铁碳合金副本Word格式.docx
- 文档编号:6642434
- 上传时间:2023-05-07
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:25.39KB
铁碳合金副本Word格式.docx
《铁碳合金副本Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《铁碳合金副本Word格式.docx(13页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
钢在加热状态下的固溶体的构成由英国的R.Αuston发现,并由法国的H.L.LeChatelier和俄罗斯的金相学家Α.Α.Baikov和N.T.Gudtsov通过直接的金相分析实验证明。
使用这些数据和加拿大W.Gibbs发展的相平衡原理,荷兰的G.Roseboom和R.Αusten计算出第一个铁碳合金相图,由于缺少数据,他们无法构建一个与相平衡一一对应的完整的铁碳相图。
直到上世纪末,德国的P.Gerens利用前辈的经验和显微结构和热血分析的新成果,出版了他的书中的合金相图,才与现代的相图版本非常接近。
此后的合金分析方法的改进的结果对铁碳合金相图进行了大量实质的,然而非基本的改善。
铁碳合金相图的相关研究任然在进行,相图也不时有细小的改进,特别是平衡线的位置,由于使用了纯度更高的合金和更加精确的分析方法,但是,铁碳相图的形式不可能一朝完成的。
从名称我们可以清楚地知道,铁碳结构相图应该从100%的铁延伸到100%的碳。
铁和碳可以形成一种叫做渗碳体的化学混合物:
Fe3C(碳化铁)。
以上对具有固定成份的相图的研究,我们可以把含有固定成份的部分当做合金的一个组元,这样我们可以把相图分成几部分来研究。
现在我们仅仅研究铁碳相图中含碳量从100%到碳素体的部分,这样做不仅是对我们检验这个理论体系的任务的简化,而且从实际中也证明了实用合金的含碳量不超过5%。
因此,当我们从铁到铁素体分析铁碳合金相图的时候,我们可以把铁和铁素体当做是组成合金系统的组元。
我们有必要来研究这些组元成份的性质和结构。
6-2铁
上世纪中叶人们发现了大批量生产钢的方法,第一次同金属相图来研究铁及其合金也可以追溯到那个时候。
二十世纪三十年代,俄罗斯冶金家P.P.Αmosov使用光学显微镜检查钢的结构及其在锻造和热处理时的变化,在其他国家最先的显微镜检测开始于十九世纪六十年代,并且和铁变形的结构联系起来。
不久之后人们已经确定铁陨石的结构基本上和普通铁材料是相似的(更加严格地说,是含有铁和镍的合金),这是由于铁陨石在穿过地球大气层的过程中有一个广泛加热的过程。
铁和铁基合金基于组成和热处理条件等的金相研究具有现实重要性。
P.P.Αmosov是第一个开始进行这项研究,比H.C.Sorby和Α.Widmanstatten对该项的研究提前了30年。
Sorby曾经将他在显微镜里面看到的组织结构很精确地画了出来。
图6-2为他绘制的珠光体结构图,与图6-14的现代显微镜照片相比较。
不久之后,铁碳合金的显微结构图开始在专业书本中出现。
本世纪初,第一本关于铁基合金的金相的综合性专著由Α.Α.Rzheshotαrsky(俄罗斯)、Α.Martens和Gein(德国),以及H.M.Howe(美国)出版。
和其他任何金属一样,100%纯铁是不存在的,铁总含有相当的杂质,通过现代的直接减少回避高炉阶段,可以得到总的杂质含量大概在0.01%或者更少高纯度的铁,但是商业用铁(常叫做工业用纯铁或亚姆克铁),更多的是采用在平炉中实现大批量的生产。
工业用铁平均的含铁量为99.8-99.9%,杂质占了0.1——0.2%,包括0.02%左右的碳和大约0.1%的铜和千分之几或万分之几的各种其他的元素。
这个章节后面给出的数据指的是商业用铁的纯度。
第四页
铁的熔点是1539±
5℃,在固体的状态下,铁有两种变体,α-Fe(bbc晶格)和γ-Fe(fcc晶格)
α铁和γ铁的晶格特点和平衡温度见表2-15.
