鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程

1、三、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類： 工業(yè)純鐵（0.0218% C）,其顯微組織為鐵素體晶粒，工業(yè)上很少應(yīng)用。碳鋼（0.0218%2.11%C ,其特點(diǎn)是高溫組織為單相 A,易于變形，碳鋼又分為亞共析 鋼（0.0218%0.77%C、共析鋼（0.77%C 和過共析鋼（0.77%2.11%C 。 白口鑄鐵（2.11%6.69%C ,其特點(diǎn)是鑄造性能好，但硬而脆，白口鑄鐵又分為亞共晶白口鑄鐵（2.11%4.3%C、共晶白口鑄鐵（4.3%C和過共晶白口鑄鐵（4.36.69%。下面結(jié)合圖3-26,分析典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及其組織變化。FcHk/%圖3-26七種典型合金在

2、鐵碳合金相圖中的位置 工業(yè)純鐵（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程合金液體在12點(diǎn)之間通過勻晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?鐵素體。繼續(xù)降溫時，在23點(diǎn)之間， 不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。溫度降低到3點(diǎn)以后，開始從6鐵素體中析出奧氏體，在34點(diǎn)之間， 隨溫度下降，奧氏體的數(shù)量不斷增多，到達(dá)4點(diǎn)以后，6鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在45 點(diǎn)之間，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。冷卻到 5點(diǎn)時，開始從奧氏體中析出鐵素體，溫度降到 6點(diǎn)， 奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。在6-7點(diǎn)之間冷卻，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。溫度降到 7點(diǎn)，開始沿 鐵素體晶界析出三次滲碳體 Fed。7點(diǎn)以下，隨溫度下降，F(xiàn)e3Gi量不斷增加，室溫下Fe3Gi的最大量為:QFe3Cm0.0218-0

3、.00086.690.0008100% =0.31%圖3-27為工業(yè)純鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖。工業(yè)純鐵的室溫組織為a+FeQ ,如圖3-28所示，圖中個別部位的雙晶界內(nèi)是FeaGi 0圖3-27工業(yè)純鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖圖3-28 工業(yè)純鐵的顯微組織400 X 共析鋼（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程共析鋼的含碳量為0.77%,超過了包晶線上最大的含碳量 0.53%,因此冷卻時不發(fā)生包 品轉(zhuǎn)變，其結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變示于圖 3 - 29 o合金液體在1 2點(diǎn)間通過勻晶反應(yīng)轉(zhuǎn) 變?yōu)閵W氏體。在2 3點(diǎn)之間，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。到達(dá)3點(diǎn)以后，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：？0。77T 口。 0218 +FeC,

4、由奧氏體相同時析出鐵素體和滲碳體。反應(yīng)結(jié)束后，奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。 繼續(xù)冷卻會從珠光體的鐵素體中析出少量的三次滲碳體，但是它們往往依附在共析滲碳體 上，難于分辨。共析鋼的室溫組織為100%勺珠光體，如圖3-30所示。由圖3-30可以看出， 珠光體是鐵素體與滲碳體片層相間的組織，呈指紋狀，其中白色的基底為鐵素體，黑色的 層片為滲碳體。室溫下珠光體中兩相的相對重量百分比為：6.69 -0.776.69 -0.0008100% =88.5%,QFe3c =100% 88.5% =11.5%圖3-29共析鋼的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖圖3-30珠光體組織400 X亞共析鋼（圖3-27中合金）的結(jié)晶過

5、程含碳量在0.09%0.53%問的亞共析鋼結(jié)晶時將發(fā)生包晶反應(yīng)。 現(xiàn)以含0.45%C的鋼為 例分析亞共析鋼的結(jié)晶過程，其冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示于圖3-31 o該合金從液態(tài)緩慢冷卻 到1點(diǎn)后，發(fā)生勻晶反應(yīng)，開始析出6鐵素體。到達(dá)2點(diǎn)溫度時，勻晶反應(yīng)停止，開始發(fā) 生包品轉(zhuǎn)變：Lo.53 + &.09 T %17。包品轉(zhuǎn)變結(jié)束后，除了新形成的奧氏體外，液相還有剩 余。溫度繼續(xù)下降，在2-3點(diǎn)之間，剩余的液相通過勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在 3-4 點(diǎn)之間，不發(fā)生組織變化。冷卻到4點(diǎn)，開始從奧氏體中析出鐵素體，并且隨溫度的降低， 鐵素體數(shù)量增多。溫度降到5點(diǎn)，奧氏體的成分沿GS線變化到S點(diǎn)，此時

6、，奧氏體向鐵 素體的轉(zhuǎn)變結(jié)束，剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)：” t S.0218 + Fe 3G轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，從鐵素體中析出三次滲碳體，但是由于其數(shù)量很少，因此可忽略不計(jì)。亞共 析鋼的室溫組織為珠光體+鐵素體，如圖3-32所示，圖中的白色組織為先共析鐵素體，黑 色組織為珠光體。圖3-31亞共析鋼的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖(a) 0.20%C(a) 0.45%C圖3-32亞共析鋼的顯微組織400 X室溫下，含0.45%C亞共析鋼中先共析鐵素體和珠光體兩個組織組成物的相對重量百分比為:Qp0.45-0.00080.77 -0.0008100% =58.4%),Q. =100% -58.4

7、% =41.6%O而鐵素體和滲碳體兩相的相對重量百分比為:QFe3C0.45-0.00086.69-0.0008100% =6.7%, Q：,=100%6.7% =93.3%在0.0218%0.77%C£圍內(nèi)珠光體的相對重量隨含碳量的增加而增加。由于室溫下鐵 素體中含碳量極低，珠光體與鐵素體密度相近，所以在忽略鐵素體中含碳量的情況下，可 以利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，近似地估算亞共析鋼的含碳量：C% =p面積%父0.77% 。式中，P面積=Qp,為珠光體的面積百分比 過共析鋼（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程過共析鋼的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變示于圖 3-33。合金液體在12點(diǎn)間發(fā)生勻

8、晶轉(zhuǎn)變，全 部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。冷卻到3點(diǎn)后，開始沿奧氏體晶界析出二次滲碳體，并在晶界上呈網(wǎng)狀 分布。在34點(diǎn)之間，二次滲碳體量不斷增多。溫度降到 4點(diǎn)，二次滲碳體析出停止，奧 氏體成分沿ES線變化到S點(diǎn)，剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)：%.77 T O0.0218 + Fe3C,轉(zhuǎn)變?yōu)?珠光體。繼續(xù)冷卻，二次滲碳體不再發(fā)生變化，珠光體的變化同共析鋼。過共析鋼的室溫 組織為珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體，如圖3-34所示，圖中的白色網(wǎng)狀的是二次滲碳體，黑 色為珠光體。室溫下，含1.2%C過共析鋼中二次滲碳體和珠光體兩個組織組成物的相對重量百分比 為：QFe3c1.2 -0.776.69-0.77100% =7.

9、26%,QP =100% -7.26% =92.74%過共析鋼中FeCn的量隨含碳量增加而增加，當(dāng)含碳量達(dá)到2.11%寸，F(xiàn)eCn量最大:問圖3-33過共析鋼的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖 共品白口鑄鐵（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程共品白口鑄鐵的含碳量為4.3%,其結(jié)晶過程如圖3-35所示。該合金液態(tài)冷卻到1點(diǎn) 即1148七時，發(fā)生共晶反應(yīng)：L4。3 T務(wù)ii + Fe3C,全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體（Le）,萊氏體是 6 69 -4 3Q- 100% =52.2%共晶奧氏體和共晶滲碳體的機(jī)械混合物，呈蜂苗狀。此時：6.69-2.11,QFe3c =100%-52.2% =47.8%。溫度繼續(xù)下降，共晶奧氏

