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鐵碳合金中的基本相

時(shí)間：2013-09-03 14:01:13 來(lái)源：作者：

鐵碳合金中的基本相鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金相本組元也應(yīng)該是純鐵和Fe3C。鐵存在著同素異晶轉(zhuǎn)變，即在固態(tài)下有不同的結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的鐵與碳可以形成不同的固溶體，F(xiàn)e—Fe3C相圖上的固溶體都是間隙固溶體由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特點(diǎn)不同，因而兩者的溶碳能力也不同。

1,鐵素體(ferrite)鐵素體是碳在α-Fe中的間隙固溶體,用符號(hào)"F"(或α)表示，體心立方晶格;
雖然BCC的間隙總體積較大,但單個(gè)間隙體積較小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃時(shí)),室溫時(shí)幾乎為0,因此鐵素體的性能與純鐵相似，硬度低而塑性高,并有鐵磁性.
δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.
鐵素體的顯微組織與純鐵相同,用4%硝酸酒精溶液浸蝕后, 在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的多邊形等軸晶粒,在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布,但當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí),鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在珠光體的周圍.

2,奧氏體(Austenite )奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體,用符號(hào)"A"(或γ)表示，面心立方晶格雖然FCC的間隙總體積較小,但單個(gè)間隙體積較大,所以它的溶碳量較大,最多有2.11%(1148℃時(shí)),727℃時(shí)為0.77%.
    在一般情況下, 奧氏體是一種高溫組織,穩(wěn)定存在的溫度范圍為727~1394℃,故奧氏體的硬度低,塑性較高,通常在對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行熱變形加工,如鍛造,熱軋等時(shí),都應(yīng)將其加熱成奧氏體狀態(tài),所謂"趁熱打鐵"正是這個(gè)意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.
    另外奧氏體還有一個(gè)重要的性能,就是它具有順磁性,可用于要求不受磁場(chǎng)的零件或部件.
    奧氏體的組織與鐵素體相似,但晶界較為平直,且常有孿晶存在.

3,滲碳體(Cementite ）滲碳體是鐵和碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物,用化學(xué)分子式"Fe3C"表示.它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69%,熔點(diǎn)為1227℃,
質(zhì)硬而脆,耐腐蝕.用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蝕,滲碳體呈暗黑色.
滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相,根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀,網(wǎng)狀,片狀,粒狀等形態(tài),它們的大小,數(shù)量,分布對(duì)鐵碳合金性能有很大影響.

總結(jié):
在鐵碳合金中一共有三個(gè)相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體一般僅存在于高溫下,所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個(gè)相,就是鐵素體和滲碳體.由于鐵素體中的含碳量非常少,所以可以認(rèn)為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中.這一點(diǎn)是十分重要的.
鐵和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有實(shí)用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常稱其為 Fe-Fe3C相圖, 此時(shí)相圖的組元為Fe和Fe3C.
由于實(shí)際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分軸從0~6.69%.所謂的鐵碳合金相圖實(shí)際上就是Fe—Fe3C相圖.

