二元相图的典型应用 铁碳合金相图

1、2.3 二元相图的典型应用铁碳合金相图,Typical Applications of the Binary Phase Diagram (The Iron-carbon Equilibrium Diagram),2.3 二元相图的典型应用铁碳合金相图,2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相 （ Components and fundamental phases of the iron-carbon phase diagram ） 2.3.2 铁碳合金相图分析 ( Interpretation of the iron-carbon phase diagram ) 2.3.3 铁碳合金平衡结晶过程

2、分析与相应组织 (Interpretation of equilibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures) 2.3.4. 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys ) 2.3.5 铁碳合金相图的局限性 (The limitation of the iron-carbon alloy diagram),2

3、.3.1 铁碳相图中的组元与基本相（Components and fundamental phases of the iron-carbon phase diagram）,1. 纯铁 （1）纯铁 铁的原子序数为26，原子半径1.27nm，熔点1538，密度7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变，如图1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为-Fe，具有BCC结构，一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为b=180230MPa,0.2=100170MPa,=3050%；=7080%，aK=1.62.0J/m2，硬度值为5080HBW。可见钝铁的塑

4、、韧性虽然很好，但强度、硬度很低，所以很少用它制造机械零件。 （2）铁素体(F或)与奥氏体(A或) 不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体，铁素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相，这两个相都是碳在铁中的间隙固溶体。但它们也有一系列不同之处。 晶体结构 碳原子溶入-Fe中所形成间隙固溶体称为A。而碳原子溶入-Fe中所形成间隙固溶体，则称为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。 溶碳能力 从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要小得多。A最大溶碳量为2.11%(于1148时)，而F的最大溶碳量仅为0.0218%(于727时)。室温下F的溶碳量就更低了，一般在0.0008% 以下。 组织形态 单相F与A都呈

5、多边形的等轴晶粒。 力学性能 F、A力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下:b=176274 MPa，S=98166MPa，=30%50%，=70%80%，aK=1.52.0MJ/m2，布氏硬度值为5080HBW。,2. 渗碳体(常用符号Fe3C或Cm表示),在铁碳相图中，碳一般以Cm形式存在，Cm是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。 (1)晶体结构 Cm是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子，即Fe/C=3/1，所以Cm的碳含量为6.69%，其熔点1227。 (2)组织形态 Cm在钢中具有多种多样的组织形态，这

6、些形态主要与形成条件有关。凡是从液相中结晶出来的一次渗碳体（图2.19中），一般呈粗大片状;凡是从A或F中析出的二次渗碳体（图2-19中）或三次渗碳体（图2.19中），一般呈网状分布;共析体(珠光体)中的Cm（图2.19中）一般呈薄片状，而共晶体(莱氏体)中的Cm作基体（图2.19中）等。这五种渗碳体的特征如表2.1所示。 (3)力学性能 Cm具有硬而脆的特性，其硬度值很高(约800HBW)，而塑性很差(0)。Cm的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下，Cm将发生分解，形成石墨:Fe3CFe + C(石墨)。可见，Cm是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。,表2.1 铁碳合金中的物种渗碳

7、体特征,2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation of the iron-carbon phase diagram ),1. 三相平衡转变（三个基本反应） 包晶反应 其反应式为: ，包晶反应的产物为奥氏体（图2.19中）。凡W(C)=0.090.53范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。由于工业生产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。 共析反应 其反应式为: ，共析反应产物为珠光体(P)，其组织形态如图2-22及图2-19中所示，P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度，一定塑韧性和硬度（b=770MPa，硬度180HBW，=20%35%，

8、AK=3040J）。 共析反应温度是水平线PSK(727)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A1表示。因此，凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。 共晶反应 其反应式为: ，共晶反应产物莱氏体(Ld)。共晶转变温度即相图上水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在2.116.69%范围内的铁碳合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至727时，Ld中的A也要进行共析反应形成P。因此，把共析线以上温度存在的(A+Fe3C)的机械混合物，称为高温莱氏体(Ld)，而把共析线以下温度存在的(P+Fe3CFe3)的机械混合物，称为低温莱氏体(用符号Ld表示)，其组织

