铁碳合金相图详解

1、铁碳合金iron-carbon alloy5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述 铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。由铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。由于含碳量高于于含碳量高于6.676.67的铁碳合金脆性极大，的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而对铁碳合金相图只研究没有使用价值，因而对铁碳合金相图只研究fe-fefe-fe3 3c c部分。图部分。图5-95-9所示为所示为fe-fefe-fe3 3c c相图。相图。 相图中各主要点的涵义、温度及含碳量见相图中各主要点的涵义、温度及含碳量见表表5-35-3所示。所示。 5.

2、2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述相图中各主要点的涵义：相图中各主要点的涵义： abcdabcd为液相线，而为液相线，而ahjecfahjecf则为固相线。则为固相线。 相图上的三条平行线相图上的三条平行线(hjb(hjb、ecfecf、pck)pck)是指三个恒是指三个恒温反应：温反应： (1) (1) 在在1493(hjb1493(hjb水平线水平线) )发生包晶反应，其反应发生包晶反应，其反应式为式为 l lb b + + h h a aj j 包晶反应的结果形成了奥氏体。包晶反应的结果形成了奥氏体。 此反应仅可能

3、在含碳量为此反应仅可能在含碳量为o.10o.100.500.50的铁碳的铁碳合金中发生。合金中发生。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述相图中各主要点的涵义：相图中各主要点的涵义： 相图上的三条平行线相图上的三条平行线(hjb(hjb、ecfecf、pck)pck)是指三个恒温是指三个恒温反应：反应： (2)(2)在在1147(ecf1147(ecf水平线水平线) )发生共晶反应，其反应式为发生共晶反应，其反应式为 lc flc fp p + fe + fe3 3c c。 共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物，合物， 称

4、此共晶混合物为莱氏体，用字母称此共晶混合物为莱氏体，用字母l ld d表示；表示； 冷至室温时成为变态莱氏体，用冷至室温时成为变态莱氏体，用lld d表示。表示。 此反应发生于所有含碳量此反应发生于所有含碳量 2.06 2.06 6.67 6.67的的铁碳合金范围内。铁碳合金范围内。5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述相图中各主要点的涵义：相图中各主要点的涵义： 相图上的三条平行线相图上的三条平行线(hjb(hjb、ecfecf、pck)pck)是指三个恒温是指三个恒温反应：反应： (3)(3)在在723(psk723(psk水平线水平线) )发生共析反应，其反应式为发生共

5、析反应，其反应式为 as fas fp p + fe + fe3 3c c 。 共析反应的结果形成了铁素体与渗碳体的共析混共析反应的结果形成了铁素体与渗碳体的共析混合物，称此共析混合物为珠光体合物，称此共析混合物为珠光体(p)(p)。 所有含碳量超过所有含碳量超过0.020.02的铁碳合金中，即实际在的铁碳合金中，即实际在工程上常用的铁碳合金中均发生珠光体工程上常用的铁碳合金中均发生珠光体( (共析体共析体) )转变转变。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述此外，值得注意的是此外，值得注意的是eses和和pqpq线：线： (1)es(1)es线线碳在奥氏体中的固溶线。碳在

6、奥氏体中的固溶线。 从该线看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在从该线看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在11471147，此时可溶解，此时可溶解2.062.06c c，而在，而在723723时只能溶解时只能溶解0 08080c c。故凡含碳量大于。故凡含碳量大于0.800.80的铁碳合金自的铁碳合金自11471147冷至冷至723723时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为二次渗碳体体，称此渗碳体为二次渗碳体(fe(fe3 3c c) )，以区别于从液，以区别于从液体中直接结晶的一次渗碳体体中直接结晶的一次渗碳体(fe(fe3 3c c) )。5.2 5.

7、2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述此外，值得注意的是此外，值得注意的是eses和和pqpq线：线： (2)pq(2)pq线线碳在铁素体中的固溶线。碳在铁素体中的固溶线。 从该线看出，碳在铁素体中的最大溶解度是在从该线看出，碳在铁素体中的最大溶解度是在723723， 此时可溶解此时可溶解o.02o.02c c， 而在室温平衡状态下，而在室温平衡状态下， 仅可仅可溶解溶解0.00080.0008c c，故一般铁碳合金凡是从，故一般铁碳合金凡是从723723缓冷缓冷至室温时，均可能从铁素体中沿晶界析出渗碳体，至室温时，均可能从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体称此渗碳体为三次

8、渗碳体(fe(fe3 3c c) )。因其数量极少，。因其数量极少，故一般在讨论中经常予以忽略。故一般在讨论中经常予以忽略。5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述 所谓一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源所谓一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源和分布有所不同，没有本质区别，其含碳量，晶体和分布有所不同，没有本质区别，其含碳量，晶体结构和本身的性质均相同。结构和本身的性质均相同。 相图中相图中ahnahn线和线和gpqgpq线的左方分别为线的左方分别为和和的铁素的铁素体区域；体区域；njesgnjesg包围的范畴为奥氏体区域。包围的范畴为奥氏体区域。5.2 5.2 铁碳合金

