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文檔簡介
Fe-Fe3C相圖
A:1538、0%C:1148、4.30%E:1148、2.11%F:1148、6.69%G:912、0%J:1495、0.17%N:1394、0%P:727、0.02%S:727、0.77%Q:600、0.0057%重要點溫度、碳質量分數
1.鐵碳合金的組元
(1)Fe
鐵是過渡族元素,熔點為1538℃。密度是7.87g/cm3。純鐵從液態結晶為固態后,繼續冷卻到1394℃及912℃時,先后發生兩次同素異構轉變。純鐵的機械性能:強度低、硬度低、塑性好。抗拉強度σb180MPa~230MPa屈服強度σ0.2100MPa~170MPa
延伸率δ30%~50%
斷面收縮率ψ70%~80%
沖擊韌度ak1.6×106J/m2~2×106J/m2
硬度50HB~80HB
(2)Fe3CFe3C是Fe與C的一種具有復雜結構的間隙化合物,通常稱為滲碳體,用Cm表示。
滲碳體的機械性能特點是硬而脆。
800HB00030MPa硬度沖擊韌度ak
斷面收縮率Ψ
延伸率δ抗拉強度極限σb
2.鐵碳合金中的相
(1)液相L
液相L是鐵與碳的液溶體。
(2)δ相δ相又稱高溫鐵素體,是碳在δ-Fe中的間隙固溶體,呈體心立方晶格,在1394℃以上存在。F或α表示,是碳在α-Fe中的間隙固溶體,體心立方晶格,碳的固溶度極小,室溫時約為0.0008%。在727℃時溶碳量最大(0.0218%)。鐵素體性能是強度低、硬度低、塑性好。機械性能與純鐵大致相同。(3)α相α相也稱鐵素體,用γ相常稱奧氏體,用符號A或γ表示,是碳在γ-Fe中的間隙固溶體,面心立方晶格,碳的固溶度較大,在1148℃時溶碳量最大達2.11%。奧氏體的強度較低,硬度不高,易于塑性變形。(4)γ相
(5)Fe3C相
Fe3C相是Fe與C的一種具有復雜結構的間隙化合物,性能特點是硬而脆。
滲碳體根據生成條件不同有條狀、網狀、片狀、粒狀等形態,對鐵碳合金的機械性能有很大影響。
3.相圖中重要的點和線
(1)重要的點
●J點(包晶點)
●C點(共晶點)
共晶反應在恒溫下進行,反應過程中L、A、Fe3C三相共存,三相成分一定。
共晶反應產物是奧氏體與滲碳體的混和物,稱萊氏體(Le)。其中的滲碳體稱共晶滲碳體。顯微鏡下萊氏體形態:
塊狀或粒狀A(727℃時轉變成珠光體)分布在滲碳體基體上。
●S點(共析點)
共析反應在恒溫下進行,反應過程中,A、F、Fe3C三相共存,三相成分一定。
共析反應的產物是鐵素體與滲碳體的共析混合物,稱珠光體,以符號P表示。
珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。
珠光體形態:顯微鏡下珠光體的形態呈層片狀。相間分布滲碳體片與鐵素體片。
珠光體性能:強度較高,塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。珠光體機械性能抗拉強度極限/σb沖擊韌性ak
延伸率δ硬度
770MPa3×105J/m2~
4×105J/m2
20%~35%180HB
●E點
1148℃,2.11%C碳在γ-Fe中的最大溶解度●P點
727℃,0.0218%C碳在α-Fe中的最大溶解度
●B點
1495℃,0.53%C包晶轉變時液態合金的成分
●水平線HJB:包晶反應線
發生包晶反應。●水平線ECF:共晶反應線
發生共晶反應。●水平線PSK:共析反應線發生共析反應。亦稱A1線。(2)Fe-Fe3C相圖中重要的線●GS線
A中開始析出F臨界溫度線,稱A3線。●ES線
碳在A中的固溶線,叫Acm線。從A中析出Fe3C,叫二次滲碳體(Fe3CII)。亦是A中開始析出Fe3CII的臨界溫度線。●PQ線
是碳在F中固溶線。是F中開始析出Fe3CIII的臨界溫度線。Fe3CIII數量極少,往往予以忽略。二、典型鐵碳合金的平衡結晶過程
根據Fe-Fe3C相圖,鐵碳合金可分為3類7種:
(1)工業純鐵[w(C)≤0.0218%]
(2)鋼[0.0218%<w(C)≤2.11%]
亞共析鋼0.0218%<w(C)<0.77%共析鋼w(C)=0.77%過共析鋼0.77%<w(C)≤2.11%
(3)白口鑄鐵[2.11%<w(C)<6.69%]亞共晶白口鑄鐵2.11%<w(C)<4.3%共晶白口鑄鐵w(C)=4.3%過共晶白口鑄鐵4.3%<w(C)<6.69%幾種碳鋼的鋼號和碳質量分數
類型亞共析鋼
共析鋼過共析鋼鋼號
204560T8T10T12碳質量分數/%0.200.450.600.801.001.20典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置1.工業純鐵平衡結晶過程
碳質量分數0.01%1點以上液相L1~2點
L+δ
2~3點
δ3~4點
δ+A4~5點
A5~6點
A+F6~7點
F7~8點
F晶界析出Fe3CIII
室溫平衡組織為F+Fe3CIII純鐵的室溫平衡組織
F呈白色塊狀;Fe3CIII量極少,呈小白片狀分布于F晶界處。若忽略Fe3CIII,則組織全為F。室溫平衡組織:
F+Fe3CIII2.共析鋼平衡結晶過程
☆老師提示:重點內容碳質量分數為0.77%1~2點
L+A2~3點
A3~3'點
A→P
3'~4點
P
共析鋼的室溫平衡組織為:
P
共析鋼的室溫組織共析鋼的室溫組織組成物全部是P。
組成相為F和Fe3C,它們的質量分數為:
P(層片狀)3.亞共析鋼平衡結晶過程
以碳質量分數為0.4%的鐵碳合金為例1~2點
L+δ。2~2'點L+δ→A反應結束還有L2'~3點
L+A3~4點
A4~5點
A+F5~5'點
A→PF不變化
5'~6點
P+F40鋼的室溫平衡組織F呈白色塊狀;P呈層片狀,放大倍數不高時呈黑色塊狀。碳質量分數大于0.6%的亞共析鋼,室溫平衡組織中的F呈白色網狀,包圍在P周圍。
含0.4%C的亞共析鋼組織組成物為F和P。
室溫平衡組織:
F+P含0.4%C的亞共析鋼組織組成物為F和P。鋼的組成相為F和Fe3C:亞共析鋼的碳質量分數估算
如果忽略F中的碳含量,則P的質量分數為:w(P)=w(C)/0.77%亞共析鋼的碳質量分數估算:
w(C)=w(P)×0.77%式中,w(C)表示鋼的碳質量分數,
w(P)表示鋼中P的質量分數。
由于P和F的密度相近,鋼中P和F的質量分數可用顯微鏡下觀察到的P和F的面積百分數來估算。
4.過共析鋼平衡結晶過程
碳質量分數為1.2%1~2點
L+A2~3點
A3~4點A→Fe3CII,Fe3CII呈網狀分布在A晶界上。
4~4‘點
A→P,Fe3CII不變化。4'~5點
P+Fe3CII
T12鋼的室溫平衡組織Fe3CII呈網狀分布在層片狀P周圍。
含1.2%C的過共析鋼的組成相為F和Fe3C
組織組成物為Fe3CII和P:P+Fe3CII此時的萊氏體由A+Fe3CII+Fe3C組成。2~2'點
A→P,高溫萊氏體Le轉變成低溫萊氏體
Le'(P+Fe3CII+Fe3C)。2'~3點
Le'5.共晶白口鑄鐵平衡結晶過程
1~1'點
L→Le即L→(A+Fe3C)。1'~2點
Le中的A析出Fe3CII。共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織Le'由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成。共晶白口鑄鐵的組織組成物:全為Le',
組成相:F和Fe3C。
室溫平衡組織:
Le'2'~3點
A晶界析出Fe3CII
組織為A+Fe3CII+Le'3~3'點
A→P;高溫萊氏體Le轉變為低溫萊氏體Le'。3'~4點
P+Fe3CII+Le'6.亞共晶白口鑄鐵平衡結晶過程
w(C)3%1~2點
L+A。2~2'點
L→Le,共晶反應結束時:A+Le網狀Fe3CII分布在粗大塊狀P的周圍,Le‘由條狀或粒狀P和Fe3C基體組成。亞共晶白口鑄鐵的組成相為F和Fe3C;
