《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第3章

第3章二元合金相圖3.1二元合金相圖的建立3.2二元合金相圖的基本類型3.3相圖與合金性能之間的關(guān)系3.4鐵碳合金相圖習(xí)題與思考題3

合金的結(jié)晶過程較為復(fù)雜，通常運用合金相圖來分析合金的結(jié)晶過程。這是因為相圖本身就是在各種成分合金的結(jié)晶過程的測試基礎(chǔ)上建立的。相圖是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。所謂平衡，是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和相對質(zhì)量不再變化所達到的一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間而改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，一般可以認為是平衡的結(jié)晶過程。在常壓下，二元合金的相狀態(tài)取決于溫度和成分，因此二元合金相圖可用溫度成分坐標(biāo)系的平面圖來表示。

3.1二元合金相圖的建立

二元相圖是以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，在以溫度為縱坐標(biāo)、以組成材料的成分或組元為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)圖中繪制的線圖。試驗方法有多種，最常用的是熱分析法。本節(jié)以Cu－Ni二元合金(簡稱Cu－Ni合金)和Pb－Sn二元合金(簡稱Pb－Sn合金)為例作簡要說明。

3.1.1Cu－Ni二元合金相圖的建立

相圖是通過實驗方法建立的。利用熱分析法建立Cu－Ni二元合金相圖的過程如下：

(1)配制一系列不同成分的Cu－Ni合金，如表3－1所示。

(2)在熱分析儀上分別測出每個合金的冷卻曲線，找出各冷卻曲線上臨界點(轉(zhuǎn)折點或平臺)的溫度。

(3)畫出溫度成分坐標(biāo)系，在各合金成分垂線上標(biāo)出臨界點溫度。

(4)將具有相同意義的點連接成線，標(biāo)明各區(qū)域內(nèi)所存在的相，即可得到Cu－Ni合金相圖。

Cu－Ni合金相圖的測定與繪制如圖3－1所示。圖中，

L為液相，

α為固相。從冷卻曲線可看出，與純金屬不同的是合金有兩個相變點，上相變點是結(jié)晶開始的溫度，下相變點是結(jié)晶終了的溫度。因為放出結(jié)晶潛熱使結(jié)晶時的溫度下降緩慢，所以合金的結(jié)晶是在一定溫度范圍內(nèi)進行的，在冷卻曲線上出現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)折點。

圖3－1Cu－Ni合金相圖的測定與繪制

實際繪制相圖時，遠不止于只熔配上述五種合金，而是要熔配出許多成分相差不大的一系列合金，從而得到一系列冷卻曲線，從冷卻曲線上得到一系列的相同特征點。相同特征點數(shù)量越多，連接這些特征點而形成的相圖就越準確。

3.1.2Pb－Sn二元合金相圖的建立

Pb－Sn二元合金相圖的建立方法和Cu－Ni二元合金相圖的比較類似，此處不再贅述。圖3－2所示為Pb－Sn合金相圖的測定與繪制。(圖中，

L為液相；

α、β為固相。下同。)圖3－2Pb－Sn合金相圖的測定與繪制

3.2二元合金相圖的基本類型

無論是金屬材料、無機非金屬材料，還是高分子聚合物，如果主要系統(tǒng)所發(fā)生的變化相似，相圖的幾何圖形就比較相似，所以從理論上研究相圖往往不是以物質(zhì)來分類，而是以發(fā)生了什么樣的變化進行分類的。雖然一些專業(yè)相圖比較復(fù)雜，但是它們都可以看做不同類型的簡單二元相圖的組合。本節(jié)主要介紹三類相圖：勻晶相圖、共晶相圖和包晶相圖。

3.2.1勻晶相圖

若兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時也無限互溶，則冷卻時將產(chǎn)生勻晶反應(yīng)的合金系構(gòu)成勻晶相圖，如，

Cu－Ni、Fe－Cr、Au－Ag合金相圖等。下面以Cu－Ni合金相圖(如圖3－3所示)為例，對勻晶相圖及其合金的結(jié)晶過程進行分析。圖3－3Cu－Ni合金相圖及結(jié)晶過程分析

1.相圖分析

如圖3－3所示，液相線(A1B線)和固相線(A2B線)表示合金系在平衡狀態(tài)下冷卻時結(jié)晶的始點和終點以及加熱時熔化的終點和始點。L為液相，是Cu和Ni形成的液溶體；

α為固相，是Cu和Ni組成的無限固溶體。圖中有兩個單相區(qū)：液相線以上的L相區(qū)和固相線以下的α相區(qū)。圖中還有一個雙相區(qū)：液相線和固相線之間的L+α相區(qū)。A點和B點所對應(yīng)的溫度是合金系統(tǒng)的兩個純金屬組元Cu和Ni的熔點。

2.合金的結(jié)晶過程

下面以w點成分的Cu－Ni合金(Ni質(zhì)量分數(shù)為w%)為例分析結(jié)晶過程。該合金的冷卻曲線和結(jié)晶過程如圖33所示。在1點溫度以上，合金為液相L。緩慢冷卻至1~2℃之間時，合金發(fā)生勻晶反應(yīng)，即L→α，從液相中逐漸結(jié)晶出α固溶體。2點溫度以下，合金全部結(jié)晶為α固溶體。其他成分合金的結(jié)晶過程與其類似。

3.杠桿定律

在合金的結(jié)晶過程中，合金中各個相的成分及其相對量都在不斷地變化。不同條件下的相的成分及其相對量可通過杠桿定律求得。

設(shè)在圖3－4(a)中，質(zhì)量分數(shù)為w的合金的總質(zhì)量為m

，在溫度T1時的液相的質(zhì)量分數(shù)為wL

，對應(yīng)的質(zhì)量為mL

，固相的質(zhì)量分數(shù)為wα

，對應(yīng)的質(zhì)量為mα

，則有

另外，合金中含Ni的總質(zhì)量應(yīng)等于液、固兩相中所含Ni的質(zhì)量之和，即

由式(3－1)和式(3－2)可得

式(3－3)與力學(xué)中的杠桿關(guān)系比較相似，故稱為杠桿定律。杠桿定律主要用于計算二元合金中兩平衡相的相對質(zhì)量。圖3－4杠桿定律的證明

4.枝晶偏析

固溶體結(jié)晶時成分是變化的。在緩慢冷卻時，由于原子的擴散能充分進行，因此所形成的是成分均勻的固溶體。如果冷卻較快，原子擴散不能充分進行，則形成成分不均勻的固溶體。先結(jié)晶的樹枝晶軸上含高熔點組元較多，后結(jié)晶的樹枝晶枝干上含低熔點組元較多，結(jié)果造成在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。枝晶偏析對材料的力學(xué)性能、耐蝕性能、工藝性能都是不利的。生產(chǎn)上為了消除其影響，常通過擴散退火的方法把合金加熱到高溫，并進行較長時間保溫，促使原子從高濃度晶區(qū)向低濃度晶區(qū)充分擴散，從而獲得成分均勻的固溶體。

3.2.2共晶相圖

若兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，則冷卻時將產(chǎn)生共晶反應(yīng)的合金系，構(gòu)成共晶相圖，如Pb－Sn、Al－Si、Ag－Cu合金相圖等。下面以Pb－Sn合金相圖(如圖3－5所示)為例，對共晶相圖及其合金的結(jié)晶過程進行分析。圖3－5Pb－Sn合金相圖及結(jié)晶過程分析

1.相圖分析

如圖3－5所示，

A點(327.5℃)是純鉛的熔點，

B點(232℃)是純錫的熔點，

C點(183℃，

wSn=61.9%)為共晶點。ACB線為液相線，液相線以上合金均為液相；

AECFB線為固相線，固相線以下合金均為固相。α和β是Pb－Sn合金在固態(tài)時的兩個基本組成相，

α是錫溶于鉛中所形成的固溶體，β是鉛溶于錫中所形成的固液體。E點(183℃，

wSn=19.2%)和F點(183℃，

wPb=2.5%)分別為錫溶于鉛中和鉛溶于錫中的最大溶解度。因為在固態(tài)下鉛與錫的相互溶解度隨溫度的降低而逐漸減小，所以ED線和FG線分別表示錫在鉛中和鉛在錫中的溶解度曲線，也稱固溶線。

