材料科学基础 二元相图及其合金的凝固 2.1二元合金相图分析实例-铁碳相图1

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1、7.3.8二元合金相图分析实例I重点：铁碳相图碳钢和铸铁是使用最为广泛的金属材料，它们是由铁和碳组成的合金。不同成分的碳钢和铸铁，其组织和性能是不同的。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。一、Fe-C合金中的相1.纯铁纯铁在1538℃凝固为体心立方的δ-Fe。继续冷却时，在1394℃转变为面心立方的-Fe，912℃又转变为体心立方的α-Fe。　δ-Fe和α-Fe都具有体心立方结构，而且δ-Fe的性能数值都位于α-Fe的性能温度曲线的外延线上，因此通常把α铁和δ铁看作是同一个相。纯铁的原子间距和

2、原子体积与温度的关系纯铁的力学性能大致为：σb=176~274MPa，δ=30~50%，σ0.2=98~166MPa，ψ=70~80%。HB=50~80，αk=1.5~2MJ/m2。2.碳碳的原子序数为6，原子量为12.01，原子半径为0.077nm，20℃时的密度为2.25×103kg/m3。在自然中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。在铁碳合金中碳不以金刚石形态存在。石墨具有层状结构。六方层中的近邻原子间距为0.142nm，层间距为0.340nm。石墨的硬度很低，只有3~5HB，而塑性几乎接近于零。铁碳合金中的石墨用符号G或C表示。3.固溶体碳的原子

3、半径较小，可以进入-Feα-Fe中的原子间隙而形成间隙固溶体。α铁的溶碳能力很小，最大溶解度只有0.0218%（重量）。在第四周期的体心立方过渡族金属中是最小的，如图所示。碳在第四周期过渡族金属中的最大溶解度碳在α铁中形成的间隙固溶体叫做铁素体，常用符号F或α表示。它的性能与纯铁相差无几，居里点也是770℃。晶粒常呈多边形。-Fe的原子间隙较α-Fe大，因此碳在-Fe中的溶解度也比较大。最大溶解度为2.11%。-Fe中的八面体间隙大于其四面体间隙，一般认为碳在铁中形成间隙固溶体时，是进入八面体间隙的。这种固溶体叫做奥氏体，常用符号A或表示。晶

4、粒呈平直多边形。碳在γ－Fe晶格中的位置奥氏体的显微组织碳在奥氏体中的最大溶解度如以原子百分数表示，大约为9%，即铁原子与碳原子之比大约为10:1。面心立方晶胞中有4个铁原子和4个八面体间隙。这就是说，即便达到最大溶解度，也只有平均每2.5个晶胞中才有一个八面体间隙被碳原子所占据。奥氏体塑性很好，具有顺磁性。4.渗碳体在铁碳合金中，铁和碳可以形成间隙化合物Fe3C，其中含碳6.69%，称为渗碳体，也可用符号Cm表示。　　渗碳体属于正交晶系，点阵常数为a=0.4524nm，b=0.5089nm，c=0.6743nm。渗碳体晶胞内含有12个铁原子和4个碳

5、原子，符合Fe∶C=3∶1的关系。作为一种中间相，渗碳体有很高的硬度(HV=950~1050)，而塑性几乎为零。它在常温具有铁磁性，居里点为230℃，常用A0表示，熔点为1227℃。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。5.铁碳合金相图渗碳体在热力学上是一个亚稳定的相，而石墨才是稳定的相。由于石墨的表面能很大，形核需要克服

6、很高的能垒，因此在一般条件下，铁碳合金中的碳更易和铁化合成渗碳体。在一定的条件下，例如极为缓慢的冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，铁碳合金中的碳仍可以以石墨的形式存在。这样一来，铁碳合金中的相平衡就有两种情况：一种是合金的液体、固溶体和渗碳体之间的亚稳平衡，另一种是合金的液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡。与这两种情况相应，人们做出了两个铁碳合金相图。一个是亚稳定的铁-渗碳体合金相图，它实际上是亚稳定铁碳合金相图的铁端部分，即含碳量为0~6.69%的部分。　　另一个是稳定的铁-石墨合金相图，它从0%C一直延伸到100%C。通常把这两个相图中的相

7、同部分画在一起，用实线表示前者，虚线表示后者。无虚线部分属两个相图共有。铁碳合金双重相图L+γL+Fe3Cα+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+δδ+γ二、Fe-Fe3C合金相图分析组元为Fe和Fe3C。如前所述，纯铁在固态有两种同素异构体，存在于不同的温度范围。Fe3C（渗碳体）为间隙化合物，是稳定化合物，在熔化前不分解，故可看作独立组元，将相图分解为Fe-Fe3C部分。Fe-Fe3C相图中有5个单相区，分别为：(1)液相区(L)：ABCD线以上的区域为液相区。(2)α相区：α相为碳在Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，在GPQ区内。(3)相区：相为碳

8、在Fe中的固溶体，具有面心立方晶格，在GSEJN区内。(4)δ相区：为碳在Fe中的固溶体，也是