fe-c相图与非平衡相转变基础知识讲义

Fe-C相图与非平衡相转变总结钢通常被定义为一种铁和碳的合金，其中碳含量在几个ppm到2.11wt%之间。其它的合金元素在低合金钢中可总计达5wt%,在高合金钢例如工具钢，不锈钢（10.5%）和耐热CrNi钢（18%）合金元素含量甚至更高。钢可以展现出一系列的性能，这些性能依据于钢的组成，相状态和微观组成结构，而这些又取决于钢的热处理。Fe-C相图理解钢的热处理的基础是Fe-C相图（图一）。图一实际上有两个图：（1）稳定态Fe-C图（点划线），（2）亚稳态Fe-Fe3C图。由于稳态需要很长时间才能达到，特别是在低温和低碳情况下，亚稳态往往引起人们更多的兴趣。Fe-C相图告诉我们，在不同碳含量的组成和温度下，达稳态平衡或亚稳态平衡时哪些相会生成。我们区别了a-铁素体和奥氏体，a-铁素体在727C （1341F）时最多溶解0.028%C，奥氏体在1148C （2098F）可溶解2.11wt%C。在碳多的一侧我们发现了渗碳体（Fe3C），另外，除了高合金钢之外，高温下存在的a-铁素体引起我们较少的兴趣。 在单相区之间存在着两相混合区，例如铁素体和渗碳体，奥氏体和渗碳体，铁素体和奥氏体。在最高温下，液相区可被发现，在液相区以下有两相区域液态奥氏体，液态渗碳体和液态铁素体。在钢的热处理中，我们总是避免液相的生成。我们给单相区一些重要的边界特殊的名字：（1）A1，低共熔温度，是奥氏体生成的最低温度；（2）A3，奥氏体区域的低温低碳边界，也即r/(r+a)边界；（3）Acm,奥氏体区域的高碳边界，也即r/(r+Fe3C)边界。低共熔温度碳含量是指在奥氏体生成的最低温度时的碳含量（0.77wt%C）。铁素体-渗碳体混合相在冷却形成时有一个特殊的外貌，被称为珠光体，可作为微观结构实体或微观组成物来进行处理。珠光体是一种a-铁素体和渗碳体薄片的混合物，渗碳体薄片又退化为渗碳体颗粒散步在一个铁素体基质中，散步过程发生在铁素体基质扩散接近A1边界之后。Fe-C相图源于实验。但是，热力学原理和现代热力学的数据的相关知识可以为我们提供关于相图的精确计算。当相图边界不得不被推测和低温下实验平衡很慢达到时，这种计算特别有用。如果合金元素加入Fe-C相图，A1,A3,Acm边界的位置和低共熔组成的位置会变化。值得一提的是，所有重要的合金元素降低了低共熔碳含量。奥氏体的稳定元素锰，镍降低了A3，铁素体稳定元素铬，硅，钼和钨增加A3。平衡相图不能说明的相变动力学过程与亚稳态相，必须用非稳态相转变图来描述。各种相转变图在钢的热处理中，相变的动力学因素与平衡图表同样重要。对于钢的性能特别重要的亚稳相马氏体和形态上亚稳态的微观组成物贝氏体，可以在相对急速冷却至环境温度时产生。这时碳和合金杂质的扩散受抑制或者限制在极小范围内。贝氏体是一种低共熔组成物，是铁素体和渗碳体的混合物。最硬的组成物马氏体，在极度饱和的奥氏体快速冷却时通过完全转化形成，当碳含量增加至大约0.7wt%时，马氏体的硬度增加。如果这些不稳定的亚稳态产物接下来加热至一个适度的高温，它们分解为更稳定的铁素体和碳化物。这种重新加热的过程有时被称为回火或退火。钢加热奥氏体化是热处理的前提。环境温度下铁素体-珠光体或镇定马氏体的结构到高温下奥氏体或奥氏体-碳化物的结构转变对于钢的热处理同样重要。钢的热处理涉及的四种相转变条件我们可以利用相图方便地描述出在相变时发生了什么。四种不同的图可以被区别，它们是：（1）加热过程的奥氏体的等温转变，奥氏体化；（2）冷却过程奥氏体的等温转变，奥氏体的分解；（3）连续加热过程的奥氏体化；（4）连续冷却过程的奥氏体的分解。加热过程的奥氏体化这种图展现了当钢在恒温时维持很长一段时间时所呈现的状态。通过维持一些小样品在铅或盐浴中并在依次增加维持时间后每次冷却一个样品，之后在显微镜下观察在微观结构中生成的相的数量可以了解微观结构随时间的变化。共析钢加热过程的奥氏体化 在奥氏体的转变中，先从原始的铁素体和珠光体或镇定马氏体转变为较为紧密的奥氏体，这种转变中体积减小。在延长的曲线中，奥氏体形成的开始和结束时间通常被分别定义为转变进行至1%和99%时。ITh diagrams冷却过程奥氏体的等温转变，奥氏体的分解，TTT DIAGRAMS这个过程在高温下开始，通常是在维持长时间获得均一的奥氏体而没有不溶解的碳化物后在奥氏体范围内发生，这之后又通过快速冷却至理想温度。A3边界上没有转变可以发生，在A1边界到A3边界之间只有铁素体可以通过奥氏体形成。连续加热过程的奥氏体化，CRT DIAGRAMS在实际热处理情况下，恒温不要求，但要求在冷却或加热时有一个连续变化的温度。因此，如果相图使用的连续增加或减小的温度建立在膨胀计数据之上，我们可以获得更多的实用信息。如同ITH图，CRT图在预测发生在感应和之后的变硬过程中的短期奥氏体化的效果很有用。一个典型的问题是在一个规定的加热速率下，达到完全的奥氏体化最大的表面温度有多高。当温度太高时，可引起我们不希望的奥氏体晶粒成长，这些又会导致一个更易破碎的马氏体的微观结构。连续冷却过程的奥氏体的分解，CCT DIAGRAMS对于加热的图表，清晰地阐述转变图来源于哪种冷却曲线是很重要的。在实验操作中使用一个恒定的冷却速率是很平常的，但是，这种现象在实验状况下很少发生。我们也可以根据牛顿冷却定律找出所谓的自然冷却曲线，这些曲线模拟了大范围内部的行为，例如，在特殊条带上距冷却端一段距离的冷却速率。接近条纹样本的表面冷却速率的特征非常复杂。每一个CCT图包含了一系列在圆柱样本不同深度的冷却速率曲线。最慢的冷却速率曲线代表了圆柱的中心。冷却介质越不均匀，C形状曲线需要越长时间去改变，但M温度不受影响。但是值得注意的是，这种转变图不能用于预言那些不同于构建图表的热学历史的反应。例如，