α铁的一个重要的状态是他可以在两个温度范围内存在——911℃以下和1392℃-1539℃,这个可能是因为系统的自由能随着温度的变化而以一定的方式改变。
(在表6-3中已经大略表示)
当温度低于911℃和高过1392℃的时候,α铁的自由能比γ铁的自由能要小,从911℃到1392℃这个中间范围,面心结构的自由能低。
这就是铁加热到911℃时α铁向γ铁转变发生以及加热到1392℃时γ铁向α铁转变发生的原因。
高温状态下的α铁(也叫做δ铁)不是他的另一种同素异形的形式。
铁的金属成分具有以下的特征
由于各种因素的影响,铁的性能可能会偏离这些数值,例如,晶粒粗化会降低硬度。
768℃时,铁会经历的磁性会发生转变,在高于这个温度时变成无磁性。
(见2-7部分)
值得特殊讨论的是含碳铁熔体的形成。
碳在铁中的溶解度主要取决于铁处于哪一种晶格形式。
碳在α铁的溶解度极小(小于0.02%),在γ铁中的溶解度要比这个高出上百倍(达到2%)自由状态下碳原子的直径为1.54纳米。
体心立方结构在顶点处有12个间隙,晶体中这些间隙和空位的直径为0.62Å
,不足以放置一个碳原子。
γ铁的面心立方晶格中心有一个直径是1.02Å
的空穴,碳原子可以占据这个空位,从而引起γ铁的晶格体积变大。
由于碳原子外层电子的分解,碳原子的体积也变小,碳和铁原子电子层的重叠也是很可能的。
因此,通过纯粹的几何的考虑可以看出,γ铁可以溶解碳原子,α铁却不行。
然而可以通过间接证明,α铁可以溶解非常少量的碳。
各种关于碳在α铁的最大溶解度的研究数据很大程度都不相同,从0.01到0.02,0.04,0.1,甚至到0.15%。
我们在工作和接下来的讨论中将采用0.02%这个值。
我们假定说,碳在α铁的溶解度取决于铁晶格中,尤其是晶界处大量的缺陷。
7页。
α铁和碳及其他元素的固溶体叫做铁素体,γ铁和碳及其他元素的固溶体叫做奥氏体。
奥氏体的晶格结构可以看成是由铁原子和碳原子共同组成的面心立方晶格。
如果面心立方晶格里面的空位和空隙都被碳原子占据,其状态特点可以由图表6-4α看出。
但是由于碳原子的尺寸比空穴大,占据了空隙的碳原子会使晶格扭曲,使得其他的碳原子无法占据其他的间隙,溶解了一个碳原子的奥氏体的晶格的结构见图6-4b.
碳原子置于γ晶胞的中心,由6个铁原子包围,从而形成八面体。
低碳的α铁在室温下的晶格参数是2.86Å
。
低碳γ铁的参数是3.56Å
后者的数值是有条件的,因为γ铁在室温下是无法存在的,这个数值是由外推法推断出来的。
我们已经知道,晶格的参数随温度和溶解原子的存在而增加。
实验测量已经测出含碳量高于0。
6-0.7%的钢中的奥氏体在室温下的晶格参数(图6-5α),以及纯γ铁在高温下的晶格参数(见图6-5b)延长曲线到含碳量为零的点(见图6-5α)或到室温(见图6-5b),就可以得到数值3.56Å
这个参数是纯γ铁在室温中可以得到假如在室温下可以得到γ铁的话。
金属学家对碳在奥氏体中的存在状态存在着争议,但是现在已经确定碳是二价电离子存在,而铁原子则是一价电离子。
碳对晶体贡献了两个电子而铁贡献了一个。
这一事实解释了V.I.Prosvirin和他的同事发现的奥氏体的电解现象,以及在加直流电流下碳原子向负极运动的原因。
6-3渗碳体
渗碳体是铁碳化合物,由于碳在α铁中的溶解度很低,钢在室温下的结构通常包含了渗碳体或其他碳化物等高含碳量的相。
