文档介绍：铁碳相图和铁碳合金(一)
钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料,虽然它们的种类很多,成分不一,但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此,学****铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
    Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以,Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相,后面三部分相图实际上没有应用价值(工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5%),因此,通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
    化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite),是一种亚稳定的化合物,在一定条件下可以分解为Fe和C,C原子聚集到一起就是石墨。因此,铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图(图1)。Fe-Fe3C相图主要用于钢,而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图,Fe-石墨相图与此类似,只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
 
图1 铁碳双重相图
【说明】
    图1中虚线表示Fe-石墨相图,没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
    铁具有异晶转变,即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下:
    由于Fe的晶体结构不同,C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-%,而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-%%。
 
纯铁
纯铁的熔点1538℃,固态下具有同素异晶转变:912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构,912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。
          
                图2  工业纯铁的显微组织                   图3   奥氏体的显微组织
铁的固溶体
    碳溶解于α-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite),用α、δ或F表示, 由于δ-Fe是高温相,因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低(%),所以其性能与纯铁相似:硬度(HB50~80)低,塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同(图2)
碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite),用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳,1148℃%的碳,到727℃%。奥氏体的硬度(HB170~220)较低,塑性(延伸率δ为40%~50%)高。奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
            
              图4   碳在γ-Fe晶格中的位置                        图5  渗碳体的晶格
渗碳体(Fe3C)
渗碳体是铁和碳形成的化合物,%(%),具有复杂的晶体结构(图5),熔点为1227℃。渗碳体硬度极高(HB800),塑性几乎等于0,是硬脆相。在一定条件下,渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳:Fe3C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。
从某种意义上讲,铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具,是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础,也是制定各种热加工工艺的依据。
一、铁碳合金中的基本相
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图,铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变,即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体,Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同,因而两者的溶碳能力也不同。
1,铁素体(ferrite)
铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格;
的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.
铁碳合金中的基本相
铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低.
δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.
铁碳合金中的基本相
铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%***酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