鐵碳合金圖

鐵碳合金相圖分析Fe—Fe3C相圖看起來(lái)比較復(fù)雜,但它仍然是由一些基本相圖組成的,我們可以將Fe—Fe3C相圖分成上下兩個(gè)部分來(lái)分析.
上半部分-------共晶轉(zhuǎn)變在1148℃,4.3%C的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變:
Lc (AE+Fe3C),
轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為萊氏體,用符號(hào)Ld表示.
    存在于1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體,用符號(hào)Ld表示,組織由奧氏體和滲碳體組成;存在于727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體,用符號(hào)Ldˊ表示,組織由滲碳體和珠光體組成.
    低溫萊氏體是由珠光體,Fe3CⅡ和共晶Fe3C組成的機(jī)械混合物.經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察,其中珠光體呈黑色顆粒狀或短棒狀分布在Fe3C基體上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交織在一起,一般無(wú)法分辨.
下半部分-----共析轉(zhuǎn)變在727℃,0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變:
AS (F+Fe3C),轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體.
共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別是轉(zhuǎn)變物是固體而非液體.
相圖中的一些特征點(diǎn)相圖中應(yīng)該掌握的特征點(diǎn)有:A,D,E,C,G(A3點(diǎn)),S(A1點(diǎn)),它們的含義一定要搞清楚.根據(jù)相圖分析如下點(diǎn)：
相圖中重要的點(diǎn)(14個(gè))：
1.組元的熔點(diǎn): A (0, 1538) 鐵的熔點(diǎn);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;G(0, 912)γ-Fe α-Fe
3.碳在鐵中最大溶解度點(diǎn):
P(0.0218,727),碳在α-Fe 中的最大溶解度
E(2.11,1148),碳在γ-Fe 中的最大溶解度
H (0.09,1495),碳在δ-Fe中的最大溶解度
Q(0.0008,RT),室溫下碳在α-Fe 中的溶解度
三相共存點(diǎn):
S(共析點(diǎn),0.77,727),(A+F +Fe3C)
C(共晶點(diǎn),4.3,1148),( A+L +Fe3C)
J(包晶點(diǎn),0.17,1495)( δ+ A+L )
其它點(diǎn)
B(0.53,1495),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 ) , 滲碳體
    鐵碳相圖中的特性線相圖中的一些線應(yīng)該掌握的線有:ECF線,PSK線(A1線),GS線(A3線),ES線(ACM線)
水平線ECF為共晶反應(yīng)線.
    碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%～6.69%之間的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共晶反應(yīng).
水平線PSK為共析反應(yīng)線
    碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%～6.69%的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共析反應(yīng).PSK線亦稱A1線.
GS線是合金冷卻時(shí)自A中開(kāi)始析出F的臨界溫度線, 通常稱A3線.
ES線是碳在A中的固溶線, 通常叫做Acm線.由于在1148℃時(shí)A中溶碳量最大可達(dá)2.11%, 而在727℃時(shí)僅為0.77%, 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.77%的鐵碳合金自1148℃冷至727℃的過(guò)程中, 將從A中析出Fe3C.析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII). Acm線亦為從A中開(kāi)始析出Fe3CII的臨界溫度線.
PQ線是碳在F中固溶線.在727℃時(shí)F中溶碳量最大可達(dá)0.0218%, 室溫時(shí)僅為0.0008%, 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.0008%的鐵碳合金自727℃冷至室溫的過(guò)程中, 將從F中析出Fe3C.析出的滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII).PQ線亦為從F中開(kāi)始析出Fe3CIII的臨界溫度線.Fe3CIII數(shù)量極少,往往予以忽略.
    相圖中的相區(qū)1.單相區(qū)(4個(gè)+1個(gè)): L,δ,A,F ,(+ Fe3C)
    2.兩相區(qū)(7個(gè))+ δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.
含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響1．含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響
按杠桿定律計(jì)算，可總結(jié)出含碳量與鐵碳合金室溫時(shí)的組織組成物和相組成物間的定量關(guān)系
2．含碳量對(duì)機(jī)械性能的影響
    滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強(qiáng)度越高，塑性和韌性越低；但當(dāng)滲碳體分布在晶界或作為基體存在時(shí)，則材料的塑性和韌性大為下降，且強(qiáng)度也隨之降低。
3．含碳量對(duì)工藝性能的影響
    對(duì)切削加工性來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)降低其切削加工性能。
    對(duì)可鍛性而言，低碳鋼比高碳鋼好。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時(shí)，塑性好、強(qiáng)度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行。鍛造時(shí)必須根據(jù)鐵碳相圖確定合適的溫度，始軋和始鍛溫度不能過(guò)高，以免產(chǎn)生過(guò)燒；始軋和溫度也不能過(guò)低，以免產(chǎn)生裂紋。
    對(duì)鑄造性來(lái)說(shuō)，鑄鐵的流動(dòng)性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性也好，更具有良好的鑄造性能。從相圖的角度來(lái)講，凝固溫度區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔和偏析，鑄造性能越差。
    一般而言，含碳量越低，鋼的焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼更容易焊接。

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