渗碳体的晶格结构非常的复杂,用图表来描述渗碳体的方法有很多,其中最长用的见图6-6。
在图中可以看出,渗碳体的晶格由大量的八面体构成,这些八面体的轴线间以一定的角度连接起来,(为了不让图太复杂,没有把所有的八面体都画出来)每个八面体的中心都有一个碳原子占据,由于每一个铁原子属于两个八面体,包含所有由一个碳原子占据的八面体的混合物化学式中的比值为3:
1
铁原子间通过单纯的金属游离状态连接。
碳原子和铁原子间在晶体中的连接特性还没被确定。
他们应该以一种既有金属性又有离子型的特点的特殊的连接方式(并且很可能的是,这种连接的特性类似于奥氏体中的碳和铁的连接)。
无论如何,晶格中的铁和碳都具有活跃的离子型,金属和碳都同样表现出金属特性,这种情形和广泛的金属特性结合解释了渗碳体为什么含有金属成分(电子导体,金属光泽等)
渗碳体的熔点接近1250℃,渗碳体没有同素异构,在低温下具有铁磁性。
但当加热到217℃的时候渗碳体就会失去铁磁性。
渗碳体硬度很高,(800HB以上并且可以轻松地刮断玻璃),但是延展性非常低,基本为0.这些特性是由于渗碳体复杂的晶体结构。
渗碳体可以用以形成可替代的固溶体。
他的碳原子可以由其他的非金属原子替代,如氮和氧。
铁原子可以用其他的金属原子替换,如锰铬和钛,基于渗碳体晶格的固溶体称为合金渗碳体,通常用M3C来表示,其中M表示铁或其他的替换铁的金属,
渗碳体是不稳定的混合物,在一些状态下会分解形成游离的碳(石墨),这个过程具有现实的重要性,主要是对高碳合金(铸铁),这会在第八章作更加详细的讨论。
6-4相图
铁碳合金相图中成份浓度从纯铁到渗碳体的部分见图6-7。
图中的横坐标代表了浓度范围:
碳和渗碳体。
这里介绍一个简单的规则——碳的含量乘以15就可以得到钢或铸铁中的渗碳体的质量和体积比例。
ΑBCD是液相线,ΑHJECF是固相线。
由于铁可以和碳形成渗碳体,并且有两个同素异形体α铁和γ铁,系统中会存在以下的阶段。
a,液相(液态碳溶解于铁中),在液相线以上,用L表示
b,渗碳体,线DFKL范围内,在进一步的讨论中用Cem表示
c,铁素体,α铁中溶解少数的的碳形成的结构组织,用F,α或α-Fe表示。
铁碳相图中铁素体的区域在线GPQ和ΑHN的左边。
d,奥氏体,碳溶解于Γ铁形成的固溶体,在相图中线NJESG内,奥氏体通常用Α,γ或γ-Fe表示。
图中的三条水平线——HJB.ECF.PSK表示三个不稳定的反应的发生。
在1499℃,(线HJB),发生包晶反应发生。
LB+FH=ΑJ
反应产生了奥氏体。
这个反应只在含碳量从0.1%到0.5%的合金中才能观察到。
在1147℃,线ECF,发生共晶转变
LC+ΑE=Cem
产生由奥氏体和渗碳体组成的混合物,叫做莱氏体。
在所有含碳量高过2.14%的合金中都可以发生共晶转变。
在727℃,线PSK,发生共析转变
ΑS---FP+Cem
形成有铁素体和渗碳体合成的共析混合物,叫做珠光体。
(名字是由于该组织结构的外表和珠相似)
珠光体(共析)转变在所有含碳量高于0。
02%的合金中都可以发生,例如所有生产的工业铁碳合金。
前面已经提到,铁碳合金相图的形式(含碳量在渗碳体前面的部分),例如,其特征线,已经被确定和证实,只有坐标上(典型的温度和集聚点)可能需要不断的修改。
根据最新的实验数据,铁碳合金相图坐标上特殊的点在表6-1中给出。
