铁碳合金相图与典型合金的结晶过程分析

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一、铁碳合金的组元

铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。

由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。

碳：在Fe－Fe₃C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe₃C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。

二、铁碳合金中的基本相

相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。

铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。

1．铁素体

碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用a或者F表示，为体心立方晶格结构。塑性好，强度硬度低。

2．奥氏体

碳溶于g-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用g或者A表示，为面心立方晶格结构。塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。

3．渗碳体Fe₃C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。

渗碳体对合金性能的影响：

（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。

（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：

以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；

以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。

二、两相机械混合物

珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。

莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。

铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。

组织组成物：指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。

显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。

第二节 铁碳合金相图

一、相图中的点（14个）

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 Ûγ-Fe；G（0, 912）γ-FeÛα-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

2．三相共存点：

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）（ ＋ A＋L ）

3．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

二、相图中的线

1．液相线(ＡＢＣＤ)：结晶时液相的成分，在其上体系为液相；

2．固相线（ＡＨＪＥＣＦ）：结晶时固相的成分，其下为固相。

3．恒温转变的线：HJB 包晶线、ECF共晶线、PSK共析线。

PSK 线，共析线。在此线上的合金都要发生共析反应。冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度；加热时，珠光体转变为奥氏体的温度；PSK线又称A₁线。

4．固溶度线

ES线：碳在奥氏体中的溶解度线，随温度温度，溶解度；0.77%～2.11%C。冷却时，从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度；加热时，二次渗碳体完全溶入奥氏体中的温度。ES线又叫作Acm线。

PQ 线：碳在铁素体中的溶解度；随温度，最大溶解度；0.0008% ～0.0218%C；冷却时，从铁素体中开始析出三次渗碳体的温度；加热时，三次渗碳体完全溶入铁素体的温度。

5．同素异构转变线：NH 和 NJ，GS 和 GP。

GS线：冷却时，由奥氏体向铁素体转变的开始温度；加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度，GS线又叫作A₃线。

三、相图中的相区

1．单相区（4个＋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。

四、基本转变类型

五种渗碳体的异同（Fe₃C_I、Fe₃C_Ⅱ、Fe₃C_IⅡ_、共晶Fe₃C、共析Fe₃C）：它们只是形成条件、形态与分布不同，对铁碳合金性能有所不同，就其本身来说，并无本质区别，都是同一种物质，即Fe₃C，6.69％C。

五、铁碳合金分类

工业纯铁、钢（亚共析、共析、过共析钢）、铸铁（亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁）

六、典型铁碳合金的结晶过程分析

分析方法和步骤：

• 在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；

• 在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4…….）

• 写出每两个点之间或者重要点上发生的转变（由液相分析至室温）。

•

室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相；组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。

