金相学史话_3_Fe_C平衡图

第19卷第2期Vol .19No .2

材　料　科　学　与　工　程

Materials Science &Engineering

总第74期June .2001

收稿日期:2000-05-20

作者简介:郭可信(1923—),男,浙江大学化工系毕业,中国科学院院士.

文章编号:1004-793X (2001)02-0002-07

金相学史话(3):Fe -C 平衡图

郭可信

(中国科学院物理研究所北京电子显微镜实验室,北京2724信箱　100080)

【摘　要】　1868年Чернов首先指出钢的淬火温度应在临界点a 以上,相当于Osmond 后来给

出的Ac 1或Ac 3。Roberts -Austen (即奥氏)在1896年绘制出Fe -C 临界点图,接着又在1897年给出第一个Fe -C 平衡图,其中有碳在γ-Fe 中的单相区(后来Howe 称之为奥氏体)。两年后他又给出第二个Fe -C 平衡图,根据相律,包晶、共晶、共析三相反应都发生在一固定温度。一年后(1900),Bakhuis -Roozeboom 引入Fe 3C 并根据相律绘出Fe -Fe 3C 亚稳平衡图,与现今使用的Fe -C 平衡图基本相同。

【关键词】　金相;历史;Fe -C 平衡图

中图分类号:TG113　N91 文献标识码:A

A Brief History of Metallography :

Ⅲ.Fe -C Equilibrium Diagram

GUO Ke -xin (K .H .Kuo )

(Beijing La boratory of Electron Microscopy ,Institute of Physics ,Chinese Aca demy of Sciences ,P .O .Box 2724,Beijing 100080,China )

【Abstract 】　In 1868Черновfrist pointed out that steels have to be quenched above a certain critical temperature a ,corresponding to the A C1or A C3used later by Osmond .Roberts -Austen in 1896drew the critical point diagram of the Fe -C s ystem and in 1897the first Fe -C equilibriu m diagram in which a single -phase region of the solid solution of carbon in γ-Fe

exists (later called austenite by Howe ).In 1899Roberts -Austen presented the second Fe -C equilibrium diagram in which the peritectic ,eutectic ,and eutectoid three -phase reactions ,according to the phase rule ,all occurred at constant tempera -tures .Finally ,Bakhuis -Roozeboom in 1900produced the Fe -Fe 3C metastable equilibrium diagram ,which is basically the same as the present Fe -C equilibrium diagram in use .

【Key words 】　metallography ;history ;Fe -C equilibrium diagram Fe -C 平衡图是研究钢铁的金相组织与制定热处理制度的依据,它的重要意义是无庸赘叙的。这里要介绍的是它的诞生与完善过程,说明它的历史意义。首先,金相学的兴起是从研究钢铁的显微组织开始的,从Fe -C 平衡图的发展过程可以了解金相

学的早期发展史。其次,Fe -C 平衡图是第一个用相律为指南制定的合金平衡图,在这之后相律的重要

意义就为冶金学家普遍接受。还有就是Fe -C 平衡图比较复杂,除了有共晶、包晶、共析等反应外,C 还可以以平衡态(石墨)与亚平衡态(Fe 3C )两种方式存

在。从Fe -C 平衡图的形成与逐渐完善我们可以看到这个认识全过程是怎么完成的,加深对第一代、第二代金相学家的思维发展的了解,对我们开展金相研究工作也是有益的。

1　Чернов与钢的临界点

[1]

尽管瑞典的Angerstein 早在1777年就在他对钢

的淬火观察所做的报道中隐约地提出过临界点的概念,但是明确地提出临界点的还是俄国的冶金学家Чернов。1868年Чернов在一个制造火炮及炮弹的兵工厂中工作,从炮管的锻造、淬火、回火、断口检验等大量生产实践中,他总结出钢一定要加热到某一温度a 以上(图1)才能在淬火急冷后硬化,在这个温度以下淬火,钢不但不硬化反而变软。显然,加热温度是钢的淬火的成败关键。他还发现,随着钢中碳含量的变化,这个临界点范围也有所变化。在高碳工具钢中,它是700～750℃;碳含量降低,临界点a

有所升高。用现代的热处理术语,前者相当于A c 1,后得相当于A c3。

Чернов对于钢的淬火研究是相当全面的,他不仅发现临界点a ,还有临界点d (图1)。对于0.8%C 的钢而言,d 点在200℃。他在1885年在俄国工程师学会上的一篇报告中指出,“钢在淬火中需要急冷到的温度也有一定数值———200℃”。后来他用d 表示这一温度,这实际上就是我们今天使用的马氏体相变的起始温度M s 。

Чернов认为点b (800℃)是钢的“结构”开始变化的温度,这里的结构是指断口的类型。加热到a (700℃)与b 两点之间的一个温度淬火,钢的断口是细晶粒状的;淬火温度超过b 点,断口上就会出现粗晶粒;到温度c 断口完全是结晶状的。虽然Чернов的b 与c 两点并不与钢中的相变点对应,但却说明钢的奥氏体晶粒长大的温度范围。Чернов明确指出淬火温度应选在a ,b 之间,停锻温度越接近b 点越好,这样可以通过锻造使晶粒细化(再结晶)

。

图1　Чернов测定的钢的临界点(1889)

图注:200°—“淬透应冷却的温度”。450°—“充分回火的温度”。700-800°—“红热”。从o 到b (上)—“结构稳定”。从b 到c (上)—“从b 加热到c ,非晶结构”。从b 到c (下)———“从c 冷却到b ,结晶”。从o 到a (下)—“淬火不成功”.

除了这些临界点外,Чернов还测量了淬火速度的要求。他把钢做成圆筒状的杯,加热后淬火时使

钢杯露出水面,观察钢杯中熔融状态的锡的凝固时间。锡的熔点约为230℃,与钢必须急冷到的200℃