铁碳合金相图
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在加工完的钢和铸铁中,总会含有一定数量的碳元素,这些碳元素所占的比重决定了钢/铸铁的特性。通过铁碳合金相图,人们可以直观的看出(钢铁)形成过程中的组分变化与碳元素含量、温度间的相互关系。
碳是铁碳合金中最重要的合金元素,碳含量小幅的变化也可能会对合金的材质或性质有大的影响。铁碳合金相图可以表达温度及碳的浓度对钢铁的影响,不过没有其他金属的资讯。铁碳合金相图可以分为二部分:亚稳定的Fe-Fe3C系统,其中的碳已和铁键结,以及稳定的Fe-C系统,其中碳以石墨的形式存在。铁碳合金相图一般会包括这两个系统,不过Fe-Fe3C系统用到的比较多。
铁碳合金相图中的代表性区域
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相图中的X轴是碳的含量,Y轴是温度。图中只标示一般比较常用到的部分,也就是碳含量在0%到6.67%的区域(只有少量合金的含量高过此值),碳含量6.67%约对应100%的碳化三铁。相图中代表性的位置用英文字母表示,有些标示方式会省略英文字母I,改用字母J表示。
其中折线ABCD是液相线,在液相线以上的部分为液体。折线AHIECF为固相线,低于固相线的部分为固体。在液相线和固相线之间的是糊状、部分熔化的区域,其中包括δ铁、γ铁和碳化三铁(Fe3C).有不同的浓度及比例。若合金冷却到液相线下时,会渐渐的结晶。
随着碳含量的不同,铁碳合金中的铁也会出现不同的同素异形体,像分别由δ铁、γ铁及α铁形成的固溶体,对碳就有不同的溶解度,其原因是不同的晶格结构及晶格常数。像铁素体就是由δ铁或α铁形成的固溶体,而奥氏体则以γ铁为主。
大致的分区
[编辑]- 熔化是指形成液相的铁碳合金,液相线以上均为液相,在液相线和固相线之间的是固相和液相共存。
- δ :体心立方晶系
- γ 奥氏体:面心立方晶系
- α 铁素体:体心立方晶系
- 石墨(稳定态)或碳化三铁(Fe3C,亚稳定系统)
珠光体和莱氏体不算是特别的相,只是一种相混合状态(微结构)。珠光体和莱氏体只会出现在稳定,或是亚稳定的系统中,例如缓慢的冷却。若是快速冷却(例如淬火)会形成马氏体,是一种硬脆的结构。以下是在亚稳定的系统中,一些特殊的点、线及现象。
- 点
- A:(0%/1536°C),B:(0,53%/1492°C),C:(4.3%/1147°C),D:(6.67%/1320°C),E:(2.06%/1147°C)
- F:(6.67%/1147°C),G:(0%/911°C),H:(0.1%/1493°C),I:(0.16%/1493°C),K:(6.67%/723°C)
- N:(0%/1392°C),P:(0.022%/723°C),S:(0.8%/723°C),Q:(0.002%/20°C),M:(0%/769°C)
- S':(0.69%/738°C),E':(2.03%/1153°C),C':(4.25%/1153°C)
金相名称
[编辑]以下是各金相的名称,δ固溶体、γ固溶体及α固溶体分别是指铁素体、奥氏体及铁素体。
名称 | 最高浓度点 | 对应金相 |
---|---|---|
δ固溶体 | 0.10% / 1493°C | 铁素体 |
γ固溶体 | 2.06% / 1147°C | 奥氏体 |
α固溶体 | 0.02% / 723°C | 铁素体 |
铁碳化合物碳化三铁(Fe3C)也是一个相,但和上述铁和碳混合的相不同,碳化三铁是中间相,碳化三铁会以三种不同的形式出现,但其化学成分是一样的。
名称 | 形成方式 |
---|---|
初级碳化三铁 | 由液相中直接结晶(CD线) |
二级碳化三铁 | 从奥氏体变成(ES线) |
三级碳化三铁 | 从铁素体变成(PQ线) |
以下是一些相和相的混合物:
名称 | 组成 | 存在范围 |
---|---|---|
珠光体 | 88% 铁素体,12% 碳化三铁 | 0.02% 到 6.67%,T≤723°C |
莱氏体 I | 51.4% 奥氏体,48.6% 碳化三铁 | 2.06% 到 6.67%,723°C≤T≤1147°C |
莱氏体 II | 51.4% 珠光体,48.6% 碳化三铁 | 2.06% 到 6.67%,T≤723°C |
等温过程
[编辑]铁碳合金相图中有三个等温过程,分别是包晶(线 HIB)、共晶(线 ECF)及共析(线 PSK)。
点 H:δ铁素体中,最大碳溶解度的点 点 I:包晶 δ+L → γ
当钢加热或是冷却的时候,会出现一些特性不连续变化的情形,主要有以下几点。
- A1 – 线P-S-K,当碳含量> 0.02 %时,超过723 °C时奥氏体会分解为珠光体。
- A2 – 线M-O,加热超过769 °C(居里点)时会失去铁磁性。
- A3 – 线G-O-S,冷却时会形成含碳量较少的铁素体,从奥氏体中游离的碳会开始累积,直到温度到723°C的共晶温度为止。
应用
[编辑]配合铁碳合金相图,可以清楚的回答一些有关钢(可锻的铁碳合金,碳含量小于2.06%)及铸铁(不可锻的铁碳合金,碳含量大于2.06%)的特性问题。
- 钢可以锻造,因为其成分为均质的奥氏体,而铸铁中的碳是以石墨或是莱氏体的形式存在,因此延展性变差,不适合锻造,而且其相变化是在熔化时突然发生。
- 纯铁的熔点是1536°C;也可以看出钢及铸铁在完全固化(或开始熔化)时的温度(A-H-I-E线及E-C-F线),铸铁开始熔化的最低温度是在1147°C,这也说明铸铁比钢更容易用在铸造的应用上。
基于上述原因,铁碳合金相图是在要了解铁碳合金特性时,很重要的工具。
参考资料
[编辑]- Hermann Schumann, Heinrich Oettel: Metallografie – 14. Auflage, Wiley-VCH Verlag.
- Prof. Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bargel und Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze: Werkstofftechnik – 8. Auflage, Springer Verlag Berlin.
- Prof. Dr.-Ing. Volker Läpple: Wärmebehandlung des Stahls – 9. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel.