铁碳合金的平衡结晶过程

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：

⑴ 工业纯铁（<0.0218% C ），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。 ⑵ 碳钢（0.0218%~2.11%C ），其特点是高温组织为单相A ，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C ）、共析钢（0.77%C ）和过共析钢（0.77%~2.11%C ）。 ⑶ 白口铸铁（2.11%~6.69%C ），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C ）、共晶白口铸铁（4.3%C ）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C ）

下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。

图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置

㈠ 工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程

合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。温度降低到3点以后，开始从δ铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，δ铁素体全部转变为奥氏体。在4~5点之间，不发生组织转变。冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。在6-7点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为：

%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC Fe Q 。图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。工业纯铁的室温组织为α+Fe 3C III ，如图3-28所示，图中个别部位的双

晶界内是Fe 3C III 。

图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程

共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。合金液体在1 ~ 2 点间通过匀晶反应转变为奥氏体。在2 ~ 3点之间,不发生组织转变。到达3点以后，发生共析转变：γ0。77 → α0。0218 +Fe 3C ，由奥氏体相同时析出铁素体和渗碳体。

反应结束后，奥氏体全部转变为珠光体。继续冷却会从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体，但是它们往往依附在共析渗碳体上，难于分辨。共析钢的室温组织为100%的珠光体，如图3-30所示。由图3-30可以看出，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈指纹状，其中白色的基底为铁素体，黑色的层片为渗碳体。室温下珠光体中两相的相对重量百分比为：

，%5.88%1000008.069.677.069.6=⨯--=αQ %5.11%5.88%1003=-=C Fe Q 。

图3-29 共析钢的冷却曲线及组织转变示意图 图3-30 珠光体组织 400× ㈢ 亚共析钢（图3-27中合金③）的结晶过程

含碳量在0.09%~0.53%之间的亚共析钢结晶时将发生包晶反应。现以含

0.45%C的钢为例分析亚共析钢的结晶过程，其冷却曲线及组织转变示于图3-31。该合金从液态缓慢冷却到1点后，发生匀晶反应,开始析出δ铁素体。到达2点

温度时，匀晶反应停止，开始发生包晶转变：L

0.53 + δ

0.09

→γ

0.17

。包晶转变结束

后，除了新形成的奥氏体外，液相还有剩余。温度继续下降，在2-3点之间，剩余的液相通过匀晶反应全部转变为奥氏体。在3-4点之间，不发生组织变化。冷却到4点，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降低，铁素体数量增多。温度降到5点，奥氏体的成分沿GS线变化到S点，此时，奥氏体向铁素体的转

变结束，剩余的奥氏体发生共析反应：γ

0.77→α

0.0218

+ Fe

3

C，转变为珠光体。温

度继续下降，从铁素体中析出三次渗碳体，但是由于其数量很少，因此可忽略不计。亚共析钢的室温组织为珠光体+铁素体，如图3-32所示，图中的白色组织为先共析铁素体，黑色组织为珠光体。

图3-31 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图

(a) 0.20%C (a) 0.45%C

图3-32 亚共析钢的显微组织 400×

室温下，含0.45%C亚共析钢中先共析铁素体和珠光体两个组织组成物的相

对重量百分比为：

%

6.

41

%

4.

58

%

100

%

4.

58

%

100

0008

.0

77

.0

0008

.0

45

.0

=

-

=

=

⨯

-

-

=α

Q

Q P，

。而铁素

体和渗碳体两相的相对重量百分比为：

%3.93%7.6%100%7.6%1000008.069.60008.045.03=-==⨯--=αQ Q C Fe ，。

在0.0218%~0.77%C 范围内珠光体的相对重量随含碳量的增加而增加。由于室温下铁素体中含碳量极低，珠光体与铁素体密度相近，所以在忽略铁素体中含碳量的情况下，可以利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，近似地估算亚共析钢的含碳量：

%77.0%%⨯=面积P C 。式中，P Q P =面积，为珠光体的面积百分比。

㈣ 过共析钢（图3-26中合金④）的结晶过程

过共析钢的结晶过程及组织转变示于图3-33。合金液体在1~2点间发生匀晶转变，全部转变为奥氏体。冷却到3点后，开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，并在晶界上呈网状分布。在3~4点之间，二次渗碳体量不断增多。温度降到4点，二次渗碳体析出停止，奥氏体成分沿ES 线变化到S 点，剩余的奥氏体发生共析反应：γ0.77 → α0.0218 + Fe 3C ，转变为珠光体。继续冷却，二次渗碳体不再发

生变化，珠光体的变化同共析钢。过共析钢的室温组织为珠光体 +网状二次渗碳体，如图3–34所示，图中的白色网状的是二次渗碳体，黑色为珠光体。

室温下，含1.2%C 过共析钢中二次渗碳体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：

%74.92%26.7%100%26.7%10077

.069.677.02.13=-==⨯--=

P C Fe Q Q ，。 过共析钢中Fe 3C Ⅱ的量随含碳量增加而增加，当含碳量达到2.11%时，Fe 3C Ⅱ量最大：

%6.22%10077.069.677.011.23=⨯--=ⅡC Fe Q 。