在相圖中，包含有：

①三個單相區(qū)，即液相區(qū)(L)、α相區(qū)和β相區(qū)；

②三個兩相區(qū)，即

L+α、L+β和α+β相區(qū)；

③一個三相共存(L+α+β)的水平線ECF。其成分相當(dāng)于C點的液相(LC)在冷卻到ECF線所對應(yīng)的溫度時，將同時結(jié)晶出成分為E點的α固溶體(αE)及成分為F點的β固溶體(βF

)，其反應(yīng)式為

這種在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩種固定成分的固相轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變是在恒溫下進行的，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度稱為共晶溫度。發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的成分是一定的，該成分(C點成分)稱為共晶成分；C點稱為共晶點。共晶轉(zhuǎn)變后得到的組織稱為共晶組織或共晶體。ECF線稱為共晶線。

C點成分的合金稱為共晶合金；

E點~C點之間合金均稱為亞共晶合金；

C點~F點之間合金均稱為過共晶合金。

2.重力偏析

亞共晶或過共晶合金結(jié)晶時，若初生相與剩余液相的密度相差很大，則密度小的相將上浮，密度大的相將下沉。這種由于密度不同而引起合金成分和組織不均勻的現(xiàn)象，稱為重力偏析又稱區(qū)域偏析。

重力偏析會降低合金的力學(xué)性能和加工工藝性能。重力偏析不能用熱處理來減輕或消除。為了減輕或消除重力偏析，可采用加快冷卻速度，使偏析相來不及上浮或下沉；澆注時對液態(tài)合金加以攪拌；在合金中加入某些元素，使其形成與液相密度相近的化合物，并首先結(jié)晶成樹枝狀的“骨架”懸浮于液相中，以阻止先析出相的上浮或下沉。

3.2.3包晶相圖

若兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時有限溶解，則發(fā)生包晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖，稱為包晶相圖。具有這種相圖的合金系主要有Pt－Ag、Ag－Sn、Cd－Hg、Sn－Sb等。

Cu－Zn、Cu－Sn、Fe－C等合金系中也具有這種類

型的相圖。下面以鐵碳合金相圖中的包晶部分(如圖3－6所示)為例，對包晶相圖及其合金的結(jié)晶過程進行分析。圖3－6Fe－Fe3C相圖包晶部分

1.相圖分析

如圖3－6所示，

A點為純鐵的熔點，

ABC線為液相線，

AHJE線是固相線。HN和JN分別表示冷卻時δ→A轉(zhuǎn)變的開始線和終了線。HJB水平線為包晶線，

J點是包晶點。圖中標(biāo)示出的三個單相區(qū)分別為L、δ和A

；三個兩相區(qū)分別為L+δ、L+A和δ+A。

現(xiàn)以包晶點成分的合金Ⅰ為例，分析其結(jié)晶過程。當(dāng)合金Ⅰ冷至1點時開始從液相中析出δ固溶體，繼續(xù)冷卻，

δ相數(shù)量不斷增加，液相數(shù)量不斷減少。δ相成分沿AH線變化，液相成分沿AB線變化。此階段為勻晶結(jié)晶過程。

當(dāng)合金冷至包晶反應(yīng)溫度時，先析出的δ相與剩下的液相作用生成A。A在原有δ相表面生核并長大。結(jié)晶過程在恒溫下進行。其反應(yīng)式為

三相的濃度各不相同，

δ相含碳量最少，

A相較高，

L相最高。通過Fe原子和C原子的擴散，

A相一方面不斷消耗液相向液體中長大，同時也不斷吞并δ固溶體向內(nèi)生長，直至把液體和δ固溶體全部消耗完畢為止，最后形成單相A，包晶轉(zhuǎn)變即告完成。

當(dāng)合金成分位于HJ之間時，包晶反應(yīng)終了時δH有剩余，在隨后的冷卻過程中，將發(fā)生δ→A的轉(zhuǎn)變。當(dāng)冷至JN線時δ相全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳。而成分位于JB之間的合金，包晶反應(yīng)終了時液相有剩余，在以后的冷卻過程中，繼續(xù)發(fā)生勻晶反應(yīng)，直至得到單相A為止。