10、體成分沿ES線變化，同時析出二次滲 碳體，由于二次滲碳體與共晶滲碳體結(jié)合在一起而不易分辨，因而萊氏體仍作為一個組織 看待。溫度降到2點(diǎn)，奧氏體成分達(dá)到0.77%,并發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這種由 珠光體與共晶滲碳體組成的組織稱為低溫萊氏體，用符號Le'表示，此時，6.69 -4.3QP=6r10%=40.4%, QFe3c =100%-4。4%=59.6%。溫度繼續(xù)下降，萊氏體中珠光體 的變化與共析鋼的相同，珠光體與滲碳體的相對重量不再發(fā)生變化。共晶白口鑄鐵的室溫組織為Le' （P+ Fe3C）,它保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征，如圖 3-36所示，圖中黑色 蜂窩狀為珠光體，

11、白色基體為共晶滲碳體。室溫下兩相的相對重量百分比為：=100% -35.7% =64.3%06 69 -4 3q_100% =35.7%Q“ 6.690.0008, QFe3c圖3-35共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖圖3-36 共晶白口鑄鐵的顯微組織400 X（六）亞共品白口鑄鐵（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程以含3.0%C的亞共晶白口鑄鐵為例進(jìn)行分析，圖 3-37為其冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意 圖。當(dāng)合金液體冷卻到1點(diǎn)溫度時，發(fā)生勻晶反應(yīng)，結(jié)晶出奧氏體，稱為一次奧氏體或先 共晶奧氏體。在12點(diǎn)之間，奧氏體量不斷增多并呈樹枝狀長大。冷卻到 2點(diǎn)以后，剩余 液相的成分沿BC線變化到C點(diǎn)，并發(fā)生

12、共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。繼續(xù)降溫，將從一次 奧氏體和共晶奧氏體中析出二次滲碳體。由于一次奧氏體粗大，沿其周邊析出的二次滲碳 體被共品奧氏體襯托出來。而共晶奧氏體析出二次滲碳體的過程，與共晶白口鑄鐵相同。 溫度降到3點(diǎn)，奧氏體成分沿G就變到S點(diǎn)，并發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。其室溫 組織為P+ FeCn+Le',如圖3-38所示，圖中樹枝狀的黑色粗塊為珠光體，其周圍被萊氏 體中珠光體襯托出的白圈為二次滲碳體，其余為低溫萊氏體。室溫下，含3.0%C白口鑄鐵中三種組織組成物的相對重量百分比為：3 0 2 1143-3 0 2 11 077QLe,:QLe =100% =40.64% QFe3

13、c口 =: 100% =13.44%4.3 -2.1134.3-2.11 6.69-0.77Qp =100% -QLe' -QFe.Cn =100% -40.64% -13.44% =45.92%3o而該合金在結(jié)晶過程中所析出的所有次滲碳體（包括一次奧氏體和共晶奧氏體中析出二次滲碳體）的總量為:入6.69 -3.0 2.11 -0.77 n/QFe.Cn100% =18.24%Fe3c口心6.69 -2.11 6.69-2.110時向圖3-37亞共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖圖3-38亞共晶白口鑄鐵的顯微組織400 X（七）過共品白口鑄鐵（圖3-26中合金）的結(jié)晶過程過共品白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示于圖 3-39。合金液體在1-2點(diǎn)間發(fā)生勻晶 反應(yīng)，結(jié)晶出一次滲碳體FeC。一次滲碳體呈粗條片狀。冷卻到 2點(diǎn)，余下的液相成分 沿DC線變化到C點(diǎn)，并發(fā)生共晶反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。繼續(xù)冷卻，一次滲碳體成分重量 不再發(fā)生變化，而萊氏體的變化同共晶合金。過共品白口鑄鐵的室溫組織為FeG +Le',如圖3-40所示，圖中粗大的白色條片為一次滲碳體，其余為低溫萊氏體。至圖3-39過共晶白口鑄鐵的冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖時間圖3-40過共晶白口鑄鐵的顯微組