1.常用術語:
固溶體:是一個(或幾個)組元的原子(化合物)溶入另一個組元的晶格中,而仍保持另一組元的晶格類型的固態金屬晶體,固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種,當原子半徑相差較大時,原子半徑小的元素進入原子半徑大的元素空隙之間形成間隙固溶體,例如金屬元素Fe和非金屬元素H、C、N、B等(Fe和C原子半徑分別為Rγ-Fe=0.125nm,Rα-Fe=0.124nm,RC=0.07nm);原子半徑相近時形成置換固溶體,一種元素取代另外一種元素的排列位置形成置換固溶體,例如Cu-Zn。
相:材料中具有同一聚集狀態、同一化學成分、同一結構并與其它部分有界面分開的均勻組成部分,比如鐵素體相,奧氏體相,滲碳體相。
固溶體和相區別:固溶體屬于相,但相不一定是固溶體,比如碳固溶在α-Fe中可形成間隙固溶體有鐵素體固溶體,也可稱為α相,但滲碳體Fe3C是金屬化合物也是一相,但不是固溶體。
鐵素體:C固溶于α-Fe(體心立方結構)中形成的間隙固溶體,以F或者α表示。雖然間隙總體積較多,但單個間隙體積較小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃時),室溫時幾乎為0,因此鐵素體的性能與純鐵相似,硬度低而塑性高,并有鐵磁性.
奧氏體:C固溶于γ-Fe(面心立方結構)中形成的間隙固溶體,以A或者γ表示。雖然間隙總體積較少,但單個間隙體積較大,所以它的溶碳量較大,最多有2.11%(1148℃時)在一般情況下, 奧氏體是一種高溫組織,穩定存在的溫度范圍為727~1394℃,添加擴大奧氏體相區元素比如Mn Ni Co后,可使奧氏體保留到室溫。
滲碳體:Fe和C形成的金屬化合物,是鋼鐵中的強化相,其含碳量為固定值6.69%。性能很硬很脆,塑韌性極差,伸長率和沖擊韌性幾乎為0,只能作為強化相,不可單獨使用。
珠光體:珠光體是0.77%由奧氏體發生共析轉變同時析出的鐵素體與滲碳體片層相間的組織,以P表示
萊氏體:含碳量4.3%的液態金屬在1148℃時發生共晶轉變同時形成奧氏體A和滲碳體Fe3C,以Ld表示,奧氏體A會發生共析轉變,所以在常溫下以L′d表示。
2.相圖
當碳含量大于6.69%時,滲碳體太脆沒有實用價值,使用中Fe3C可以作為純組元使用,所以Fe-C相圖,實際上是Fe-Fe3C相圖
3.相圖分析
3.1相圖中重要的特征點:
3.2相圖中的特征線:
a)ABCD 液相線
b)AHJECF 固相線
c)水平線 HJB 包晶轉變線
d)水平線 ECF 共晶轉變線
e)水平線 PSK 共析轉變線
3.3相圖有五個單相區:分別為液相L,δ,A,F,Fe3C
3.4相圖上有七個兩相區:L + δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F,A + Fe3C,F + Fe3C。
3.5相圖有三個三相區:即三條直線處 δ+ A+L,A+L +Fe3C,A+F +Fe3C
3.6通常所說的鋼鐵是鐵碳合金,按照碳含量可分為工業純鐵,鋼,白口鑄鐵,如下圖
3.7應用舉例
(1)
含碳量0.77%,從高溫到低溫的緩慢平衡凝固過程:在BC線之上是純液相,隨溫度不斷降低至BC線,開始進入兩相區,液相中出現了部分奧氏體A,隨著溫度繼續降低,奧氏體A越來越多,液相越來越少,溫度降低JE線交點處,全部變為奧氏體A,液相消失,溫度繼續降低一直到727℃(S點),奧氏體發生共析轉變珠光體(片層狀含碳量0.0218%的鐵素體和含碳量6.69%的滲碳體的機械混合物),此時鐵素體和滲碳體的含量可以依照杠桿定理進行計算。即: 則滲碳體含量約11.2%,鐵素體:滲碳體 約8:1。
(2)
含碳量若小于0.77%,以0.6%為例其屬于亞共析鋼,高溫到低溫的緩慢平衡凝固過程:在BC線之上是純液相,隨溫度不斷降低至BC線,開始進入兩相區,液相中出現了部分奧氏體A,隨著溫度繼續降低,奧氏體A越來越多,液相越來越少,溫度降低JE線交點處,全部變為奧氏體含碳量0.6%的奧氏體A,液相消失。當溫度繼續降低至于GS線時,進入奧氏體和鐵素體兩相區,開始析出鐵素體,因為鐵素體中含碳量很低,使得剩余的奧氏體中含碳量逐漸向0.77%靠近,溫度降低至727℃時,剩余奧氏體中含碳量達到0.77%,奧氏體發生共析轉變成為,此時的共析轉變的奧氏體和先析出鐵素體的量可用杠桿定理進行計算。即:鐵素體含量