铁碳合金相图相当的复杂,为了方便我们分析铁碳合金的组织结构和转化我们将其分成几个部分,接下来讨论的基本上不是新的知识,金属把第三章的材料应用到铁碳合金的特殊情形。
图6-8是包含了左边部分(珠光体的形成区域)的更大范围的铁碳合金相图。
考虑K1点含碳量小于0.1%的合金的形成顺序,例如,含碳量0.05%。
考察含碳量K1低于0.1%时(例如,含0.05的碳)的合金的组织转变的顺序,
合金在点1开始固化,α铁固溶体从液相中析出。
固化的过程中,液相的浓度随ΑB线变化(液相线的一部分),固相的浓度随着线ΑH(固相线的一部分)。
在固、液两相混合区中的点α,液相的浓度由点c的投影确定,固相的浓度由点b的投影确定。
由杠杆原理可以计算固相的质量为ac/bc,液相的质量为比ba/bc。
在点2,液相的质量开始变为0,固化过程结束,形成均匀的α铁固溶体。
在点3到4的温度范围内,合金开始新的组织转变,α铁固溶体转变成γ铁固溶体。
各相的浓度沿着线HN和JN的位置而改变。
在点d,铁素体相的浓度由点e的位置投影确定,奥氏体相的浓度则由点f的位置确定,各相的质量可以有比例α/γ=df/ed看出。
在点4,合金的结构组织为γ铁固溶体。
合金的冷却曲线见图6-8的右边。
含碳0.16%的碳的冷却和合金K1最初开始是相同的,例如,从浓度不同的α相析出开始。
在点J,温度1499度,液相的浓度点为B,α相的浓度为点H,点J浓度的γ相开始形成,由于三相共存,转变在恒温下进行,(c=k-f+1=2=3+1=0)冷却曲线的6-6’段是水平的。
该过程遵循以下的反应——LB+αH+γJ
并形成浓度为0.16%的奥氏体(γ相)。
如果碳含量低于或高于0.16%(例如,J点的左边或右边),过量的α相,或相应的液相(在进一步的冷却中将会转变为γ相)会发生珠光体的转变。
转变到了线NJ和JE(点E在图6-8中没有表示出来)的末端结束,生产了均一组织的γ相。
因此,任何含碳量低于0.5%的合金,不考虑中间转化产物α相,反应最终会固化成为γ相(奥氏体)。
X射线结构分析已经确定了奥氏体是碳溶于Γ铁形成的均一的固溶体。
在X射线被发现以前,Α.Α.Bαikov运用了Chαtelier用蚀刻的薄片在高温下进行结构检验的方法。
在高温下蚀刻出材料薄片,该温度下的材料结构特性将会显现出来。
然后在室温中对材料进行检验,在冷却到室温的过程中材料发生转变对高温下的结构没有影响。
通过这种方法,Α.Α.Bαikov说明了奥氏体是均匀的固溶体。
图6-9是用Α.Α.Bαikov的方法得到的含碳量为1%的钢中的奥氏体的结构,因此,奥氏体是均匀的固溶体,这个可以通过S射线结构和金相分析证明。
现在考虑含碳量超过2.14%的合金的初次结晶过程。
(图6-10)
特别的,这些合金的初次结晶在1147度发生共晶结晶转变。
共晶转变时,含4.3%碳的液相结晶为两个固体相,奥氏体(含碳量2.14%)和渗碳体,也就是,产生莱氏体。
合金中的共溶体含碳量4.3%的共晶转变在恒温下发生。
在亚共晶合金中,也就是含碳量低于4.3%(但高于2.14%)的合金,共晶转变首先是初次奥氏体的结晶析出。
K1合金就是一个例子,他的冷却曲线在图6=10的右边给出。
这种合金固化的开始由液相线上的点1决定。
进一步冷却,不同组织成份奥氏体的晶体(成份由固相线的位置决定)会沉淀析出,液相想浓度与液相线上的位置。
