二. 状态图中的特性线
Fe-C合金相图中的特性线
特性线 ABCD AHJECF NH JN GS GP PQ ES HJB ECF PSK MO 230 oC水平虚渗碳体的磁性转变线(A.) 线
三. 状态图中的相区
在Fe-Fe3C相图中共有五个单相区、七个两相区和三个三相区. 五个单相区是:ABCD以上——液相区(L) AHNA——δ固溶体区(δ)α、δ NJESGN——奥氏体区(γ或A)
特性线的含义 铁碳合金的液相线 铁碳合金的固相线 δ固溶体向奥氏体转变开始温度线即碳在δ固溶体中的溶解度线 δ固溶体向奥氏体转变终了温度线(A4) 奥氏体向铁素体转变开始温度线(A3) 奥氏体向铁素体转变终了温度线 碳在铁素体中的溶解度线又叫固溶线 碳在奥氏体中的溶解度线(Acm) LB+CH← →AJ包晶转变线 LC← →AE+Fe3C共晶转变线 AS← →FP+Fe3共析转变线(A1) 铁素体的磁性转变线(A2) GPQG——铁素体区(α或F) DFKL——渗碳体区(Fe3C或Cm)
两相区是:L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+ Fe3C和α+ Fe3C. 三个三相区是:HJB线、ECF线和PSK线.
1. 工业纯铁(含C≤0.0218%)——其显微组织为铁素体+Fe3CⅢ.
2. 钢(含C在0.0218~2.11%)——其特点是高温组织为单相奥氏体具有良好的塑性因而适于锻造.根据室温组织的不同钢又可分为三类:
① 亚共析钢(0.0218< C <0.77%)——其组织是铁素体+珠光体 ② 共析钢(C=0.77%)——其组织为珠光体
③ 过共析钢(0.77< C≤2.11%)——其组织为珠光体+渗碳体
3. 铁在1538oC结晶为δ-FeX射线结构分析表明它具有体心立方晶格.当温度继续冷却至1394oC时δ-Fe转变为面心立方晶格的γ- Fe通常把δ-Fe←→γ- Fe的转变称为A4转变转变的平衡临界点称为A4点.当温度继续降至912oC时面心立方晶格的γ- Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe把γ- Fe←→α-Fe的转变称为A3转变转变的平衡临界点称为A3点. 4. 三条重要的特性曲线
① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.
② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.
③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727oC时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727oC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ. 四. 名词
1. 铁素体:是碳在α-Fe中形成的固溶体常用“δ”或“F”表示.铁素体在770oC以上具有顺磁性在770oC以下时呈铁磁性.通常把这种磁性转变称为A2转变把磁性转变温度称为铁的居里点.碳溶于δ-Fe中形成的固溶体叫δ铁素体在1495oC时其最大溶碳量为0.09%.
2. 顺磁性:就是在顺磁物质中分子具有固有磁矩无外磁场时由于热运动各分子磁矩的取向无规宏观上不显示磁性;在外磁场作用下各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来宏观上呈现磁性这种性质称为顺磁性. 3. 铁磁性:就是磁性很强的物质在未磁化时宏观上不显示出磁性但在外加磁场后将会显示很强的宏观磁性. 4. 奥氏体:是碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体用“γ”或“A”表示.奥氏体只有顺磁性而不呈现铁磁性.碳在γ-Fe中是有限溶解其最大溶解度为2.11%(1148oC).
5. 渗碳体:是铁与碳的稳定化合物Fe3C 用“C”表示.其含碳量为6.69%.
由于碳在α-Fe中的溶解度很小所以在常温下碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在.渗碳体于低温下具有一定的铁磁性但是在230oC以上铁磁性就消失了所以230oC是渗碳体的磁性转变温度称为A0转变.
渗碳体的熔点为1227oC.它不能单独存在总是与铁素体混合在一起.在钢中它主要是强化相它的形态、大小及分布对钢的性能有很大的影响.另外渗碳体在一定的条件下可以分解形成石墨状的自由碳.即Fe3C——→3Fe+C（石墨）
6. 珠光体:是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物常用“P”表示.珠光体存在于727oC以下至室温. 五. 铁碳合金相图的应用 （一）在选材方面的应用
若需要塑性、韧性高的材料应选用低碳钢（含碳为0.10~0.25%）;需要强度、塑性及韧性都较好的材料应选用中碳钢（含碳为0.25~0.60%）;当要求硬度高、耐磨性好的材料时应选用高碳钢（含碳为0.60~1.3%）.一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构.高碳钢主要用来制造各种工具. （二）在制定热加工工艺方面的应用
铁碳相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律即组织随温度变化的规律这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据.
钢处于奥氏体状态时强度较低、塑性较好便于塑性变形.因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态.
各种热处理工艺与状态图也有密切的关系退火、正火、淬火温度的选择都得参考铁碳相图. 六. 应用铁碳相图应注意的几个问题
1. 铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律.
2. 可参考铁碳相图来分析快速加热或冷却的问题但还应借助于其他理论知识.