發生共析轉變的奧氏體含量為77.3%。奧氏體發生共析轉變為珠光體(片層狀含碳量0.0218%的鐵素體和含碳量6.69%的滲碳體的機械混合物),此時可以計算轉變后鐵素體和滲碳體的相對含量,依照杠桿定理進行計算。即:鐵素體含量 則滲碳體含量約8.7%。
若按照共析轉變時鐵素體占奧氏體中88.8%計算,再加上先共析出的22.7%,也可以得出77.3%X88.8%+22.7%=91.3%。
(3)
含碳量若大于0.77%,以1%為例其屬于過共析鋼,高溫到低溫的緩慢平衡凝固過程:在BC線之上是純液相,隨溫度不斷降低至BC線,開始進入兩相區,液相中出現了部分奧氏體A,隨著溫度繼續降低,奧氏體A越來越多,液相越來越少,溫度降低JE線交點處,全部變為奧氏體含碳量1%的奧氏體A,液相消失。當溫度繼續降低至于ES線時,因奧氏體中碳的溶解度下降,開始析出滲碳體,因滲碳體中碳含量6.69%,使得剩余奧氏體A中的碳含量逐漸降低至0.77%,當溫度降低至727℃時,剩余奧氏體中含碳量達到0.77%,奧氏體發生共析轉變,此時的共析轉變的奧氏體和先共析滲碳體的量可用杠桿定理進行計算。即:滲碳體含量
發生共析轉變的奧氏體含量為96.1%。 奧氏體發生共析轉變為珠光體(片層狀含碳量0.0218%的鐵素體和含碳量6.69%的滲碳體的機械混合物),此時可以計算轉變后鐵素體和滲碳體的相對含量,依照杠桿定理進行計算。即:滲碳體 則鐵素體含量約85.3%。
若按照共析轉變時滲碳體占奧氏體中11.2%計算,再加上先共析出的3.9%,也可以得出96.1%X11.2%+3.9%=14.7%。
(4)
含碳量為4.3%的鑄鐵平衡凝固過程:ECF線之上為液相,溫度降至1148℃,液相轉變為共晶萊氏體Ld(含碳量2.11%的奧氏體和含碳量6.69%的滲碳體),依杠桿定理:此時奧氏體含量為: 則共晶滲碳體含量為47.8%。
溫度繼續降低,奧氏體中碳溶解度降低,以滲碳體的形式析出,當溫度降低至727℃時,奧氏體中碳含量降低為0.77%,此時奧氏體的含量:,滲碳體含量59.6%。
在此溫度點奧氏體發生共析轉變為珠光體(鐵素體和滲碳體),若計算奧氏體轉變后鐵素體的含量,依據杠桿定理則有:鐵素體,滲碳體含量約64.2%。 此時的滲碳體包含共晶轉變時的共晶滲碳體,奧氏體隨溫度降低析出的滲碳體,奧氏體發生共析轉變得到滲碳體。所以常溫下萊氏體是由珠光體和滲碳體組成,用符號Ld’表示。
同樣在碳含量偏離4.3%時,2.11%~4.3%時屬于亞共晶白口鑄鐵,冷卻時進入液相L 和奧氏體A的兩相區,先析出奧氏體,使得液相成分逐漸靠近共晶成分,最后發生共晶轉變,這時組織為先析出的奧氏體A加共晶組織Ld。
4.3%~6.69%屬于過共晶白口鑄鐵,冷卻時先進入液相L和滲碳體兩相區,使得液相中碳含量降低靠近4.3%共晶成分,最終組織為滲碳體加共晶組織Ld。
總結:如何從相圖觀察平衡凝固的組織?
因碳含量已知,做一條垂直線,沿高溫向低溫的觀察垂直線和相圖的交點,若此條線處于單相區,則為單相,若進入兩相區,與上下兩條特征線的交點即為轉變起始點和轉變結束點,相圖中三相區只有三條線,到達此溫度即發生轉變,很快完成,屬于爆發式轉變。若計算相轉變時的相對含量,用杠桿定理進行計算。
不過這里所謂的平衡凝固是指溫度降低足夠慢的情況,可以讓碳原子有充分的時間擴散,實際生產過程中不可能是如此慢速凝固的過程,尤其是鋼材在奧氏體化之后人為加快冷卻速度的情況下可以得到不同性能的組織,例如屈氏體,索氏體,貝氏體,馬氏體等,屬于固態相變熱處理的研究領域。熱處理研究的奇妙之處就在于同一塊鋼,經過不同的熱處理可以不同的硬度,退火后硬度可以低于20HRC以便于沖壓成型,正火可以得到珠光體硬度可以在30HRC,以便于車削加工不粘刀。淬火低溫回火后硬度可在55HRC增加強度耐磨性。