在α点,是γ跟L的两相区,液相的浓度由点b的投影确定,固相的浓度由点c的投影确定,固液两相的质量有以下的关系:
液相的质量/固相的质量=cα/αb
点2在温度1147,也就是K1垂直线和水平线ECF的交点。
液相的质量与线E-2相对应,浓度由点C确定(含碳4.3%)
在该温度下,共晶转变发生Lc----γE+Cem合金初步结晶完成。
初结晶完的组织结构包括初次奥氏体和初次莱氏体。
对过共晶合金,图6-10的K2点,结晶开始阶段在液相线CD(点4),生成初次渗碳体。
渗碳体的结晶凝固使液态中的碳减少。
在ECF线上的点5,液相达到C点的浓度,共晶结晶开始,合金初次结晶的组织结构由初次渗碳体和莱氏体构成。
前面的讨论表明下面的结论十分重要。
含碳量少于2.14%的合金,初次结晶的组织结构是奥氏体;
含碳量高于2.14%的合金,初次结晶的组织是莱氏体和剩余奥氏体或渗碳体。
高温下这些组织的不同决定了这两种类型合金在冶炼过程和金属特性方面显著的不同。
含共晶合金的合金塑性差,另一方面,高碳合金熔点低,适合做铸铁材料。
含碳量少于2.14%的铁碳合金叫做钢,高于2.14%的铁碳合金叫做铸铁。
考虑含碳量极少的合金的固态转变。
图6-11是放大了比例的铁碳合金相图最左边部分。
浓度为K1的合金,也就是含碳量低于0.01%,在1000度的温度下含有奥氏体结构。
铁在室温下只能以Α铁的形态存在,因此,Γ----α转变,也就是奥氏体转变为铁素体,在冷却时会发生。
合金的纯度高,不含任何碳,这个转变会在点G(温度911)发生,且温度不变。
对含碳浓度为K1的合金来说,转变会在点1和2间的温度段进行,其冷却曲线有一段弯曲线。
合金在点1和2间是两相混合区,包含了不同浓度的α相和γ相。
点2下面,合金是均匀的α固溶体(铁素体),进一步的冷却组织液不会发生改变。
铁素体的组织结构见图6-12
第二冷却曲线表示了含碳量高于0.01%但是低于0.02%的合金(K2合金)中的转变。
这种合金与前面提到的合金不同在于,(在区域3到4之间)γ----α转变,此后,进一步的冷却垂直公共线PQ上的点5.
点5上面,合金中的碳还未饱和。
点5以下,合金中无法溶解原来浓度的碳,过量的碳以高碳相——渗碳体从合金中沉淀析出。
随着冷却该过程一直进行,导致了α固溶体中的碳减少到0.01%。
从铁素体中析出的渗碳体叫做三次渗碳体。
(与从液相中析出的初次渗碳体和从奥氏体中析出的二次渗碳体相比较)。
我们来分析含碳量高的合金中的奥氏体的形成。
我们先来分析共析合金。
(图6-13含碳量0.8%的合金)
冷却到点1(S)奥氏体没有发生改变。
点S在最低温度时奥氏体平衡,从该温度开始,共析转变发生,奥氏体转化为铁素体和渗碳体。
忽略转变时铁素体中的含碳量(0.02%),反应可以写成:
Feγ(C)------Feα+Fe3C或Α-----F+Cem
转变产生了由铁素体和渗碳体薄片交替构成的珠光体。
(图6-14)
K1合金含0.5%的碳,相对于共析合金的浓度,含有过量的铁。
所以从奥氏体中开始析出形成铁素体。
GS线上的点2表示该过程的开始。
冷却的进行,由于析出的铁素体中几乎不含碳,所以残留的奥氏体中的碳浓度增加。
奥氏体的浓度随着曲线GS的变化而变化。
在点b,合金的组织结构为铁素体和奥氏体,特别的是,α点代表铁素体的浓度和c点是奥氏体的浓度。