2.包晶偏析

在合金結(jié)晶過程中，如果冷速較快，包晶反應(yīng)時原子擴散不能充分進行，則生成的β固溶體中會發(fā)生較大的偏析。原α處Pt的質(zhì)量分數(shù)較高，而原L區(qū)Pt的質(zhì)量分數(shù)較低，這種現(xiàn)象稱為包晶偏析。包晶偏析可通過擴散退火來消除。

3.3相圖與合金性能之間的關(guān)系

合金的性能取決于合金的成分和組織，合金的某些工藝性能(如鑄造性能)還與合金的結(jié)晶特點有關(guān)。而相圖既可表明合金成分與組織間的關(guān)系，又可表明合金的結(jié)晶特點。因此，合金相圖與合金性能之間存在一定的聯(lián)系。了解相圖與性能的聯(lián)系規(guī)律，就可以利用相圖大致判斷出不同成分合金的性能特點，并作為選用和配制合金以及制定工藝的依據(jù)。

3.3.1合金力學(xué)性能與相圖的關(guān)系

圖3－7所示為在勻晶相圖和共晶相圖中合金強度和硬度隨成分變化的一般規(guī)律。

當(dāng)合金形成單相固溶體時，其強度和硬度隨成分呈曲線變化，合金性能與組元性質(zhì)及溶質(zhì)元素的溶入量有關(guān)。當(dāng)溶劑和溶質(zhì)一定時，溶質(zhì)的溶入量越多，固態(tài)合金晶格畸變越大，則合金的強度、硬度越高。一般地，形成單相固溶體的合金具有較好的綜合力學(xué)性能，但所能達到的強度、硬度有限。

對于形成復(fù)相組織的合金，在兩相區(qū)內(nèi)，合金的強度和硬度隨成分呈直線關(guān)系變化，大致是兩相性能的算術(shù)平均值。在共晶點處，當(dāng)形成細小、均勻的共晶組織時，其強度和硬度可達到最高值(如圖3－7中虛線所示)。圖3－7合金力學(xué)性能與相圖的關(guān)系

3.3.2合金工藝性能與相圖的關(guān)系

圖3－8所示為合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系。相圖中液相線和固相線之間的距離越小，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對澆注和鑄造質(zhì)量越有利。當(dāng)合金的液、固相線溫度間隔大時，形成枝晶偏析的傾向性也大；同時先結(jié)晶出的枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動，降低了其流動性，增加了分散縮孔。純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。但結(jié)構(gòu)材料一般不使用純組元金屬，所以鑄造結(jié)構(gòu)材料常選取共晶或接近共晶成分的合金。圖3－8合金鑄造性能與相圖的關(guān)系

當(dāng)合金為單相固溶體時，其變形抗力小，變形均勻，不易開裂，具有良好的鍛造性能，但切削加工時不易斷屑，加工表面比較粗糙。雙相組織的合金變形能力差些，特別是當(dāng)組織中存在較多的化合物相時，不利于鍛造加工，而其切削加工性能好于固溶體合金。

3.4鐵碳合金相圖

碳鋼和鑄鐵是工業(yè)中應(yīng)用范圍最廣的金屬材料，它們都是以鐵和碳為基本組元的合金，通常稱之為鐵碳合金。鐵是鐵碳合金的基本成分，碳是主要影響鐵碳合金性能的成分。一般含碳量為0.0218%~2.11%的稱為鋼；含碳量大于2.11%的稱為鑄鐵。兩者雖然都是鐵碳合金，但性能卻是大不相同的，這可以從鐵碳合金相圖(或狀態(tài)圖)中得到充分的解釋。所以鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。

鐵碳合金相圖是用試驗方法做出的溫度成分坐標(biāo)圖。當(dāng)鐵碳合金的含碳量超過6.69%時，合金太脆而無法應(yīng)用，所以人們研究鐵碳合金相圖時，主要研究簡化后的Fe－Fe3C相圖，如圖3－9所示。從相圖上可以了解C的質(zhì)量分數(shù)不同的鋼鐵在不同溫度下所存在的狀態(tài)(即組織)。圖3－9Fe－Fe3C相圖

3.4.1鐵碳合金的基本相與性能

1.鐵碳合金的基本相

鐵碳合金相圖中的基本相主要包括鐵素體(F)、奧氏體(A)、滲碳體(Fe3C)、珠光體(P)及萊氏體(Ld

)。

1)鐵素體(F)