9、相图分析铁碳合金相图分析一、概述 铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量和组织的不同，分成下列三类：和组织的不同，分成下列三类： (1)(1)工业纯铁工业纯铁( c0.02( c0.02) )； (2)(2)钢钢(0.02(0.022.062.06c)c)：亚共析钢：亚共析钢( co.80( c0.80(c0.80) )； (3)(3)白口铁白口铁(2.06(2.066.676.67c)c)：亚共晶白口铁：亚共晶白口铁(c4.3(c4.3( c4.3) )。5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析一、概述 下面列举下面列举6 6个典型的铁碳

10、合金来讨论其结晶过程。钢和白口个典型的铁碳合金来讨论其结晶过程。钢和白口铁的结晶过程虽然比较复杂，但其分析方法则与前述的相同，铁的结晶过程虽然比较复杂，但其分析方法则与前述的相同，并无新颖之处。所选择的各合金的成分如图并无新颖之处。所选择的各合金的成分如图5-105-10所示。所示。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (一一) )共析钢共析钢(0.80(0.80c)c)的结晶过程分析的结晶过程分析 图中合金为共析钢，该合金在图中合金为

11、共析钢，该合金在1点以上的温度为液相点以上的温度为液相(l)，缓冷至稍低缓冷至稍低于于1点的温度开始从点的温度开始从l中结晶出奥氏中结晶出奥氏体体(a)。 缓冷至缓冷至2点温度以下，点温度以下，l全部全部 冷凝为冷凝为a。 继续缓冷至继续缓冷至3点温度点温度(723) 时时 ，a按共析反应转变成按共析反应转变成 珠光体。珠光体。5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (一一) )共析钢共析钢(0.80(0.80c)c)的结晶过程分析的结晶过程分析 共析钢的结晶过程示意图共析钢的结晶过程示意图：5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相

12、图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (一一) )共析钢共析钢(0.80(0.80c)c)的结晶过程分析的结晶过程分析 共析钢的显微组织共析钢的显微组织(珠光体珠光体) ：5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(二二)亚共析钢亚共析钢(0.020.80c)的结晶过程分析的结晶过程分析 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(二二)亚共析钢亚共析钢(0.020.80c)的结晶过程分析的结晶过程分析 含碳量在含碳量在0.100.50范围内的亚共析钢，在冷凝至范围内

13、的亚共析钢，在冷凝至1493时均发生时均发生包晶反应，反应结果形成包晶反应，反应结果形成奥氏体奥氏体(a)；而含碳量大；而含碳量大于于0.50者，在冷凝时，者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是则不发生包晶反应，而是直接从直接从l中结晶出中结晶出a。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(二二)亚共析钢亚共析钢(0.020.80c)的结晶过程分析的结晶过程分析 含碳量在含碳量在0.100.50范围内的亚共析钢，在冷凝至范围内的亚共析钢，在冷凝至1493时均发生包晶反应，反应结果形成奥氏体时均发生包晶反应，反应结果形成奥氏体(a)；而含碳

14、；而含碳量大于量大于0.50者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接从从l中结晶出中结晶出a。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(二二)亚共析钢亚共析钢(0.020.80c)的结晶过程分析的结晶过程分析 合金冷凝后得到合金冷凝后得到a a组织，继续冷至组织，继续冷至gsgs线线(3(3点温度点温度) )时，便会发生时，便会发生a a f f的转变，同时引起母相的转变，同时引起母相a a中碳浓度的变化。由于合金继续冷却过程中，中碳浓度的变化。由于合金继续冷却过程中，a a的含碳量沿的含碳量沿g

15、sgs线逐渐增浓而趋近于线逐渐增浓而趋近于s s点，即合金冷至点，即合金冷至723723时，时，a a的含碳量的含碳量增为增为0.800.80，故当合金冷至稍低于，故当合金冷至稍低于723723时，其组织中剩余的时，其组织中剩余的a a，便会按，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为f+pf+p。5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(二二)亚共析钢亚共析钢(0.020.80c)的结晶过程分析的结晶过程分析 必须指出，所有亚共析钢在缓冷后，最终的显微组织都是必须指出，所有亚共析钢在

16、缓冷后，最终的显微组织都是f+pf+p。各种亚。各种亚共析钢组织的主要差别，在共析钢组织的主要差别，在于其中的于其中的f f与与p p的相对量和的相对量和f f的的分布情况不同。凡含碳量距分布情况不同。凡含碳量距s s点愈近的亚共析钢，其组点愈近的亚共析钢，其组织中含织中含p p量愈多而量愈多而f f量则愈量则愈少。含碳量大于少。含碳量大于0.500.50的亚的亚共析钢组织，其中共析钢组织，其中f f趋向于趋向于沿沿p p边界呈网状分布。边界呈网状分布。5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(二二)亚共析钢亚共析钢(0.020.80c)

