铁碳合金相图详解

1、铁碳合金Iron-carbon Alloy,5.2 铁碳合金相图分析,5.2 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。由于含碳量高于6.67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Fe-Fe3C部分。图5-9所示为Fe-Fe3C相图。 相图中各主要点的涵义、温度及含碳量见表5-3所示。,5.2 铁碳合金相图分析,一、概述,5.2 铁碳合金相图分析,一、概述 相图中各主要点的涵义： ABCD为液相线，而AHJECF则为固相线。 相图上的三条平行线(HJB、ECF、PCK)是指三个恒温反应： (1) 在1493(HJB水平线)发生包晶反应，其反应式为 LB

2、+ H AJ 包晶反应的结果形成了奥氏体。 此反应仅可能在含碳量为O.100.50的铁碳合金中发生。,5.2 铁碳合金相图分析,一、概述 相图中各主要点的涵义： 相图上的三条平行线(HJB、ECF、PCK)是指三个恒温反应： (2)在1147(ECF水平线)发生共晶反应，其反应式为 Lc FP + Fe3C。 共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物， 称此共晶混合物为莱氏体，用字母Ld表示； 冷至室温时成为变态莱氏体，用Ld表示。 此反应发生于所有含碳量 2.06 6.67的铁碳合金范围内。,5.2 铁碳合金相图分析,一、概述 相图中各主要点的涵义： 相图上的三条平行线(HJB、ECF

3、、PCK)是指三个恒温反应： (3)在723(PSK水平线)发生共析反应，其反应式为 As FP + Fe3C 。 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(P)。 所有含碳量超过0.02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(共析体)转变。,5.2 铁碳合金相图分析,一、概述 此外，值得注意的是ES和PQ线： (1)ES线碳在奥氏体中的固溶线。 从该线看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在1147，此时可溶解2.06C，而在723时只能溶解080C。故凡含碳量大于0.80的铁碳合金自1147冷至723时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为

4、二次渗碳体(Fe3C)，以区别于从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3C)。,5.2 铁碳合金相图分析,一、概述 此外，值得注意的是ES和PQ线： (2)PQ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723， 此时可溶解O.02C， 而在室温平衡状态下， 仅可溶解0.0008C，故一般铁碳合金凡是从723缓冷至室温时，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(Fe3C)。因其数量极少，故一般在讨论中经常予以忽略。,5.2 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

5、。 相图中AHN线和GPQ线的左方分别为和的铁素体区域；NJESG包围的范畴为奥氏体区域。,5.2 铁碳合金相图分析,一、概述 铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量和组织的不同，分成下列三类： (1)工业纯铁( C0.80)； (3)白口铁(2.066.67C)：亚共晶白口铁(C4.3)。,5.2 铁碳合金相图分析,一、概述 下面列举6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，并无新颖之处。所选择的各合金的成分如图5-10所示。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析

6、 (一)共析钢(0.80C)的结晶过程分析 图中合金为共析钢，该合金在1点以上的温度为液相(L)，缓冷至稍低 于1点的温度开始从L中结晶出奥氏 体(A)。 缓冷至2点温度以下，L全部 冷凝为A。 继续缓冷至3点温度(723) 时 ，A按共析反应转变成 珠光体。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (一)共析钢(0.80C)的结晶过程分析 共析钢的结晶过程示意图：,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (一)共析钢(0.80C)的结晶过程分析 共析钢的显微组织(珠光体) ：,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (二)亚共析钢(0.020.80C

7、)的结晶过程分析,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (二)亚共析钢(0.020.80C)的结晶过程分析 含碳量在0.100.50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(A)；而含碳量大 于0.50者，在冷凝时， 则不发生包晶反应，而是 直接从L中结晶出A。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (二)亚共析钢(0.020.80C)的结晶过程分析 含碳量在0.100.50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(A)；而含碳量大于0.50者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接从L中结晶出A。,