C在α－Fe中的固溶體稱為鐵素體，用符號F或α表示。它是碳在α－Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。鐵素體中碳的固溶度極小，室溫時碳的質(zhì)量分數(shù)約為0.0008%；

600℃時為0.0057%；在727℃時溶碳量最大，碳的質(zhì)量分數(shù)為0.0218%。鐵素體的性能特點是強度低、硬度低、塑性好。其機械性能與工業(yè)純鐵大致相同。δ相又稱高溫鐵素體，是碳在δ－Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。它在1394℃以上存在，在1495℃時溶碳量最大，碳的質(zhì)量分數(shù)為0.09%。

2)奧氏體(A)

奧氏體是C在γ－Fe中的固溶體，用符號A或γ表示。它是碳在γ－Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格。奧氏體中碳的固溶度較大，在1148℃時溶碳量最大，其碳質(zhì)量分數(shù)達2.11%。奧氏體的強度較低，硬度不高，易于塑性變形。

3)滲碳體(Fe3C)

滲碳體是Fe和C的化合物，用Fe3C表示。其C的質(zhì)量分數(shù)為6.67%。因為在α－Fe中C的溶解度很小，所以在常溫下鋼中的C大都以滲碳體形態(tài)存在。滲碳體的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。它由C原子構(gòu)成一個斜方晶格(即a≠b≠c)，在每個C原子的周圍都有6個Fe原子，構(gòu)成一個八面體。每個八面體的軸彼此傾斜某一個角度。每個八面體有6個Fe原子和一個C原子，每個Fe原子同時屬于兩個八面體。

滲碳體的熔化溫度計算值為1277℃，其硬度很高(800HBS左右)，但非常脆(aK≈0)，幾乎沒有延展性(

δ或ψ≈0)。Fe和C硬度都不高，一旦它們形成化合物就變成了與原來元素的性能圖3－10鐵碳合金的性能與成分關(guān)系完全不同的物質(zhì)了。滲碳體根據(jù)生成條件不同有條

狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對鐵碳合金的機械性能

有很大影響。

4)珠光體(P)

鐵素體和滲碳體的機械混合物稱為珠光體，用P表示。其C的質(zhì)量分數(shù)為0.77%，性能介于鐵素體和滲碳體之間，緩冷時硬度為180~200HBS。

5)萊氏體(Ld

)

C的質(zhì)量分數(shù)為4.3%的液態(tài)合金冷卻到1148℃時，結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶體，該共晶體稱為高溫萊氏體，用

Ld

表示。而在727℃以下，由珠光體和滲碳體所組成的萊氏體稱為低溫萊氏體，用Ld'

表示。萊氏體硬而脆，是白口鑄鐵的基本組織。

2.鐵碳合金的性能

相圖的形狀與合金的性能之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。鐵碳合金的性能與成分的關(guān)系如圖3－10所示。

硬度主要取決于組織中組成相或組織組成物的硬度和相對數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小，隨碳質(zhì)量分數(shù)的增加，由于硬度高的Fe3C增多，硬度低的F減少，因此合金的硬度呈直線關(guān)系增大，由全部為F的硬度(約為80HBS)增大到全部為Fe3C時的硬度(約為800HBS)。圖3－10鐵碳合金的性能與成分關(guān)系

強度是一個對組織形態(tài)很敏感的性能。隨碳質(zhì)量分數(shù)的增加，亞共析鋼中P增多而F減少。P的強度比較高，其大小與細密程度有關(guān)。組織越細密，則強度值越高。F的強度較低。所以亞共析鋼的強度隨碳質(zhì)量分數(shù)的增大而增大。但當(dāng)碳質(zhì)量分數(shù)超過共析成分之后，由于強度很低的Fe3CⅡ沿晶界出現(xiàn)，合金強度的增高變慢，當(dāng)wC約為0.9%時，

Fe3CⅡ

沿晶界形成完整的網(wǎng)，強度迅速降低；隨著碳質(zhì)量分數(shù)的進一步增加，強度不斷下降，當(dāng)wC

=2.11%后，合金中出現(xiàn)Ld'時，強度已降到很低的值；再增大碳質(zhì)量分數(shù)時，由于合金基體都為脆性很高的Fe3C，因此強度變化不大且值很低，趨于Fe3C的強度(約為20~30MPa)。