17、的结晶过程分析的结晶过程分析 0.100.10c c的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为为f f晶粒；晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。珠光体中层片无法分辨。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(二二)亚共析钢亚共析钢(0.020.80c)的结晶过程分析的结晶过程分析 0.300.30c c的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为为f f晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使晶粒；黑色颗粒为珠光体，因

18、放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。珠光体中层片无法分辨。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(二二)亚共析钢亚共析钢(0.020.80c)的结晶过程分析的结晶过程分析 0.100.10c c、0.300.30c c的亚共析钢的显微组织。的亚共析钢的显微组织。白白色颗粒为色颗粒为f f晶粒；晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。低而使珠光体中层片无法分辨。可见可见，含碳量较高，含碳量较高的的0.300.30c c亚共析钢显微组织中，亚共析钢显微组织中，p p所占面积较大。所占

19、面积较大。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(三三)过共折钢过共折钢(0.802.06c)的结晶过程分析的结晶过程分析 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(三三)过共折钢过共折钢(0.802.06c)的结晶过程分析的结晶过程分析 过共析钢过共析钢(以合金为例以合金为例)冷凝后得到冷凝后得到a组织，继续冷至组织，继续冷至es线线(3点温度点温度)时，时，即将从即将从a中沿晶界开始析出中沿晶界开始析出fe3c，随着温度的降低，随着温度的降低，a的含碳量的含碳量沿沿es线逐渐

20、减少，与此同时，线逐渐减少，与此同时，从从a中沿晶界不断析出中沿晶界不断析出fe3c。合金冷却至合金冷却至723时，时，a的含碳的含碳量减为量减为0.80，故当合金冷至，故当合金冷至稍低于稍低于723时，其组织中剩余时，其组织中剩余的的a，便会按共析反应而转变，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组成为珠光体，最终的显微组织应为织应为p + fe3c。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(三三)过共折钢过共折钢(0.802.06c)的结晶过程分析的结晶过程分析 过共析钢的结晶过程示意图过共析钢的结晶过程示意图 ：5.2 5.2

21、 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(三三)过共折钢过共折钢(0.802.06c)的结晶过程分析的结晶过程分析 含含1.20c的的过共析钢的结晶过共析钢的结晶显微组织：显微组织：5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(四四)共晶白口铁共晶白口铁(4.3)的结晶过程分析的结晶过程分析 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(四四)共晶白口铁共晶白口铁(4.3)的结晶过程分析的结晶过程分析 共晶白口铁共晶白口铁(图中合金图中合金)首先在首

22、先在1147时发生恒温反应形成时发生恒温反应形成莱氏体，莱氏体，莱氏体在继续冷却过程中，莱氏体在继续冷却过程中，由于其中由于其中a的含碳量沿的含碳量沿es线逐渐减少，还会不断析线逐渐减少，还会不断析出出fe3c。冷却至。冷却至723时，时，a的含碳量减为的含碳量减为0.80，故当合金冷至稍低于故当合金冷至稍低于723时，其组织中剩余的时，其组织中剩余的a，便，便会按共析反应而转变成为珠会按共析反应而转变成为珠光体，最终的莱氏体组织应光体，最终的莱氏体组织应为为( p + fe3cii + fe3c)。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程

23、分析(四四)共晶白口铁共晶白口铁(4.3)的结晶过程分析的结晶过程分析 共晶白口铁结晶过程示意图共晶白口铁结晶过程示意图 ：5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(四四)共晶白口铁共晶白口铁(4.3)的结晶过程分析的结晶过程分析 共晶白口铁共晶白口铁显微组织（显微组织（200 ） ：5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(五五)亚共晶白口铁亚共晶白口铁(2.064.3c)的结晶过程分析的结晶过程分析 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白

24、口铁结晶过程分析(五五)亚共晶白口铁亚共晶白口铁(2.064.3c)的结晶过程分析的结晶过程分析 亚共晶白口铁的结晶过程比较复杂。在共晶反应之前，在亚共晶白口铁的结晶过程比较复杂。在共晶反应之前，在l中已首先结晶出一部分中已首先结晶出一部分a晶体。这部分初生晶体。这部分初生a在继续冷却时的转变过程与莱在继续冷却时的转变过程与莱氏体中的奥氏体的转变过程完氏体中的奥氏体的转变过程完全相同，即先析出全相同，即先析出fe3c，之，之后含碳量为后含碳量为0.80的奥氏体再的奥氏体再通过共析反应转变为珠光体。通过共析反应转变为珠光体。除此变化外，其它变化与共晶除此变化外，其它变化与共晶白口铁完全相同。亚共晶白口白口铁完全相同。亚共晶白口铁的最终组织应为铁的最终组织应为p + fe3c+ld(p + fe3c +fe3c)。 5.2 5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析(五五)亚共晶白口铁亚共晶白口铁(2.064.3c)的结晶过程分析的结晶过程分析 亚共晶白口