1．Wc＝0.77%的铁碳合金结晶过程分析

合金在1点温度以上为液相L；

在1～2温度之间，发生匀晶反应，从液相中析出奥氏体相；

在2～3点温度之间，为单相奥氏体，只有温度的降低；

在3点（S点）时到达共析温度（727⁰C，奥氏体发生共析反应，生成珠光体组织；

3点以下直到室温，合金温度降低，为珠光体组织。

所以，Wc＝0.77%的铁碳合金

• 室温下的相：F+Fe₃C

• 组织组成物：P(珠光体）（100％）

• 组织形貌： F和Fe₃C层片状混合物

2．Wc＝0.4%的铁碳合金结晶过程分析

合金在1点温度以上为液相L；

在1～2点温度之间，发生匀晶转变，从液相中结晶出δ铁素体相；

在2点1495℃，液相L与δ相发生包晶反应，生成奥氏体A，液相有剩余；

在2～3点温度之间，剩余的液相向A相转变；

在3～4点温度之间，为单相奥氏体，合金温度降低；

在4～5点温度之间，同素异构转变，A向F（先共析铁素体）转变，为（F＋A）两相；

在5点727℃，未转变成F的A发生共析反应，生成珠光体（P）组织；

从5点直到室温，组织为（F＋P），合金温度降低，没有组织转变。

• 室温下的相：F+Fe₃C

• 组织组成物：F和P

• 组织形貌：块状F和片状P

3．过共析钢（1.2％C）

合金在BC线温度以上为液相L；

在BC线～JE线温度之间，发生匀晶反应，从液相中析出奥氏体相；

在JE线～ES线温度之间，为单相奥氏体，合金温度降低；

在ES线～PSK线温度之间，从奥氏体中析出二次渗碳体相（先共析渗碳体），合金为A＋Fe₃C_Ⅱ两相；

在PSK线上727℃时，未转变的奥氏体发生共析反应，转变为珠光体组织；

从727℃直到室温，合金温度降低，没有发生组织转变。

室温下的相：F+Fe₃C

室温组织：珠光体＋二次渗碳体。

组织形态：片状P和二次渗碳体呈网状分布在A晶界。

在过共析钢中，当碳含量小于0.9％时，二次渗碳体呈片状分布在A晶界；当碳含量大于0.9％时，二次渗碳体成为网状沿晶界分布。

室温下组织组成物的质量百分数的计算：

4．白口铸铁的平衡结晶过程（略）

七．Fe－Fe₃C相图的应用

（一）、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响

1．含碳量对合金平衡组织的影响

Fe₃C的形态：

2．含碳量对力学性能的影响

铁素体(F)：软而韧，硬度极低；渗碳体(Fe3C)：硬而脆。所以，

（1）含碳量增加，硬度增加；塑性韧性降低。

（2）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）：当碳含量在小于0.9％时，渗碳体含量越多，分布越均匀，铁碳合金强度越高；当碳含量超过0.9％时，渗碳体在钢的组织中呈网状分布在晶界，而在白口铸铁的组织中作为基体存在，使强度降低。

3．含碳量对工艺性能的影响

切削加工性能：一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。

可锻性：低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在单相奥氏体状态下进行。

铸造工艺性能：铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来看，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造工艺性能越差。

可焊性：一般，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。

（二）、Fe—Fe₃C相图的应用

1．为制定热加工工艺提供依据。

（1）制定热处理工艺的依据

（2）为制定热加工工艺提供依据，包括铸造、锻造、焊接、热处理。

铸造方面铸造合金成分的确定和浇注温度的确定。

锻造方面确定始锻温度和终锻温度。

焊接方面分析热影响区的组织。

热处理方面确定热处理加热的温度。

2．为选材提供成分依据。

工业纯铁：室温下退火态的组织由等轴晶粒组成；强度低，塑性、韧性好；作为功能材料使用，如变压器的铁芯等。

含碳量在0.15-0.25%的亚共析钢：属低碳钢，为工程结构用钢。这类钢主要用于房屋，桥梁、船舶、车辆、矿井或油井井架等大型工程结构件，一般不进行热处理，直接在热轧或正火状态下使用。

含碳量在0.30-0.50%的亚共析钢，属中碳钢，为机械结构用钢。主要用于制造各种机械零部件，如轴类、齿轮等。它要求有较高的强度，塑性、韧性和疲劳强度等综合力学性能。这类钢通常在淬火、高温回火状态下使用，常称之为调质钢。

含碳量在0.6～0.7%的亚共析钢，属高碳钢，也为机械结构用钢。主要用于制造各种弹性元件，如弹簧。它要求有较高的弹性极限和疲劳强度。这类钢通常在淬火后再中温回火后使用，常称之为弹簧钢。

含碳量在0.7%以上的共析钢和过共析钢，属于高碳钢，属工具钢类。主要用于制作刃具、量具、模具、轧制工具及耐磨损工具等。要求有高强度、高硬度和高耐磨性等。

含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。铸铁具有较低的熔点，优良的铸造工艺性能和良好的抗震性，且生产工艺简单，成本低廉，用途非常广泛。如：各类机器的机身或底座，土建工程中的铸铁管，冶金工业中的钢锭模及轧辊等。

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