9、形态如图2-21以及图2-19中所示。Ld的组织特征为呈点状或短条状P分布在白色Fe3C基体上，因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）。,2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation of the iron-carbon phase diagram ),图2.20 共析碳钢室温P显微组织 图2.21 共晶白口铸铁Ld显微组织,2.相图中的特性点、特性线及相区等,铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。 相图中包括5个单相区，7个双相区及3个三相区(对经简化的Fe-Fe3C相图而言，包括4个单相区，5个双相区及2个三相区)。 图2.17，图2.18即

10、为以相组分(即组成相或相组成物)形式表示的Fe-Fe3C合金相图。,表2.2 铁碳合金相图中的特性点和特性线,3. 铁碳合金的分类,钢和铸铁都是铁碳合金。它们可按C质量分数的多少来划分，也可按是否发生共晶反应来区分。C质量分数211%，或不发生共晶反应的铁碳合金称为钢(或碳钢)；而C的质量分数2.11% 或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁。由于此类铸铁的共晶体中C以Fe3C形式存在，其断口一般呈白亮色，故又称为白口铸铁。 根据成分不同，铁碳合金可分为3大类7种，如表2.3所示。,表2.3 铁碳合金的分类,2.3.3 铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织(Interpretation of equil

11、ibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures),1. 共析钢(w（C）0.77%C) 图2-22中为共析钢的冷却曲线。成分为0.77%C的合金自液态(L相)缓冷至1点以下，通过匀晶反应（LA）形成A，至2点时L相结晶完毕。在23点间合金无组织类型变化，仍为单相A组织。至3点时A发生共析反应: ,得到的转变产物称为P组织。从3点继续冷却至4点，P皆不发生转变。因此共析钢室温平衡组织全部为P。其结晶过程中的基本反应为：匀晶反应共晶反应。,图2-22 利用冷却曲线描述典型铁碳合金的平衡结晶过程,其室温

12、下组织组分为100% P；而P中相组分(组成相)为F和Fe3C，其相组分的相对质量分数为：F=（6.69-0.77）/6.69100%=88%， Fe3C=0.77/6.69100%=1-WF=12%。,2. 亚共析钢 ( 0.0218% w(C)0.77% ),下面以0.6%C钢为例，其冷却曲线如图2-22中示。该合金冷却时，从1点起自L中结晶出A，在12点间发生匀晶反应（LA），至2点获得全部A组织。在23点，随温度下降，仅为A的简单冷却。从3点起，冷却时由A中析出F，F在A晶界处优先形核并长大，而A和F的成分分别沿GS和GP线变化，至4点时，A的w（C）077%，F的w（C）0.0218

13、%，此时A发生共析反应，即 ，转变产物为P，而F不变化。从4点继续冷却至5点，合金组织不发生变化(因中析出Fe3C一般忽略不计)，因此室温平衡组织为F+P。亚共析钢室温下显微组织如图2-19中所示，其中黑色部分为P(由于放大倍数较低而使F、Fe3C层片分辨不清)，白色块状组织为先共析F。亚共析钢平衡结晶过程的基本反应：匀晶反应+固溶体转变反应+共析反应。 任一成分亚共析钢室温平衡组织均由F+P组成，但随钢碳含量增加，钢中P量增多，F量减少。,45钢的金相显微组织,3.过共析钢(0.77%w(C)2.11%),以12%C的铁碳合金为例，其冷却曲线如图2-22中所示。合金冷却时，从1点开始发生匀晶

14、反应，自L中结晶出A（LA），至2点全部结晶完毕，得到单一A。在23点间随温度下降，仅为A的简单冷却。从3点起，继续冷却将由A中析出Fe3C（AFe3C，），在温度34点间，随温度下降，Fe3C量不断增多，A量不断减少且其成分沿ES线变化。至4点温度(727)、剩余A的碳含量达S点(0.77%C)，这就具备了发生共析反应的条件: ，通过共析反应，剩余A全部转变为P，此时共析反应前从A中析出的Fe3C保持不变。共析反应刚结束时合金由P+Fe3C组成。继续冷却合金组织不再发生变化，故过共析钢室温平衡组织为P+Fe3C。 过共析钢室温下的显微组织特征为：Fe3C呈网状分布在层片状P周围，如图2-19

