工程材料与热加工技术第3章

第3章 铁碳合金相图
3.2.2 典型合金结晶过程分析
1．铁碳合金的分类
根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： (1) 工业纯铁(wC≤0.0218%)。 (2) 钢(0.0218%＜wC≤2.11%)。钢分为亚共析钢(0.0218%＜ wC＜0.77%)、共析钢(wC=0.77%)和过共析钢(0.77%＜wC≤2.11% ＝。
第3章 铁碳合金相图
液相线和固相线之间所构成的两个区域，是由液态合金和 结晶体组成的两相区。不过，这两个区所包含的结晶体不同， 液态合金沿AC线结晶出来的是奥氏体，而沿CD线结晶出来的是 渗碳体。由液态合金直接析出的渗碳体称为一次渗碳体(Fe3CI)。
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ECF水平线为共晶反应线，C点为共晶点。合金在平衡结晶 过程中冷却到1148℃时，C点成分的液相发生共晶反应，生成E 点成分的奥氏体和Fe3C。共晶反应在恒温下进行，共晶转变的 表达式如下：
(1) 液相。用符号L表示，是铁碳合金在熔化温度以上形成 的均匀的液体。
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(2) 铁素体。用符号F表示，是碳溶解于α-Fe中形成的间隙 固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时 约为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时溶碳量最大， 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度、硬度低，塑性和韧性 良好。其力学性能与工业纯铁大致相同，即σb≈250 MPa、 80HBS、δ= 45%～50%，工业纯铁(wC≤0.02%)的室温组织是 由铁素体晶粒组成的。
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(3) 奥氏体。用符号A表示，是碳溶入γ-Fe中形成的间隙固 溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃ 时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于 塑性变形(δ= 40%～50%)。故在轧钢或锻造时，为使钢易于进 行变形，常把钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。
L—→L＋A—→A—→A＋Fe3CII—→P＋Fe3CII(网状) 因此室温平衡组织为P＋Fe3CII。其显微组织如图3-9所示。 Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。
第3章 铁碳合金相图 图3-9 过共析钢的显微组织
第3章 铁碳合金相图
3．白口铸铁(2.11%＜wC＜6.69%)的结晶过程 1) 亚共晶白口铁(以合金Ⅴ为例)
图3-5 共析钢的结晶过程示意图
第3章 铁碳合金相图 合金冷却时，于1点起从L中结晶出A，至2点全部结晶完了。 在2～3点间A不变。至3点时，A发生共析反应生成P。从3点继 续冷却至室温，P不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部 为P。即
L—→L+A—→A—→A+P—→P(F+Fe3C)
珠光体呈层片状，其显微组织如图3-2所示。
第3章 铁碳合金相图 图3-1 纯铁的冷却曲线
第3章 铁碳合金相图
纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结 晶的一般规律：有一定的平衡转变温度(相变点)；转变时需要 过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。 但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比在液态下困难得 多，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变 时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。例如，γ-Fe转 变为α-Fe时，它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件 变形和开裂。
L—→L＋A—→A—→F＋A—→F＋P
其显微组织如图3-7所示。F呈白色块状；P呈层片状，放大 倍数不高时呈黑色块状。含碳量大于0.6%的亚共析钢，室温平 衡组织中的F常呈白色网状，包围在P周围。
第3章 铁碳合金相图 图3-7 亚共析钢显微组
第3章 铁碳合金相图 3) 过共析钢的结晶过程 过共析钢的冷却过程如图3-4中的合金Ⅲ线所示，以含碳量 为1.2%的铁碳合金为例，其结晶过程如图3-8所示。
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3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相
3.1.1 纯铁的同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金
属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等 金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下存在两种或两种 以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过 程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变， 由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
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(4) 渗碳体相。渗碳体是Fe与C形成的一种具有复杂结构的 间隙化合物，含碳量为6.69%，通常称为渗碳体，用Fe3C(或Cm) 表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。它的硬度极高，可以 刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。
渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件呈条状、网状、片 状、粒状等不同形态，其数量、形态和分布对铁碳合金的力学 性能有很大影响。
