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铁碳合金相图
非合金钢[(GB/T13304-91),将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料,都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系,有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物:、、等。的含碳量为6.69%,铁碳合金含碳量超过6.69%,脆性很大,没有实用价值,所以本章讨论的铁碳相图,实际是-相图。相图的两个组元是和。
3.1-系合金的组元与基本相
3.l.l组元
⑴纯铁是过渡族元素,1个大气压下的熔点为1538℃,20℃时的密度为。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构(同素异构转变),即:
-(体心)-(面心)-(体心)
工业纯铁的力学性能大致如下:抗拉强度=180~230,屈服强度=100~170,伸长率30~50%,硬度为50~80。
可见,纯铁强度低,硬度低,塑性好,很少做结构材料,由于有高的磁导率,主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵是铁和碳形成的间隙化合物,晶体结构十分复杂,通常称渗碳体,可用符号表示。具有很高的硬度但很脆,硬度约为950~1050,抗拉强度=30,伸长率。
3.1.2基本相
-相图中除了高温时存在的液相,和化合物相外,还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相:
⑴高温铁素体碳溶于-的间隙固溶体,体心立方晶格,用符号表示。
⑵铁素体碳溶于-的间隙固溶体,体心立方晶格,用符号或表示。中碳的固溶度极小,室温时约为0.0008%,600℃时约为0.0057%,在727℃时溶碳量最大,约为0.0218%,但也不大,在后续的计算中,如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。
⑶奥氏体碳溶于-的间隙固溶体,面心立方晶格,用符号或表示。奥氏体中碳的固溶度较大,在1148℃时最大达2.11%。奥氏体强度较低,硬度不高,易于塑性变形。
3.2-相图
3.2.1-相图中各点的温度、含碳量及含义
-相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。
图3.1及表3.1中代表符号属通用,一般不随意改变。
C,%(重量)→
图3.1-相图
表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义
符号
温度(℃)
含碳量[%(质量)]
含义
A
B
C
D
E
F
G
H
J
K
N
P
S
Q
1538
1495
1148
1227
1148
1148
912
1495
1495
727
1394
727
727
600
(室温)
0
0.53
4.30
6.69
2.11
6.69
0
0.09
0.17
6.69
0
0.0218
0.77
0.0057
(0.0008)
纯铁的熔点
包晶转变时液态合金的成分
共晶点
Fe3C的熔点
碳在γ-Fe中的最大溶解度
Fe3C的成分
α-Fe→γ-Fe同素异构转变点
碳在δ-Fe中的最大溶解度
包晶点
Fe3C的成分
γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点
碳在α-Fe中的最大溶解度
共析点
600℃(或室温)时碳在α-Fe中的最大溶解度
3.2.2-相图中重要的点和线
3.2.2.1三个重要的特性点
⑴点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。点成分的与点成分的发生包晶反应,生成点成分的。包晶反应在恒温下进行,反应过程中、、三相共存,反应式为:或。
⑵点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。点成分的发生共晶反应,生成点成分的和。共晶反应在恒温下进行,反应过程中、、三相共存,反应式为:或。
共晶反应的产物是与的共晶混合物,称莱氏体,用符号表示,所以共晶反应式也可表达为:。
莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状(727℃时转变为珠光体)分布在渗碳体基体上。
⑶点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时点成分的发生共析反应,生成点成分的和。共析反应在恒温下进行,反应过程中、、三相共存,反应式为:或
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,用符号表示,因而共析反应可简单表示为:
中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下的形态呈层片状。在放大倍数很高时,可清楚看到相间分布的渗碳体片(窄条)与铁素体片(宽条)。
的强度较高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间,其机械性能如下:
抗拉强度()770延伸率()20~35%
冲击韧性()30~40硬度()180
3.2.2.2相图中的特性线
相图中
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