15、中的所示。其平衡结晶过程的基本反应为： 匀晶反应+二次析出反应+共析反应。 任一成分的过共析钢室温平衡组织均由P+Fe3C组成，但随钢中碳含量的增加，组织中Fe3C量增多，P量则减少。当w（C）211%时，Fe3C量达最大值，其相对质量分数为: Fe3C=（2.110.77）/（6.69-0.77）100%=226%.,表2-4 钢中组织组分与相组分的计算,利用杠杆定律计算室温下钢中组织组分与相组分的相对质量分数，归纳如表2-4所示。,表2-4 钢中组织组分与相组分的计算,4.共晶白口铸铁(w(C)=4.3% ),图2-22中所示系共晶白口铁的冷却曲线示意图。4.3%C合金熔液冷却至温度1点(

16、1148)时，发生共晶反应: ，形成莱氏体(Ld)组织。在12点间，Ld中的A不断析出Fe3C，析出的Fe3C与共晶Fe3C连在一起，在显微镜下无法分辨，但此时的Ld由A+ Fe3C + Fe3C组成。由于Fe3C的析出，使冷至2点时A的碳含量降至0.77%，并发生共析反应( )转变为P;高温莱氏体(Ld)转变成低温Ld(P+ Fe3C+Fe3C)。从23点组织不变化。所以室温平衡组织仍为Ld。共晶白口铸铁室温下的显微组织如图2-19中及图2-21所示，其组织特征可概括为:呈黑色条状或粒状P分布在白色Fe3C基体上。 由此，共晶白口铁结晶过程的基本反应为: 共晶反应+二次析出反应+共析反应。,

17、5.亚共晶白口铸铁(2.11%W(C)4.3%),图2-22中所示系亚共晶合金的冷却曲线。合金自1点起，发生匀晶反应，从L中结晶出初晶A，至2点时L相成分变为含4.3%C(此时A的成分亦变为2.11%C)，发生共晶反应 ，LC相转变为Ld而A不参与反应，此时合金组织为AE+Ld。在23点间继续冷却时，初晶Ae(E点成分)不断在其外围或晶界上析出Fe3C，同时Ld中的A也析出Fe3C，至3点温度时所有A成分均变为0.77%C,初晶A发生共析反应(ASFPFe3C)转变为P组织，高温莱氏体Ld也转变为低温莱氏体Ld。此时合金的组织为P+ Fe3C+Ld。在34点，只是简单冷却而合金组织不再变化。因

18、此，该合金室温组织为P+ Fe3C+Ld。其室温下的显微组织特征为呈白色网状Fe3C分布在粗大黑色块状P(从整体看呈树枝状)的周围，Ld则由细密黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成(图2-19中的所示)。亚共晶白口铸铁结晶过程的基本反应为： 匀晶反应+共晶反应+二次析出反应+共析反应。,6. 过共晶白口铸铁(4.3%w(C)6.69%),图2-22中所示系过共晶合金的冷却曲线。合金从1点起，由L中首先结晶出初晶一次渗碳体（Fe3C）即发生匀晶反应，在12点温度区间，随着先共晶渗碳体的结晶，剩余液相成分沿着DC线变化，当温度降至2点温度时，L相成分达到4.3%C，此时发生共晶反应： ，形成莱氏

19、体Ld组织。在23点间，Ld中的A不断析出Fe3C，并在3点发生共析反应（ASFPFe3C）生成P。此时高温莱氏体Ld转变为低温莱氏体Ld，但Fe3C始终不变。从3冷至4点无组织变化，所以该合金的室温平衡组织为Fe3CLd 。其室温下的组织特征为：呈粗大白色长条状Fe3C分布在Ld基体上(图2-19中的)。 其平衡结晶过程中的基本反应为: 匀晶反应+共晶反应+二次析出反应+共析反应。根据以上对各类铁碳合金平衡结晶过程的分析可知，各类合金按照组织组分形式填写的Fe-Fe3C相图如图2-19所示。,例题2-2 某退火状态的碳钢试样在显微镜下观察，其组织为珠光体（P）和铁素体（F）各占50%，试求该

