鐵碳合金相圖與典型合金的結(jié)晶過程分析
一、鐵碳合金的組元
鐵：熔點(diǎn)1538℃，塑性好鹉鉴，強(qiáng)度硬度極低，在結(jié)晶過程中存在著同素異晶轉(zhuǎn)變糙枚。不同結(jié)構(gòu)的鐵與碳可以形成不同的固溶體胃争。
由于純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在生產(chǎn)上可以通過熱處理對(duì)鋼和鑄鐵改變其組織和性能院蜘。
碳：在Fe－Fe3C相圖中所讶，碳有兩種存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以間隙固溶體形式存在纳傍。
二妄温、鐵碳合金中的基本相
相：指系統(tǒng)中具有同一聚集狀態(tài)尖鲜、同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并以界面隔開的均勻組成部分瓷莽。
鐵碳合金系統(tǒng)中宣璧，鐵和碳相互作用形成的相有兩種：固溶體和金屬化合物。固溶體是鐵素體和奧氏體溃卡；金屬化合物是滲碳體溢豆。這也是碳在合金中的兩種存在形式。
1．鐵素體
碳溶于a-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體瘸羡，用a或者F表示漩仙，為體心立方晶格結(jié)構(gòu)。塑性好犹赖，強(qiáng)度硬度低队他。
2．奧氏體
碳溶于g-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用g?或者A表示峻村，為面心立方晶格結(jié)構(gòu)麸折。塑性好，強(qiáng)度硬度略高于鐵素體粘昨，無磁性垢啼。
3．滲碳體Fe3C：晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含碳量6.69％张肾，熔點(diǎn)高芭析，硬而脆，幾乎沒有塑性然那。
滲碳體對(duì)合金性能的影響：
（1）滲碳體的存在能提高合金的硬度邀敲、耐磨性恰印，使合金的塑性和韌性降低涝沈。
（2）對(duì)強(qiáng)度的影響與滲碳體的形態(tài)和分布有關(guān)：
以層片狀或粒狀均勻分布在組織中，能提高合金的強(qiáng)度瓢圈；
以連續(xù)網(wǎng)狀侍醇、粗大的片狀或作為基體出現(xiàn)時(shí)，急劇降低合金的強(qiáng)度珊场、塑性韌性子历。
二、兩相機(jī)械混合物
珠光體：鐵素體與滲碳體的兩相混合物逼酗，強(qiáng)度稻便、硬度及塑性適中。
萊氏體：奧氏體與滲碳體的混合物诽昨；室溫下為珠光體與滲碳體的混合物趁宠，又硬又脆不从。
鐵素體、奧氏體犁跪、滲碳體椿息、珠光體和萊氏體為鐵碳合金中的基本組織，是鐵碳合金中的組織組成物坷衍。
組織組成物：指構(gòu)成顯微組織的獨(dú)立部分寝优，可以是單相，也可以是兩相或多相混合物枫耳。
第二節(jié) 鐵碳合金相圖
一、相圖中的點(diǎn)（14個(gè)）
1．組元的熔點(diǎn)： A (0, 1538) 鐵的熔點(diǎn)仑最；D (6.69, 1227) Fe3C的熔點(diǎn)
2．同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)：N（0, 1394）δ-Fe ?γ-Fe扔役；G（0, 912）γ-Fe?α-Fe
3．碳在鐵中最大溶解度點(diǎn)：
P（0.0218，727）警医，碳在α-Fe中的最大溶解度
E（2.11亿胸，1148），碳在γ-Fe 中的最大溶解度
H (0.09酱晾，1495)国产，碳在δ-Fe中的最大溶解度
Q（0.0008，RT）赠飞，室溫下碳在α-Fe中的溶解度
2．三相共存點(diǎn)：
S（共析點(diǎn)拼固，0.77，727）篙协，（A＋F ＋Fe3C）
C（共晶點(diǎn)今攀，4.3，1148）粟朵，（ A＋L ＋Fe3C）
J（包晶點(diǎn)敲抄，0.17，1495）（ ?＋ A＋L ）
3．其它點(diǎn)
· B（0.53喻秩，1495）碴验，發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)液相的成分
· F（6.69,1148 ） ， 滲碳體
· K (6.69,727 ) 娃肃， 滲碳體
二缕陕、相圖中的線
1．液相線(ＡＢＣＤ)：結(jié)晶時(shí)液相的成分，在其上體系為液相；
2．固相線（ＡＨＪＥＣＦ）：結(jié)晶時(shí)固相的成分扛邑，其下為固相卜范。
3．恒溫轉(zhuǎn)變的線：HJB 包晶線、ECF共晶線鹿榜、PSK共析線海雪。
PSK 線，共析線舱殿。在此線上的合金都要發(fā)生共析反應(yīng)奥裸。冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度沪袭；加熱時(shí)湾宙，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度；PSK線又稱A1線冈绊。
4．固溶度線
ES線：碳在奧氏體中的溶解度線侠鳄，隨溫度溫度-，溶解度-死宣；0.77%～2.11%C枕捺。冷卻時(shí)，從奧氏體中開始析出二次滲碳體的溫度跷碰；加熱時(shí)壁歧，二次滲碳體完全溶入奧氏體中的溫度。ES線又叫作Acm線谎后。
PQ 線：碳在鐵素體中的溶解度段扛；隨溫度-，最大溶解度-古种；0.0008% ～0.0218%C袁虽；冷卻時(shí)，從鐵素體中開始析出三次滲碳體的溫度绷荔；加熱時(shí)坠髓，三次滲碳體完全溶入鐵素體的溫度。
