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法律顾问：赵建英律师 你头疼的铁碳相图动起来啦 铁碳相图是材料科学工程专业的灵魂知识，对于理解相图和工程应用有着重要的作用。但是铁碳相图理解起来也不是很容易，特别是对于刚开始学习的同学。对于铁碳相图的相关计算，同学们往往不能正确的区分相组成和组织组成，不能正确的使用杠杆定律。今天，小编通过动图的形式，为大家讲解铁碳相图。 1. 碳在铁中可能有四种存在形式 （1）碳原子溶于α-铁中形成的固溶体，称为铁素体（体心立方）。 （2）碳溶于-铁中形成的固溶体，称为奥氏体（面心立方）。（3）碳与铁原子形成复杂结构的化合物Fe3C（正交结构），称为渗碳体。 （4）碳以石墨形式的稳定相存在（六方结构）。通常情况下，铁碳合金是按照Fe-Fe3C系进行转变的，其中Fe3C是亚稳相，在一定条件下可以分解为铁和石墨。 2. 铁碳相图中的基本相及平衡反应  （1）液相（L）：Fe、C的液溶体。 （2）δ相：C溶于δ-Fe中形成的间隙固溶体，存在于高温，又称δ铁素体。Cmax%=0.09% （3）γ相：C溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，称奥氏体。用γ或A表示。Cmax%=2.11% （4）α相：C溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，称铁素体。用α或F表示。Cmax%=0.0218% （5）Fe3C相：它是Fe与C形成的间隙化合物，也叫渗碳体，含碳量6.69%。 HJB包晶转变线，在1495℃恒温下，发生包晶转变：  ECF 共晶转变线，在1148℃恒温下，发生共晶转变：  Ld共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体的混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。 PSK 共析转变线，在727℃恒温下，发生共析转变：  共析转变的产物称为珠光体，用P表示，此线常用A1表示。 三条析出线： CD线：是C在L中的固溶度曲线，当T低于此线时从L中结晶出Fe3C，此线为一次渗碳体的开始析出线。 ES线：是C在A中的固溶度曲线，当T低于此线时，要从A中析出Fe3C，此线是二次渗碳体的开始析出线，也叫Acm线。 PQ线：是C在F中的固溶度曲线，随T降低从F中析出Fe3C，此线为三次渗碳体的开始析出线。 3. 杠杆定律 合金在某温度下两平衡相的重量比，等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比，如图所示  在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分 杠杆定律只适用于两相区。单相区无必要使用，三相区不能使用 4. 铁碳合金的平衡组织及其凝固过程 铁碳合金按照含碳量分为七个类型： （1）工业纯铁  （2）共析钢  （3）亚共析钢  （4）过共析钢  （5）共晶白口铸铁  （6）亚共晶白口铸铁  （7）过共晶白口铸铁 现对每一种合金分析其平衡凝固过程及其室温组织 （1）工业纯铁，冷却过程如图所示 合金溶液冷至1-2点之间，由匀晶转变L→δ结晶出δ固溶体。2-3点之间为单相固溶体δ。继续冷却，在3-4点之间发生多晶转变δ→γ，奥氏体相不断在δ相的晶界上形核并长大，直至4点结束，合金全部转变成单相奥氏体，并保持到5点（727℃）温度以上。冷至5-6点之间又发生多晶型转变γ→α，变为铁素体。其同样在奥氏体晶界上优先形核并长大，并保持到7点温度以上。当温度下降到7点以下时，将从铁素体中析出三次渗碳体Fe3CШ。 合金的室温下组织为：α+ Fe3CⅢ （2）共析钢，冷却过程如图所示 合金溶液在1-2点按照均晶转变结晶出奥氏体。在2点凝固结束后全部转化为单相奥氏体，并保持到3点温度以上。当温度冷却到3点时，发生共析反应， 转变结束后奥氏体全部转化为珠光体，珠光体是铁素体和渗碳体的层片交替重叠的混合物，珠光体中的渗碳体称为恭喜渗碳体。当温度继续冷却，从铁素体中析出少量Fe3CШ与共析渗碳体长在一起无法辨认。 