20、钢的碳含量？并判断其钢号。,i. 分析：在金相显微镜下观察到的面积组织百分比，即为其体积百分比，由于其密度相同，那么P和F这两种组织的质量分数也应各占50%。由此可确定该钢在铁碳相图中的大致位置，应为亚共析钢。现设该钢的碳含量为x%（在成分轴上应选在碳含量为0.02180.77%之间），如图2-18中成分垂线所示。故应用杠杆定律很容易求出该钢的碳含量x%。 还需说明的是杠杆定律仅适用于两相区，利用杠杆定律计算组织组分的相对质量分数是杠杆定律的近似应用，因此须找出与组织组分相对应的两相区才能应用杠杆定律。从图2-19可知，与P+F组织相对应的两相区在室温下找不到，只有顺着合金成分垂线找到F+A两

21、相区。在这个两相区，A与P相对应（因A在随后的共析转变，全部转变为P）。此时杠杆的总长度为PS水平线，x为杠杆的支点位置。,例题2-2 某退火状态的碳钢试样在显微镜下观察，其组织为珠光体（P）和铁素体（F）各占50%，试求该钢的碳含量？并判断其钢号。,ii. 解答 应用杠杆定律可近似求该钢在室温下其珠光体（P）的相对质量分数： W（P）= P x/ PS = （x-0.02）/ （0.77-0.02） = 50% ，x = 0.395 。 故该钢的碳含量为0.395%，此成分与40钢相符，故可判断该钢为40钢。 iii. 归纳： 本题旨在检查对杠杆定律应用的熟练程度。杠杆定律仅适用于两相区，用

22、来计算两相组分的相对质量分数。那么，如何计算钢的组织组分的相对质量分数呢？仍然可应用杠杆定律，但注意必须找出与该组织组分相对应的两相区才能近似应用。对于亚共析钢而言，只能在GSP两相区中应用杠杆定律近似计算该钢组织组分的相对质量分数。 iv. 请思考： 如何计算过共析钢室温下的组织组分的相对质量分数呢？,2.3.4.碳含量对铁碳合金平衡组织与性能影响( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys ),1. 碳含量对平衡组织和力学性能的影响,图2-

23、23 碳含量对铁碳合金平衡组织和力学性能影响,随C质量分数的增加，铁碳合金的相组分和组织组分发生了如图2-23所示的变化： 所有铁碳合金在室温下组织皆由F、Fe3C两平衡相组成，随C质量分数增加，F量逐渐减少(由100%按直线关系变为0%)，Fe3C量逐渐增多(由0%按直线关系增至100%)。两平衡相的相对质量分数可由杠杆定律确定。由图进一步看出，不仅F和Fe3C两平衡相的相对量发生了变化，且两相相互组合形态即合金组织也在发生变化。随C质量分数增加，铁碳合金组织按下列顺序变化:（F）Fe3CP+ Fe3C+Ld LdLd+Fe3C（Fe3C）。 各个区间组织组分的相对量同样可用杠杆定律近似求出

24、。 碳含量的变化所引起的合金组织的变化必将对合金的性能产生重大影响。,2.3.4.碳含量对铁碳合金平衡组织与性能影响( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys ),1. 碳含量对平衡组织和力学性能的影响,图2-23 碳含量对合金组织和力学性能影响,工业纯铁系单相F，故塑、韧性好，硬强度很低。Cm是一强化相，随其数量增多，合金强度、硬度增高，塑韧性相应降低；同时Cm又是一脆性相，其形态和分布状况对合金性能也产生很大影响。当P内的Cm以片状与F构

25、成机械混合物时，合金综合力学性能较高。 亚共析钢力学性能与碳含量关系几乎呈直线变化。由于随碳含量增加，F量减少而P量增加，故塑韧性降低，而硬度、强度增加。当碳含量0.77%时，全部P组织，其强度较高且具一定塑性。,在过共析钢中，随C质量分数增加，Fe3C数量增加且呈断续网状分布，仍使合金强度硬度增加。但当碳含量达1.0%时，Fe3C呈连续网状分布时，虽不影响合金硬度，确使合金强度和韧性急剧下降。因Fe3C呈连续网状包围P，犹如包着一层脆性外壳，致使合金强度、韧性急剧下降。 对白口铸铁而言，由于共晶Cm作为Ld基体而使含有Ld合金的强度、塑性、韧度等性能变得极差，这也是其脆性极大、工业上很少应用根本原因。,2.碳含量对工艺性能的影响,(1)切削加工性 低碳钢(w（C）025%)中含有大量F，硬度低、塑韧性好，切削时产生的切削热大、易粘刀，且切屑不易折断，影响工