5．同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線：NH 和 NJ浅慎，GS 和 GP胁会。
GS線：冷卻時(shí)贺潜，由奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度抵蚊；加熱時(shí)，鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度溯革，GS線又叫作A3線贞绳。
三、相圖中的相區(qū)
1．單相區(qū)（4個(gè)＋1個(gè)）： L致稀、δ冈闭、A俱尼、F 、（＋ Fe3C）
2．兩相區(qū)（7個(gè)）：L + δ萎攒、L + Fe3C遇八、L + A、 δ+ A 耍休、A + F 刃永、A + Fe3C 、F + Fe3C羊精。
四斯够、基本轉(zhuǎn)變類型
室溫下該成分線所在的相區(qū)熬的，合金室溫下就具有那個(gè)相；組織組成物則取決于冷卻過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變。
五種滲碳體的異同（Fe3CI、Fe3CⅡ太汹、Fe3CIⅡ榕华、共晶Fe3C、共析Fe3C）：它們只是形成條件窗项、形態(tài)與分布不同粮忍，對(duì)鐵碳合金性能有所不同，就其本身來說帮声，并無本質(zhì)區(qū)別哼沃，都是同一種物質(zhì)，即Fe3C吹迎，6.69％C床候。
五、鐵碳合金分類
工業(yè)純鐵湃足、鋼（亞共析猩缺、共析、過共析鋼）剂户、鑄鐵（亞共晶泣爷、共晶、過共晶白口鑄鐵）
六奉狈、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析
分析方法和步驟：
? 在相圖的橫坐標(biāo)上找出給定的成分點(diǎn)卤唉，過該點(diǎn)作成分線；
? 在成分線與相圖的各條線的交點(diǎn)作標(biāo)記（一般用1仁期、2桑驱、3、4…….）
? 寫出每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間或者重要點(diǎn)上發(fā)生的轉(zhuǎn)變（由液相分析至室溫）跛蛋。
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A |
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A |
1．Wc＝0.77%的鐵碳合金結(jié)晶過程分析
合金在1點(diǎn)溫度以上為液相L押框；
在1～2溫度之間岔绸，發(fā)生勻晶反應(yīng)，從液相中析出奧氏體相橡伞；
在2～3點(diǎn)溫度之間盒揉，為單相奧氏體，只有溫度的降低兑徘；
在3點(diǎn)（S點(diǎn)）時(shí)到達(dá)共析溫度（7270C预烙，奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，生成珠光體組織夜墓；
3點(diǎn)以下直到室溫千荡，合金溫度降低，為珠光體組織泰锦。
所以绅踪，Wc＝0.77%的鐵碳合金
? 室溫下的相：F+Fe3C
? 組織組成物：P(珠光體）（100％）
? 組織形貌： F和Fe3C層片狀混合物
2．Wc＝0.4%的鐵碳合金結(jié)晶過程分析
合金在1點(diǎn)溫度以上為液相L；
在1～2點(diǎn)溫度之間诗实，發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變兄诱，從液相中結(jié)晶出δ鐵素體相；
在2點(diǎn)1495℃昆饲，液相L與δ相發(fā)生包晶反應(yīng)旧育，生成奧氏體A，液相有剩余蝗袄；
在2～3點(diǎn)溫度之間路揖，剩余的液相向A相轉(zhuǎn)變；
在3～4點(diǎn)溫度之間贮爹，為單相奧氏體斋射，合金溫度降低；
在4～5點(diǎn)溫度之間但荤，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變罗岖，A向F（先共析鐵素體）轉(zhuǎn)變，為（F＋A）兩相腹躁；
在5點(diǎn)727℃桑包，未轉(zhuǎn)變成F的A發(fā)生共析反應(yīng)，生成珠光體（P）組織纺非；
從5點(diǎn)直到室溫哑了，組織為（F＋P），合金溫度降低铐炫，沒有組織轉(zhuǎn)變垒手。
? 室溫下的相：F+Fe3C
? 組織組成物：F和P
? 組織形貌：塊狀F和片狀P
3．過共析鋼（1.2％C）
合金在BC線溫度以上為液相L；
在BC線～JE線溫度之間倒信，發(fā)生勻晶反應(yīng)科贬，從液相中析出奧氏體相；
在JE線～ES線溫度之間鳖悠，為單相奧氏體渺广，合金溫度降低；
在ES線～PSK線溫度之間血洞，從奧氏體中析出二次滲碳體相（先共析滲碳體）湃鳖，合金為A＋Fe3CⅡ兩相；
在PSK線上727℃時(shí)僻携，未轉(zhuǎn)變的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)狮最，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織；
從727℃直到室溫疹返，合金溫度降低泌祥，沒有發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。
室溫下的相：F+Fe3C
室溫組織：珠光體＋二次滲碳體律跺。