8、5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (二)亚共析钢(0.020.80C)的结晶过程分析 合金冷凝后得到A组织，继续冷至GS线(3点温度)时，便会发生A F的转变，同时引起母相A中碳浓度的变化。由于合金继续冷却过程中，A的含碳量沿GS线逐渐增浓而趋近于S点，即合金冷至723时，A的含碳量增为0.80，故当合金冷至稍低于723时，其组织中剩余的A，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为F+P。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (二)亚共析钢(0.020.80C)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F+P。各种亚 共析

9、钢组织的主要差别，在 于其中的F与P的相对量和F的 分布情况不同。凡含碳量距 S点愈近的亚共析钢，其组 织中含P量愈多而F量则愈 少。含碳量大于0.50的亚 共析钢组织，其中F趋向于 沿P边界呈网状分布。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (二)亚共析钢(0.020.80C)的结晶过程分析 0.10C的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为F晶粒；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。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (二)亚共析钢(0.020.80C)的结晶过程分析 0.30C的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为F晶粒；黑色颗粒为珠光

10、体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (二)亚共析钢(0.020.80C)的结晶过程分析 0.10C、0.30C的亚共析钢的显微组织。白色颗粒为F晶粒；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。可见，含碳量较高的0.30C亚共析钢显微组织中，P所占面积较大。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (三)过共折钢(0.802.06C)的结晶过程分析,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (三)过共折钢(0.802.06C)的结晶过程分析 过共析钢(以合金为例)冷凝后得到A组织，继续冷至E

11、S线(3点温度)时， 即将从A中沿晶界开始析出Fe3C， 随着温度的降低，A的含碳量 沿ES线逐渐减少，与此同时， 从A中沿晶界不断析出Fe3C。 合金冷却至723时，A的含碳 量减为0.80，故当合金冷至 稍低于723时，其组织中剩余 的A，便会按共析反应而转变 成为珠光体，最终的显微组 织应为P + Fe3C。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (三)过共折钢(0.802.06C)的结晶过程分析 过共析钢的结晶过程示意图 ：,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (三)过共折钢(0.802.06C)的结晶过程分析 含1.20C的过共析钢的结晶显微组织：,

12、5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (四)共晶白口铁(4.3)的结晶过程分析,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (四)共晶白口铁(4.3)的结晶过程分析 共晶白口铁(图中合金)首先在1147时发生恒温反应形成莱氏体， 莱氏体在继续冷却过程中， 由于其中A的含碳量沿ES 线逐渐减少，还会不断析 出Fe3C。冷却至723时， A的含碳量减为0.80， 故当合金冷至稍低于723 时，其组织中剩余的A，便 会按共析反应而转变成为珠 光体，最终的莱氏体组织应 为( P + Fe3CII + Fe3C)。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (四)共

13、晶白口铁(4.3)的结晶过程分析 共晶白口铁结晶过程示意图 ：,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (四)共晶白口铁(4.3)的结晶过程分析 共晶白口铁显微组织（200 ） ：,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (五)亚共晶白口铁(2.064.3C)的结晶过程分析,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (五)亚共晶白口铁(2.064.3C)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L中已首先结晶出一部分A晶体。这部分初生A 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 全相同，即先析出Fe3C，之 后含碳量

14、为0.80的奥氏体再 通过共析反应转变为珠光体。 除此变化外，其它变化与共晶 白口铁完全相同。亚共晶白口 铁的最终组织应为 P + Fe3C+Ld(P + Fe3C +Fe3C)。,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (五)亚共晶白口铁(2.064.3C)的结晶过程分析 亚共晶白口铁的结晶过程示意图 ：,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (五)亚共晶白口铁(2.064.3C)的结晶过程分析 含3.0C的亚共晶白口铁的结晶过程示意图 ：,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (六)过共晶白口铁(4.36.67C)的结晶过程分析,5.2 铁碳合金相图分析,二、钢和白口铁结晶过程分析 (六)过共晶白口铁(4.36.67C)的结晶过程分析 过共晶白口铁的结晶过程比亚共晶白口铁要简单得多，因为它在共晶反应 之前首先结晶的是针状 Fe3C，在继续冷却过 程中，Fe3C不会发生 成分