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金相铁碳相图,你还记得吗?

首先,想要了解铁碳合金、铁碳相图,则需要一些准备知识,比如合金、相、组元成分的概念等,基本如下:

合金:一种金属元素与另外一种或几种元素,通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。
相:合金中同一化学成分、同一聚集状态,并以界面相互分开的各个均匀组成部分。
固溶体:是一个(或几个)组元的原子(化合物)溶入另一个组元的晶格中,而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体,固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
固溶强化:由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点,使晶格发生畸变,使固溶体硬度和强度升高,这种现象叫固溶强化现象。
金属化合物:合金的组元间以比例发生相互作用儿生成的一种新相,通常能以化学式表示其组成。
 
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图,铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变,即在固态下有不同的结构。不同结构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。
在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体。
1.铁素体
铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,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,所以它的溶碳量很小,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同,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围。
2.奥氏体
奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(γ)表示,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,所以它的溶碳量较大,2.11%(1148),727时为0.77%.
在一般情况下奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常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%.
另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件.奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在。
3.渗碳体
渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃,
质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.
渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响.
总结:
在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的.
 
铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为 Fe-Fe3C相图,此时相图的组元为Fe和Fe3C.
由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%。所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图。
 
铁碳相图上的合金,按成分可分为三类:
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。
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)。
白口铸铁(2.11%-6.69%C,其特点是铸造性能好,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)
相图分析
Fe—Fe3C相图看起来比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析
共晶转变
在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变:
Lc(AE+Fe3C),
转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示.
存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成.
低温莱氏体是由珠光体,Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨.
 
共析转变
 
在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变:
AS(F+Fe3C),转变的产物称为珠光体.
共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体.
特征点
相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义要搞清楚.根据相图分析如下点:
相图中重要的点(14)
1.组元的熔点: A (0, 1538) 铁的熔点;D (6.69, 1227) Fe3C的熔点
2.同素异构转变点:N(0, 1394) δ-Fe γ-Fe;G(0, 912)γ-Fe α-Fe
3.碳在铁中溶解度点:
P(0.0218,727),碳在α-Fe 中的溶解度
E(2.11,1148),碳在γ-Fe 中的溶解度
H (0.09,1495),碳在δ-Fe中的溶解度
Q(0.0008,RT),室温下碳在α-Fe 中的溶解度
三相共存点:
S(共析点,0.77,727),(A+F +Fe3C)
C(共晶点,4.3,1148),( A+L +Fe3C)
J(包晶点,0.17,1495),(δ+ A+L )
其它点
B(0.53,1495),发生包晶反应时液相的成分
F(6.69,1148 ), 渗碳体
K(6.69,727 ), 渗碳体
特性线
相图中的一些线应该掌握的线有:ECF线,PSK线(A1线),GS线(A3线),ES线(ACM线)
水平线ECF为共晶反应线.
碳质量分数在2.11%~6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共晶反应.
水平线PSK为共析反应线
碳质量分数为0.0218%~6.69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共析反应.PSK线亦称A1线.
GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线.
ES线是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线.由于在1148℃时A中溶碳量可达2.11%, 而在727℃时仅为0.77%,因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中, 将从A中析出Fe3C.析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII). Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线.
PQ线是碳在F中固溶线.在727℃时F中溶碳量可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C.析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII).PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线.Fe3CIII数量极少,往往予以忽略.
 
相图相区
1。单相区(4+1个): L,δ,A,F ,(+ Fe3C)
2.两相区(7个):L + δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.

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