室温组织为：珠光体P 在室温下，珠光体中的铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆法则求得： 上式中 为铁素体在室温下碳溶解度的极限。 在光学显微镜图中，珠光体照片中白色片状为铁素体，黑色薄片是渗碳体，渗碳体不易侵蚀而凸出，在透射电镜下，铁素体相和渗碳体相的形态和层片宽度都很清晰。 在共析转变时，珠光体中任意一相铁素体或者渗碳体优先在奥氏体晶界上形核并以薄片状形态长大，通常情况下，渗碳体作为领先相优先在奥氏体晶界上形核并长大，导致周围奥氏体中贫碳，有利于铁素体晶核在渗碳体两侧形成，这样就形成了由铁素体和渗碳体组成的珠光体晶核。珠光体的层片间距随着冷却速度的增大而减小，珠光体层片越细，其强度越高，韧性和塑性也越好。层片状珠光体经适当的退火处理，则可以得到球状珠光体，球状珠光体的韧性和塑性高于层状珠光体，但强度稍差。 （3）亚共析钢冷却过程如图所示 合金在1-2点之间，按照均晶转变结晶出δ固溶体。冷却至2点时发生包晶反应： 由于合金的碳含量大于包晶点的成分（0.17%），所以包晶转变结束后，还有剩余的液相。包晶反应结束后，在2-3点之间，液相继续凝固成奥氏体，温度降至3点，合金全部转变ω(C)=0.4%的奥氏体，继续冷却，单相的奥氏体不变，直至冷却到4点，在4点开始析出铁素体。随着温度的继续下降，铁素体不断增多，其含碳量沿着GP线变化，而剩余奥氏体的含碳量则沿着GS线变化。当温度继续下降到5点，剩余奥氏体的碳含量ω(C)=0.77%，开始发生共析转变成珠光体。在5点一下，先共析铁素体中将析出三次渗碳体，但其数量很少，一般可以忽略。该合金室温组织由先共析铁素体和珠光体组成。 室温下的组织为：F(或a)+P, 在0.0218~0.77%C 范围内珠光体P 的量随含碳量增加而增加 （4）过共析钢冷却过程如图所示 合金在1-2点之间按照均晶过程结晶出单相奥氏体。冷却至2点时开始出奥氏体中析出二次渗碳体，直至4点位置，此期间奥氏体的成分沿着ES线变化，因Fe3CII沿着奥氏体晶界析出，故呈网状分布。当冷却到4温度时，奥氏体的ω（C）降为0.77%，因而反生恒温下的共析转变，最后组织为网状的二次渗碳体和珠光体。 过共析钢室温组织为：P + Fe3C Ⅱ （5）共晶白口铸铁冷却过程如图所示 合金溶液冷却至1点时，发生共晶转变： 此共晶合金称为莱氏体（Ld）。继续冷却，在1-2点之间，共晶合金中的奥氏体不断析出二次渗碳体，二次渗碳体通常依附在共晶渗碳体上而不能分辨，二次渗碳体的相对含量可由杠杆法则计算得出（11.8%）。当温度下降到2点时，共晶奥氏体的含碳量降至0.77%，此时在恒温下发生共析转变，形成珠光体。忽略2点以下析出的Fe3CⅢ，最后得到的组织是室温的莱氏体，称为变态莱氏体，用Ld表示，他保持原来莱氏体的形态，只是共晶奥氏体已转变称为珠光体。 共晶白口铁室温组织为e’（P + Fe3C），它保留了共晶转变产物的形态特征。 室温下两相的相对重量百分比为： （6）亚共晶白口铸铁冷却过程如图所示 合金溶液在1-2点凝固时结晶出奥氏体，此时液相成分沿着BC线变化，而奥氏体的成分沿着JE线变化。当温度达到2点时，初生奥氏体ω(C)为2.11%，液相ω(C)为4.3%，此时发生共晶转变，生成莱氏体。在2点以下，初生奥氏体（或称先共晶奥氏体）和共晶奥氏体中都会析出二次渗碳体，奥氏体成分随之沿着ES线变化。当温度降至3点时，所有奥氏体都发生共析转变而成为珠光体。其室温显微组织图中，树枝状的大块黑色组成体是由先共晶奥氏体转变成的珠光体，其余部分是变态莱氏体，由先共晶奥氏体中析出的二次渗碳体依附在共晶渗碳体上而难以分辨。 亚共晶白口铁室温组织为：P + Fe3CⅡ+ Le’ （7）过共析白口铸铁冷却过程如图所示
合金溶液冷却至1-2点之间时结晶出渗碳体，先共晶相为一次渗碳体，它不是以树枝状方式生长，而是以条状形态生长，其余转变同共晶白口铸铁转变相同。过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体。 室温组织为：Fe3CⅠ+ Le’ （注：此部分显微组织照片图例参考《材料科学基础》-上海交通大学第三版） End 来源：材子考研（ID：caizikaoyan） |
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