鐵碳合金中Fe3C是極脆的相，沒有塑性。合金的塑性變形全部由F提供。所以隨碳質(zhì)量分數(shù)的增大，當(dāng)F量不斷減少時，合金的塑性連續(xù)下降。當(dāng)合金成為白口鑄鐵時，塑性就降到近于零值了。

3.4.2鐵碳合金的相圖

1.鐵碳合金相圖中重要的點和線

Fe－Fe3C相圖比較復(fù)雜，但圍繞三條水平線可將相圖分解成三個基本相圖，在了解一些重要的點和線的意義后分析時就會容易許多。

1)主要轉(zhuǎn)變

主要轉(zhuǎn)變有三個：包括轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變。

(1)包晶轉(zhuǎn)變。Fe－Fe3C相圖中HJB線即為包晶轉(zhuǎn)變線，其反應(yīng)式為

凡是wC在0.09%~0.53%范圍內(nèi)的合金冷卻至HJB線均會發(fā)生此反應(yīng)。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體(A)。

(2)共晶轉(zhuǎn)變。Fe－Fe3C相圖中ECF線即為包晶轉(zhuǎn)變線，其反應(yīng)式為

凡是wC在2.11%~6.69%范圍內(nèi)的合金冷卻至ECF線均會發(fā)生此反應(yīng)。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為萊氏體(Ld

)。該組織冷卻至室溫時，稱為低溫萊氏體(Ld')。

(3)共析轉(zhuǎn)變。Fe－Fe3C相圖中PSK線即為共析轉(zhuǎn)變線，其反應(yīng)式為

凡是wC在0.0218%~6.69%范圍內(nèi)的合金冷卻至PSK線均會發(fā)生此反應(yīng)。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體(P)。

2)特性曲線

特性曲線有三條：

GS線、ES線和PQ線。

(1)GS線。GS線是從奧氏體中開始析出鐵素體的轉(zhuǎn)變線。由于這條曲線在共析線以上，所以又稱其為先共析鐵素體開始析出線，習(xí)慣上稱為A3線。

(2)ES線。ES線是碳在A中的固溶線，通常叫做Acm線。由于在1148℃時A中溶碳量最大，碳質(zhì)量分數(shù)可達2.11%，而在727℃時僅為0.77%，因此碳質(zhì)量分數(shù)大于0.77%的鐵碳合金自1148℃冷至727℃的過程中，將從A中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CⅡ

)。

Acm線亦為從A中開始析出Fe3CⅡ

的臨界溫度線。

(3)PQ線。PQ線是碳在F中的固溶線。在727℃時，

F中溶碳量最大，碳質(zhì)量分數(shù)可達0.0218%，而室溫時僅為0.0008%，因此碳質(zhì)量分數(shù)大于0.0008%的鐵碳合金自727℃冷至室溫的過程中，將從F中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CⅢ

)。PQ線亦為從F中開始析出Fe3CⅢ的臨界溫度線。

3)特性點

Fe－Fe3C相圖中14個特征點的溫度、碳含量及意義如表3－2所示。

2.鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程

根據(jù)鐵碳合金中C的質(zhì)量分數(shù)的不同，可把鐵碳合金分為鋼和鑄鐵。根據(jù)組織特點又可以把鋼分成三類：

C的質(zhì)量分數(shù)為0.77%的鋼稱為共析鋼；

C的質(zhì)量分數(shù)小于0.77%的鋼稱為亞共析鋼；

C的質(zhì)量分數(shù)大于0.77%的鋼稱為過共析鋼。

鑄鐵也可分為三類：

C的質(zhì)量分數(shù)等于4.3%的鑄鐵稱為共晶鑄鐵；

C的質(zhì)量分數(shù)小于4.3%的鑄鐵稱為亞共晶鑄鐵；

C的質(zhì)量分數(shù)大于4.3%的鑄鐵稱為過共晶鑄鐵。實際上鑄鐵中C的質(zhì)量分數(shù)最高不能超過5%；否則，性能很脆，沒有實用價值?，F(xiàn)結(jié)合圖3－9中的Fe－Fe3C相圖分析鐵碳合金室溫下的組織及組織形成過程。