組織形態(tài)：片狀P和二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布在A晶界放暇。
在過共析鋼中，當(dāng)碳含量小于0.9％時(shí)侦镜，二次滲碳體呈片狀分布在A晶界打吱；當(dāng)碳含量大于0.9％時(shí)，二次滲碳體成為網(wǎng)狀沿晶界分布翠霍。
室溫下組織組成物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的計(jì)算：
4．白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過程（略）
七．Fe－Fe3C相圖的應(yīng)用
（一）锭吨、碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響
1．含碳量對(duì)合金平衡組織的影響
Fe3C的形態(tài)：
2．含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響
（1）含碳量增加蒋情，硬度增加埠况；塑性韌性降低。
（2）含碳量增加棵癣，強(qiáng)度先增后降（0.9%最高）：當(dāng)碳含量在小于0.9％時(shí)辕翰，滲碳體含量越多，分布越均勻狈谊，鐵碳合金強(qiáng)度越高喜命；當(dāng)碳含量超過0.9％時(shí)，滲碳體在鋼的組織中呈網(wǎng)狀分布在晶界河劝，而在白口鑄鐵的組織中作為基體存在壁榕，使強(qiáng)度降低矛紫。
3．含碳量對(duì)工藝性能的影響
切削加工性能：一般認(rèn)為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右燕紊，切削加工性能最好塌或。含碳量過高或過低，都會(huì)降低其切削加工性能荔寞。
可鍛性：低碳鋼比高碳鋼好缚形。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時(shí)，塑性好超瞧、強(qiáng)度低甜脖，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在單相奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行迈竖。
鑄造工藝性能：鑄鐵的流動(dòng)性比鋼好廊畔，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵脖煮，其結(jié)晶溫度低任础，流動(dòng)性也好，更具有良好的鑄造性能亏乞。從相圖的角度來看焰究，凝固溫度區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔和偏析怒详，鑄造工藝性能越差炉媒。
可焊性：一般，含碳量越低昆烁，鋼的焊接性能越好吊骤，所以低碳鋼比高碳鋼更容易焊接。
（二）静尼、Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用
1．為制定熱加工工藝提供依據(jù)白粉。
（1）制定熱處理工藝的依據(jù)
（2）為制定熱加工工藝提供依據(jù)，包括鑄造鼠渺、鍛造鸭巴、焊接、熱處理拦盹。
鑄造方面 鑄造合金成分的確定和澆注溫度的確定鹃祖。
鍛造方面 確定始鍛溫度和終鍛溫度。
焊接方面 分析熱影響區(qū)的組織普舆。
熱處理方面 確定熱處理加熱的溫度恬口。
2．為選材提供成分依據(jù)。
工業(yè)純鐵：室溫下退火態(tài)的組織由等軸晶粒組成速痹；強(qiáng)度低裂蝉，塑性绳练、韌性好；作為功能材料使用虑庇，如變壓器的鐵芯等枫昏。
含碳量在0.15-0.25%的亞共析鋼：屬低碳鋼，為工程結(jié)構(gòu)用鋼盾峭。這類鋼主要用于房屋滤萝，橋梁稿纺、船舶甫碉、車輛、礦井或油井井架等大型工程結(jié)構(gòu)件谭驮，一般不進(jìn)行熱處理蝗质，直接在熱軋或正火狀態(tài)下使用。
含碳量在0.30-0.50%的亞共析鋼齐秕，屬中碳鋼沈机，為機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼。主要用于制造各種機(jī)械零部件笋敞，如軸類碱蒙、齒輪等。它要求有較高的強(qiáng)度夯巷，塑性赛惩、韌性和疲勞強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能。這類鋼通常在淬火趁餐、高溫回火狀態(tài)下使用喷兼，常稱之為調(diào)質(zhì)鋼。
含碳量在0.6～0.7%的亞共析鋼后雷，屬高碳鋼季惯，也為機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼。主要用于制造各種彈性元件臀突，如彈簧勉抓。它要求有較高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度。這類鋼通常在淬火后再中溫回火后使用候学，常稱之為彈簧鋼琳状。
含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵芍迫。鑄鐵具有較低的熔點(diǎn)，優(yōu)良的鑄造工藝性能和良好的抗震性盔鬼，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單哪趟，成本低廉，用途非常廣泛女饺。如：各類機(jī)器的機(jī)身或底座纹怨，土建工程中的鑄鐵管，冶金工業(yè)中的鋼錠模及軋輥等儒恋。
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