3. 相图告诉我们铁碳合金可能进行的相变但不能看出相变过程所经过的时间.相图反映的是平衡的概念而不是组织的概念.
铁碳相图是由极纯的铁和碳配制的合金测定的而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素.其中有些元素对临界点和相的成分都有很大的影响此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究.
第二部分 晶体结构 一. 金属键
1. 金属键:金属原子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来这种结合方式叫金属键. 2. 在固态金属及合金中众多的原子依靠金属键牢固的结合在一起. 二. 晶体结构
1. 晶体:凡是原子(或离子、分子)在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体.液态金属的原子排列无周期规则性不为晶体.
2. 晶体结构:是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况也就是晶体中这些质点(原子或离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式. 3. 三种典型的金属晶体结构
a. 体心立方晶格:晶胞的三个棱边长度相等三个轴间夹角均为90o构成立方体.除了在晶胞的八个角上各有一个原子外在立方体的中心还有一个原子.
b. 面心立方晶格:在晶胞的八个角上各有一个原子构成立方体在立方体6个面的中心各有一个原子. c. 密排六方晶格:在晶胞的12个角上各有一个原子构成六方柱体上底面和下底面的中心各有一个原子晶胞内还有3个原子. 三. 固溶体
1. 固溶体:合金的组元以不同的比例相互混合混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同这种相就称为固溶体.
2. 置换固溶体:是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成固溶体.
3. 间隙固溶体:是指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置而是填入溶剂原子间的一些间隙中. 4. 金属化合物:是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相又称为中间相其晶格类型和性能均不同于任一组元一般可以用分子式大致表示其组成. 除了固溶体外合金中另一类相是金属化合物. 四. 金属的结晶
1. 金属的结晶:金属由液态转变为固态的过程称为凝固由于凝固后的固态金属通常是晶体所以又将这一转变过程称之为结晶. 2. 杠杆定律的应用.
在合金的结晶过程中合金中各个相的成分以及它们的相对含量都在发生着变化.为了了解相的成分及其相对含量就需要应用杠杆定律.
对于二元合金(两相共存时)两个平衡相的成分固定不变. 五. 同素异构转变
当外部条件(如温度和压强)改变时金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变. 六. 晶体的各向异性
各向异性是晶体的一个重要特性是区别于非晶体的一个重要标志.
晶体具有各向异性的原因是由于在不同的晶向上的原子紧密程度不同所致.原子的紧密程度不同意味着原子之间的距离不同从而导致原子之间的结合力不同使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同.
第三部分 元素的影响
1. 锰和硅的影响:锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂用以去除溶于钢液中的氧.它还可以把钢液中的F eO还原成铁并生成MnO和SiO2.脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中冷至室温后即溶于铁素体中提高铁素体的强度.锰对钢的机械性能有良好的影响它能提高钢的强度和硬度当含锰量低于0.8%时可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性.
碳钢中的含硅量一般小于0.5%它也是钢中的有益元素.硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用显著的提高了钢的强度和硬度但含量较高时将使钢的塑性和韧性下降.
2. 硫的影响:硫是钢中的有害元素.硫只能溶于钢液中在固态中几乎不能溶解而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中.硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂这种现象称为热脆.防止热脆的方法是往钢中加入适量的锰形成MnS可以避免产生热脆.
硫能提高钢的切削加工性能.在易切削钢中含硫量通常为0.08%~0.2%同时含锰量为0.50%~1.20%. 3. 磷的影响:一般来说磷是有害的杂质元素.无论是高温还是低温磷在铁中具有较大的溶解度所以钢中的磷都固溶于铁中.磷具有很强的固溶强化作用它使钢的强度、硬度显著提高但剧烈地降低钢的韧性尤其是低温韧性称为冷脆磷的有害影响主要就在于此.
4. 氮的影响:一般认为钢中的氮是有害元素但是氮作为钢中合金元素的应用已日益受到重视.
5. 氢的影响:氢对钢的危害是很大的.一是引起氢脆.二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点在酸洗后的横断面上则成较多的发丝壮裂纹.存在白点时钢材的延伸率显著下降尤其是断面收缩率和冲击韧性降低的更多有时可接近于零值.因此具有白点的钢是不能用的. 6. 氧及其它非金属夹杂物的影响:氧在钢中的溶解度非常小几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中如FeO、AL2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等.除此之外钢中往往存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等.这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性在静载荷和动载荷的作用下往往成为裂纹的起点.它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大.因此对非金属夹杂物应严加控制.
第四部分 热处理 一. 热处理的作用
1. 热处理:是将钢在固态下加热到预定的温度保温一定的时间然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺.
钢中组织转变的规律是热处理的理论基础称为热处理原理.热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变.
在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体. 钢在加热和冷却时临界温度的意义如下: Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度; Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度;
Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度; Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度; Accm——加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度; Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度.
通常把加热时的临界温度加注下标“C”而把冷却时的临界温度加注下标“r”.
铁碳合金相图分析