1)工業(yè)純鐵(wC

≤0.0218%)

下面以碳質(zhì)量分數(shù)為0.01%的鐵碳合金為例，對其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程(如圖3－11所示)進行分析。

合金在1點以上為液相L。當(dāng)冷卻至稍低于1點時，合金開始從L中結(jié)晶出δ，至2點合金全部結(jié)晶為δ。從3點起，

δ逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳，至4點全部轉(zhuǎn)變完成。4~5點間A冷卻不變，自5點開始，從A中析出F。F在A晶界處生核并長大，至6點時A全部轉(zhuǎn)變?yōu)镕。在6~7點間F冷卻不變。在7~8點間，從F晶界析出Fe3CⅢ

。因此合金的室溫平衡組織為F+Fe3CⅢ。F呈白色塊狀；

Fe3CⅢ

量極少，呈小白片狀分布于F晶界處。若忽略Fe3CⅢ

，則組織全為F。圖3－11工業(yè)純鐵結(jié)晶過程示意圖

工業(yè)純鐵中組織組成物的含量分別為

2)亞共析鋼(0.0218%<wC<0.77%)

以C的質(zhì)量分數(shù)為0.40%的合金為例，其結(jié)晶過程示意圖如圖3－12所示。3點以上與前述的合金類似，通過3~4階段后，結(jié)晶為A，處于均勻狀態(tài)。當(dāng)冷卻到4點時，開始析出少量的F。隨著溫度的下降，

F越來越多，其成分沿GP線不斷變化，

A成分沿GS線變化，由于F內(nèi)幾乎不能溶C，故在F不斷增多的同時，剩下的越來越少的A中含碳量將不斷增多。

當(dāng)溫度下降到4點時，組織中除F外還有未轉(zhuǎn)變的A，

A的C的質(zhì)量分數(shù)已增加到了0.77%，此時，這部分A將轉(zhuǎn)變成P。故在4~5階段，合金由A+F構(gòu)成。在略低于5點溫度時，合金由F+P構(gòu)成。再繼續(xù)冷卻，

F中要析出三次滲碳體，但因其數(shù)量很少，一般情況下其作用很小，常被忽略。故亞共析鋼的室溫組織為F+P。

亞共析鋼中組織組成物的含量分別為

圖3－12亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖

3)共析鋼(wC=0.77%)

共析鋼的含碳量為0.77%，其結(jié)晶過程示意圖如圖3－13。共析鋼在溫度1~2點間，合金按勻晶轉(zhuǎn)變從液相中結(jié)晶出奧氏體，在2點全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。繼續(xù)冷卻到3點時，奧氏體在此恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，最終奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這一珠光體是F與Fe3C的層片狀細密混合物，其組織如圖3－14所示，呈指紋形態(tài)，其中白色的基體為F，黑色的層片表示Fe3C。當(dāng)由727℃繼續(xù)冷卻時，珠光體中鐵素體的溶碳量沿著PQ線逐漸減少，從而不斷析出Fe3CⅢ。由于析出量很少，且分辨不清，因此可忽略。

P中F和Fe3C的含量分別為圖3－13共析鋼結(jié)晶過程示意圖圖3－14共析鋼室溫平衡狀態(tài)顯微組織

4)過共析鋼(0.77%<wC≤2.11%)

以碳質(zhì)量分數(shù)為1.2%的鐵碳合金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3－15所示。

當(dāng)合金冷卻時，從1點起自L中結(jié)晶出A，至2點全部結(jié)晶完。在2~3點間A冷卻不變，從3點起，由A中析出Fe3CⅡ

，

Fe33

Ⅱ

呈網(wǎng)狀分布在A晶界上。至4點時，

A的碳質(zhì)量分數(shù)降為0.77%，

4~4'點發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻，而Fe3CⅡ

不變化。在4'~5點間冷卻時組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為Fe3CⅡ+P。在顯微鏡下，

Fe3CⅡ

呈網(wǎng)狀分布在層片狀P周圍。

過共析鋼中組織組成物的含量分別為圖3－15過共析鋼結(jié)晶過程示意圖

5)亞共晶白口鐵(2.11%<wC<4.30%)

