铁碳相图知识点汇总

基本概念

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。

: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:合金的组元间以一定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。

相图中的基本相

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,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”(或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,最多有2.11%(1148℃时),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。

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

一、相图中的转变

1. 包晶转变

2. 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。

3. 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。

二、相图中的特性点

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.碳在铁中最大溶解度点

  • 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):室温下碳在α-Fe 中的溶解度

4. 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

5. 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

三、相图中的特性线

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)。

ECF线: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。

PSK线(A1线):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。

GS线(A3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(Acm线):碳在A中的固溶线

由于在1148℃时A中溶碳量最大可达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:碳在F中固溶线

在727℃时F中溶碳量最大可达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。

四、相图中的相区

1.单相区(5个)

  • L
  • δ
  • γ
  • α
  • Fe3C

2.两相区(7个)

  • L+δ
  • L+γ
  • L+Fe3C
  • δ+γ
  • α+γ
  • γ+Fe3C
  • α+Fe3C

3. 三相区(3个)

  • L+δ+γ
  • L+γ+Fe3C
  • α+γ+Fe3C