铁碳合金的平衡结晶过程及其组织优化方案

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：铁碳合金的组织是液态结晶及固态相变的综合结果，研究铁碳合金的结晶过程，目的在于通过分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。

铁碳合金的组织是液态结晶及固态相变的综合结果，研究铁碳合金的结晶过程，目的在于通过分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。通常按有无共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类。ωC=0.0218%～2.11%不发生共晶转变的铁碳合金称为碳钢；ωC=2.11%～6.69%发生共晶转变的铁碳合金称为铸铁。按Fe-Fe3C系统结晶的铸铁，碳是以渗碳体的形式存在，其断口呈白亮色，故称之为白口铸铁。ωC＜0.0218%的铁碳合金与铁一样只发生同素异晶转变，故称之为工业纯铁。

根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为7种类型：

（1）工业纯铁　　　　　　ωC＜0.0218%

（2）共析钢　　　　　　　ωC=0.77%

（3）亚共析钢　　　　　　ωC=0.0218%～0.77%

（4）过共析钢　　　　　　　ωC=0.77%～2.11 %

（5）共晶白口铸铁　　　　ωC=4.3 %

（6）亚共晶白口铸铁　　　ωC=2.11%～4.3 %

（7）过共晶白口铸铁　　　ωC=4.3%～6.69%

现从每种类型中选择一种合金来分析其平衡结晶过程。所选取的合金成分在相图上的位置如图2-27所示。

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图2-27　典型铁碳合金冷却时组织转变过程分析图

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典型铁碳合金冷却时组织转变过程分析

2.3.3.1　工业纯铁

合金①为含碳量0.01%的工业纯铁，其结晶过程如图2-27所示，该液态合金在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶出δ固溶体，冷却至3点，开始发生固溶体的同素异构转变δ→γ，奥氏体的晶核优先在δ相的晶界上形核并长大。这一转变在4点结束，合金全部转变为单相奥氏体，继续冷却至5点时，发生γ固溶体的同素异晶转变γ→α，同样，铁素体也是在奥氏体晶界形核并长大，当温度继续降至6点时，奥氏体全部转变为铁素体。铁素体冷却到7点时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和，因此，当温度降至7点以下时，渗碳体将从铁素体中析出，这种从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。

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图2-28　ωC=0.01%的工业纯铁结晶过程示意图

2.3.3.2　共析钢

合金②为含碳量0.77%的共析钢，其结晶过程如图2-29所示，在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶出奥氏体，于2点结晶完毕，转变为单相奥氏体，温度继续冷却至3点（727 °C）时，在恒温下发生共析转变，，形成珠光体，珠光体是共析铁素体和共析渗碳体的层片状混合物，在随后的冷却过程中，铁素体中的含碳量沿PQ线变化，于是从珠光体的铁素体相中析出三次渗碳体，在缓慢冷却条件下，三次渗碳体在铁素体与渗碳体的相界上形成，与共析渗碳体连接在一起，在显微镜下难以分辨，同时其数量也很少，对珠光体的组织和性能没有明显影响，因此，共析钢的室温平衡组织是珠光体，如图2-30所示。

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图2-29　ωC=0.77%的共析钢结晶过程示意图

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图2-30　共析钢的室温组织

2.3.3.3　亚共析钢

合金③为含碳量0.40%的亚共析钢，其结晶过程如图2-31所示，在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶出δ固溶体，冷却至HJB线上的2点时，δ固溶体的含碳量转变为0.09%，而液相的含碳量转变为0.53%，于是，在1 495 °C的恒温下发生包晶转变，，转变为奥氏体。但由于钢中含碳量（ωC=0.40%）大于0.17%，所以包晶转变完成后仍然有液相存在，这部分液相在2～3点之间继续结晶为奥氏体，当温度降至3点时，合金全部变成含碳量为0.40%的单相奥氏体。

单相奥氏体冷却至4点时，在晶界上开始析出先共析铁素体，随着温度的降低，先共析铁素体的数量不断增多，此时铁素体的成分沿着GP线变化，而奥氏体的成分则沿GS线变化，当温度冷却至PSK线上的5点时，奥氏体的成分达到S点，即含碳量达到0.77%，于恒温下发生共析转变，，形成珠光体。在5点以下，先共析铁素体和珠光体中的共析铁素体都将析出三次渗碳体，但其数量也都很少，一般可以忽略不计。因此，亚共析钢的室温组织是先共析铁素体和珠光体（见图2-32），钢中含碳量越高，则组织中的珠光体数量越多。

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图2-31　ωC=0.40%的亚共析钢结晶过程示意图

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图2-32　亚共析钢的室温组织

2.3.3.4　过共析钢

合金④为含碳量1.2%的过共析钢，其结晶过程示意图如图2-33所示，在1～2温度区间内，按匀晶转变结晶为单相奥氏体，当冷却至ES线上的3点时，开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4点为止。这种先共析渗碳体一般沿着奥氏体晶界呈网状分布。由于渗碳体的析出，奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至PSK线上的4点时，奥氏体的含碳量正好达到0.77%，在恒温（727 °C）下奥氏体发生共析转变，，形成珠光体，因此过共析钢的室温组织就是二次渗碳体和珠光体，如图2-34所示。