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔和偏析，鑄造性能越差。

一般而言，含碳量越低，鋼的焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼更容易焊接。

鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金的基本組元也應(yīng)該是純鐵和Fe3C。鐵存在著同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即在固態(tài)下有不同的結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的鐵與碳可以形成不同的固溶體，F(xiàn)e-Fe3C相圖上的固溶體都是間隙固溶體。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特點(diǎn)不同，因而兩者的溶碳能力也不同。

鐵素體是碳在α-Fe中的間隙固溶體,用符號(hào)"F"(或α)表示,體心立方晶格;

雖然BCC的間隙總體積較大,但單個(gè)間隙體積較小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃時(shí)),室溫時(shí)幾乎為0,因此鐵素體的性能與純鐵相似,硬度低而塑性高,并有鐵磁性.

δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.

鐵素體的顯微組織與純鐵相同,用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的多邊形等軸晶粒,在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布,但當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí),鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在珠光體的周圍.

奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體,用符號(hào)"A"(或γ)表示,面心立方晶格;

雖然FCC的間隙總體積較小,但單個(gè)間隙體積較大,所以它的溶碳量較大,最多有2.11%(1148℃時(shí)),727℃時(shí)為0.77%.

在一般情況下, 奧氏體是一種高溫組織,穩(wěn)定存在的溫度范圍為727~1394℃,故奧氏體的硬度低,塑性較高,通常在對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行熱變形加工,如鍛造,熱軋等時(shí),都應(yīng)將其加熱成奧氏體狀態(tài),所謂"趁熱打鐵"正是這個(gè)意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.

另外奧氏體還有一個(gè)重要的性能,就是它具有順磁性,可用于要求不受磁場的零件或部件.

奧氏體的組織與鐵素體相似,但晶界較為平直,且常有孿晶存在.

滲碳體是鐵和碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物,用化學(xué)分子式"Fe3C"表示.它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69%,熔點(diǎn)為1227℃,

質(zhì)硬而脆,耐腐蝕.用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蝕,滲碳體呈暗黑色.

滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相,根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀,網(wǎng)狀,片狀,粒狀等形態(tài),它們的大小,數(shù)量,分布對(duì)鐵碳合金性能有很大影響.

總結(jié):

在鐵碳合金中一共有三個(gè)相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體一般僅存在于高溫下,所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個(gè)相,就是鐵素體和滲碳體.由于鐵素體中的含碳量非常少,所以可以認(rèn)為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中.這一點(diǎn)是十分重要的.

鐵和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有實(shí)用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常稱其為 Fe-Fe3C相圖, 此時(shí)相圖的組元為Fe和Fe3C.

由于實(shí)際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分軸從0~6.69%.所謂的鐵碳合金相圖實(shí)際上就是Fe-Fe3C相圖.