組織組成物:P、Fe3CII、Le'。
亞共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織室溫平衡組織:
P+Fe3CII+Le'7.過共晶白口鑄鐵平衡結晶過程
共析溫度時高溫萊氏體Le轉變為低溫萊氏體Le'。得到Fe3CI+Le'
合金先從L中結晶出Fe3CI。然后L發生共晶反應轉變為Le。Fe3CI呈長條狀Le'由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成。過共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織室溫平衡組織:
Fe3CI+Le'三、鐵碳合金的成分—組織—性能關系
1.碳含量與組成相的質量分數之間的關系鐵碳合金(除純鐵)在室溫下的組織都由F和Fe3C兩相組成,兩相的質量分數由杠桿定律確定。隨碳含量的增加,F的量逐漸變少,Fe3C的量則逐漸增多。2.碳含量與組織組成物的質量分數之間的關系
室溫下,隨碳含量增大,組織按下列順序變化:
F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Le'、Le'、Le'+Fe3CI、Fe3C
組織組成物的質量分數用杠桿定律求出。
3.鐵碳合金的性能與碳含量之間關系
(1)硬度碳含量增加,Fe3C增多,F減少,合金的硬度呈直線關系增大,由全部為F的硬度約80HB增大到全部為Fe3C時的約800HB。
(2)強度
碳含量增加,亞共析鋼強度增加。超過共析成分后,Fe3CII沿晶界出現,強度增高變慢。到約0.9%C時,Fe3CII沿晶界形成完整的網,強度降低。碳質量分數到2.11%后出現Le',強度降到很低。(3)塑性
鐵碳合金中Fe3C是極脆的相。隨碳含量的增大,合金的塑性連續下降。到合金成為白口鑄鐵時,塑性近于零值。亞共析鋼的性能估算硬度≈80×w(F)+180×w(P)
(HB)
或硬度≈80×w(F)+800×w(Fe3C)(HB)
強度(σb)≈230×w(F)+770×w(P)(MPa)延伸率(δ)≈50×w(F)+20×w(P)(%)
式中的數字相應為F、P或Fe3C的大概硬度、強度和延伸率;
w(F)、w(P)、w(Fe3C)為組織中F、P或Fe3C的質量分數。
四、Fe-Fe3C相圖的應用
在生產中具有巨大的實際意義,主要應用:鋼鐵材料的選用加工工藝的制訂
1.在鋼鐵材料選用方面的應用
Fe-Fe3C相圖所表明的成分-組織-性能的規律,為鋼鐵材料的選用提供了根據。
●純鐵
強度低,不宜用做結構材料,但由于其導磁率高,矯頑力低,可作軟磁材料使用,例如做電磁鐵的鐵芯等。●鋼建筑結構和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料,選用碳含量較低的鋼材。
機械零件需要強度、塑性及韌性都較好的材料,應選用碳含量適中的中碳鋼。
工具要用硬度高和耐磨性好的材料,則選碳含量高的鋼種。●白口鑄鐵
硬度高、脆性大,不能切削加工,不能鍛造,但耐磨性好,鑄造性能優良,適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復雜的鑄件。如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機的磨球等。
2.在鑄造工藝方面的應用
根據Fe-Fe3C相圖確定合金澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50℃~100℃。純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好,凝固溫度區間最小,流動性好,分散縮孔少,可以獲得致密的鑄件。鑄鐵在生產上總是選在共晶成分附近。
鑄鋼的碳質量分數在0.15-0.
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