以碳質(zhì)量分數(shù)為3.0%的鐵碳合金為例，其平衡結(jié)晶過程如圖3－16所示。

合金在1~2點間，從液相中不斷結(jié)晶出所謂的“初生奧氏體”或“先共晶奧氏體”，當(dāng)冷卻至2點時，剩余液相的含碳量為4.3%，于此恒溫下，液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體。共晶轉(zhuǎn)變時，初生奧氏體保持不變。共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時的合金組織為初生A+Ld。在2~3點間繼續(xù)冷卻時，初生A和共晶A都析出Fe3CⅡ

，奧氏體的含碳量沿ES線逐漸降低。當(dāng)溫度降至3點時，所有的奧氏體都發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，此時Ld

轉(zhuǎn)變?yōu)長d'。共晶Fe3C在整個結(jié)晶過程中保持不變。所以亞共晶白口鑄鐵(白口鑄鐵簡稱白口鐵)的室溫組織如圖3－17所示，為P+Fe3CⅡ+Ld'

。圖3－16亞共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖圖3－17亞共晶白口鐵室溫平衡狀態(tài)顯微組織

亞共晶白口鐵中組織組成物的含量分別為

從奧氏體中析出的P和Fe3CⅡ

分別為

6)共晶白口鐵(wC=4.30%)

共晶白口鑄鐵的含碳量為4.3%，其結(jié)晶過程示意圖如3－18所示。此合金溶液冷卻到1點即1148℃時，在恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的這一混合組織稱為萊氏體，用符號Ld

表示。萊氏體中的Fe3C稱為共晶滲碳體；其中的A稱為共晶奧氏體。在1~2點間繼續(xù)冷卻時，共晶A的溶碳量沿ES線變化，不斷析出Fe3CⅡ

。因為它析出在基體上，分辨不出，故一般不予區(qū)別。溫度降至2點即727℃時，共晶A含碳量降至0.77%，于此恒溫下，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體。共晶白口鑄鐵這時的組織是P+Fe3C，是低溫萊氏體，用符號Ld'表示。Ld'與Ld的區(qū)別就在于Ld'為P+Fe3C，而Ld

則為A+Fe3C。室溫下組織如圖3－19所示。圖3－18共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖圖3－19共晶白口鐵室溫平衡狀態(tài)顯微組織

7)過共晶白口鐵(4.30%<wC

≤6.69%)

以碳質(zhì)量分數(shù)為5.0%的鐵碳合金為例，其平衡結(jié)晶過程如圖3－20所示。

過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程中的基本轉(zhuǎn)變與亞共晶白口鑄鐵相同。但不同的是它在勻晶反應(yīng)中，在1~2點間，從液相中不斷結(jié)晶出呈大條片狀的一次滲碳體Fe3

CⅠ

。再繼續(xù)冷卻直到室溫，F(xiàn)e3CⅠ

不發(fā)生變化。所以過共晶白口鑄鐵的室溫組織如圖3－21所示，它是由Fe3CⅠ

和Ld'組成的。

過共晶白口鐵中組織組成物的含量分別為圖3－20過共晶白口鐵結(jié)晶過程示意圖圖3－21過共晶白口鐵室溫平衡狀態(tài)顯微組織

3.4.3鐵碳相圖的應(yīng)用

Fe－Fe3C相圖在生產(chǎn)中具有重要的實際意義，主要應(yīng)用在鋼鐵材料的選用和加工工藝的制訂兩個方面，如鋼鐵材料選用、鑄造工藝、熱鍛及熱軋工藝、熱處理工藝等方面。

1.鋼鐵材料選用

Fe－Fe3C相圖所表明的成分組織性能的規(guī)律，為鋼鐵材料的選用提供了依據(jù)。建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳質(zhì)量分數(shù)較低的鋼材。各種機械零件需要強度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用碳質(zhì)量分數(shù)適中的中碳鋼。各種工具要用硬度高和耐磨性好的材料，則選碳質(zhì)量分數(shù)高的鋼種。純鐵的強度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料，但由于其磁導(dǎo)率高，矯頑力低，因此可作軟磁材料使用，如作為