第3章 铁碳合金相图
ES线是碳在奥氏体中的固溶线，通常叫做Acm线。由于在 1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%，而在727℃时仅为0.77%， 因此碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷却至727℃的过程 中，将从奥氏体中析出Fe3C，析出的渗碳体称为二次渗碳体 (Fe3CII)。
PQ线是碳在铁素体中的固溶线。在727℃时F中溶碳量最大 可达0.0218%，室温时仅为0.0008%，因此，含碳量大于 0.0008%的铁碳合金自727℃冷却至室温的过程中，将从F中析 出Fe3C，析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳 体数量极少，对钢铁性能的影响可以忽略不计。为了初学者方 便，可将铁碳相图的左下角简化。
LC 1148CC (AE F3C)
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物，称莱氏 体，以符号Ld表示。含碳量在2.11%～6.69%之间的铁碳合金， 在平衡结晶过程中均发生共晶反应。
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PSK水平线为共析反应线，S点为共析点。合金在平衡结晶 过程中冷却到727℃时，S点成分的奥氏体发生共析反应，生成P 点成分的铁素体和Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中 奥氏体、铁素体、Fe3C三相共存。共析转变的表达式如下：
第3章 铁碳合金相图 2) 亚共析钢的结晶过程 亚共析钢的冷却过程如图3-4中的合金Ⅱ线所示，以含碳量 为0.4%的铁碳合金为例，其结晶过程如图3-6所示。
图3-6 亚共析钢的结晶过程示意图
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亚共析钢在3点以上的结晶过程与共析钢相同，当冷却到3 点时，由A中析出F，F在A晶界处优先生核并长大，而A和F的 成分分别沿GS和GP线变化。至4点时，A的成分变为0.77%C，F 的成分变为0.0218%C。此时A发生共析反应，转变为P，F不变 化。4点以下继续冷却，组织基本不发生变化，因此室温平衡组 织为F＋P，即
第3章 铁碳合金相图 图3-2 珠光体的显微组织
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3.2 铁碳合金相图分析
铁碳合金相图是以温度为纵坐标、含碳量为横坐标绘制的 图形，如图3-3所示(这里将左上角进行了简化)。它是研究钢和 铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工工艺的制定也具 有重要的指导意义。由于含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极 大，没有使用价值，因而有实用意义并被深入研究的只是FeFe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和 Fe3C。
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(2) 相图中的特性线。相图中各条线都表示铁碳合金发生组 织转变的界限，这些线就是组织转变线，又称作特性线。下面 简单介绍一下主要特性线的含义。
ACD线为液相线。此线以上的区域是液相区，液态合金冷 却到此线温度时，便开始结晶。
AECF线为固相线。表示合金冷却到此线温度时将全部结晶 成固态。
第3章 铁碳合金相图
表3-1 铁碳合金相图各特性点的说明
符号 A C D E F G P S
温度/℃ 1538 1148 1227 1148 1148 912 727 727
含碳量/% 0
4.30 6.69 2.11 6.69
0 0.0218
0.77
含义 纯铁的熔点 共晶点 LC? ? (AE+Fe3C) Fe3C 的熔点 碳在 γ-Fe 中的最大溶解度 共晶生成 Fe3C 的成分 α-Fe? ? γ-Fe 同素异构转变点 碳在 α-Fe 中的最大溶解度 共析点 AS? ? (FP+Fe3C)
图3-8 过共析钢的结晶过程示意图
第3章 铁碳合金相图
合金冷却时，从1点起自L中结晶出A，至2点全部结晶完了。 在2～3点间A不变，从3点起由A中析出Fe3CII，Fe3CII呈网状分 布在A晶界上。至4点时A的含碳量降为0.77%，发生共析反应 转变为P，而Fe3CII不变化。在4～5点间冷却时组织不发生转变， 即
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(6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。它是奥氏体和渗碳体的 机械混合物，由于其中的奥氏体属高温组织，这时称高温莱氏 体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷却到727℃以下时，将转变 为珠光体和渗碳体的机械混合物(P+Fe3C)，称低温莱氏体，用 符号Ld′表示。
莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
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图3-1所示为纯铁的冷却曲线。液态纯铁在1538℃进行结 晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe。继续冷却到1394℃时发生 同素异构转变，成为面心立方晶格的γ-Fe。再冷却到912℃时 又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的α-Fe。正因为 纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组 织和性能成为可能。
AS 727CC (FP F3C)
共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光 体，以符号P表示。含碳量为0.0218%～6.69%的铁碳合金，在平 衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。
GS线是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的临界温度 线，通常称A3线。奥氏体之所以转变成铁素体是γ-Fe→α-Fe同素 异晶转变的结果。