这两相的质量可以由杠杆原理得到
铁素体的质量/奥氏体的质量=bc/αb
当接触到点3时,奥氏体达到共析浓度,开始在恒温下进一步转变为珠光体(冷却曲线3-3’水平段)。
转变完成的钢的组织结构为铁素体和珠光体(见图6-15)。
铁素体和珠光体的质量取决于碳的含量。
含碳量低于0.02%,结构中只含铁素体,含碳量为0.8%时只含珠光体。
在这两个含碳量之间,钢的结构包括了铁素体和珠光体。
珠光体的含量随着钢中碳的含量的增加而增加,其对应关系在图6-16中已经阐明。
和化学分析一起,通过钢结构组织中铁素体和珠光体相对占据的区域来确定钢的含碳量已经广泛地应用于实际。
图6-13的K2垂直线表示含碳量高于0.8%的合金,奥氏体的转变从点5开始,也就是渗碳体在奥氏体中析出之后。
渗碳体析出的过程中,奥氏体中碳含量随着线ES而减少,ES表明了奥氏体中饱和时奥氏体中最大的含碳量。
在点6,珠光体开始在固定的温度下形成(冷却曲线水平6-6’部分),结果产生的结构是珠光体和一系列在大量晶界边缘析出的渗碳体。
(图6-17)
一种特殊的腐蚀----苦味酸钠——用来区别渗碳体和铁素体。
这种溶液中渗碳体被染成黑色,而铁素体没有被染色。
(图6——17b)
钢主要分为三类:
(a)共析钢,含碳量0.8%左右,组织结构只有珠光体;
(b)亚共析钢,含碳量低于0.8%,结构组织为铁素体和珠光体;
(c)过共析钢,含碳量从0.8%到2%,组成结构为珠光体和渗碳体。
现在考虑高碳合金——铸铁的组织结构转变(图6-18)。
这些合金的初次结晶结构组织包含了低共溶莱氏体和初次奥氏体和初次渗碳体。
初次奥氏体和进入到共溶合金的奥氏体在结晶最后都溶解了最多的碳(2.14%)。
温度降低时溶液无法溶解这么多的碳,所以当从1147冷却时碳在奥氏体中析出成为二次渗碳体。
奥氏体中碳的浓度随着ES线的位置而变化。
最后,碰到线PSK时,奥氏体经过珠光体转变,不论他在什么结构组织里。
(过量的奥氏体或共溶合金奥氏体)。
考虑一下图6-18中右手边冷却曲线代表特殊的合金。
这种合金含有4.3%的碳,结晶后只含共溶合金结构。
从1147冷却到727度(从点1到点2),渗碳体从共溶合金奥氏体中析出;
这种渗碳体无法
由于渗碳体与共熔体的最初形成物结合在一起,所以通常无法从结构上检测到。
在第2点,即在727℃时,奥氏体包含了0.8%的碳,同时开始发生珠光体转变。
因此,当温度低于727℃时,莱氏体是由渗碳体和珠光体组成的混合物,它的结构如图6-19α所示。
过共晶铸铁会经历上文提到的转变,因为它的初生渗碳体不易于发生转变。
过共晶铸铁包含了莱氏体和渗碳体(呈清晰的长条状),它的结构如图6-19b所示。
在过共晶铸铁中,当初生奥氏体的冷却浓度在第3点和第4点间变化时,含碳量在2.14和0.8之间变化,并在第4点发生珠光体转变。
过共晶铸铁包含了珠光体,莱氏体和二次渗碳体,它的结构如图6-19c所示。
不同结构所存在的区域已经在相图中标出了(见图6-7)。
尽管结构组成看起来很复杂,尤其是在高碳合金中,但相图中的所有区域都只包含一个或两个阶段。
特别要指出,SEFK区域包含了两个阶段——奥氏体和渗碳体,而KPLQ区域包含了能形成相图各种成分的铁素体和渗碳体。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 铁碳合金 副本 合金