Fe-C相圖與非平衡相轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)知識(shí)講

1、Fe-C相圖與非平衡相轉(zhuǎn)變歸納總結(jié)鋼通常被定義為一種鐵和碳的合金，其中碳含量在幾個(gè)ppm到2.11wt%之間。其它的合金元素在低合金鋼中可總計(jì)達(dá)5wt%,在高 合金鋼例如工具鋼， 不 銹鋼 （10.5%和耐熱CrNi鋼（18%合金元素含量甚至更高。鋼可以展現(xiàn)出一系列的性 能，這些性能依據(jù)于鋼的組成，相狀態(tài)和微觀組成結(jié)構(gòu)，而這些又取 決于鋼的熱處理。Fe-C相圖理解鋼的熱處理的基礎(chǔ)是Fe-C相圖（圖一）。圖一實(shí)際上有兩個(gè)圖：（1）穩(wěn)定態(tài)Fe-C圖（點(diǎn)劃線），（2）亞穩(wěn) 態(tài)Fe-Fe3C圖。由于穩(wěn)態(tài)需要很長時(shí)間才能達(dá)到，特別是在低溫和低 碳情況下，亞穩(wěn)態(tài)往往引起人們更多的興趣。Fe-C相圖告訴我們

2、，在不同碳含量的組成和溫度下，達(dá)穩(wěn)態(tài)平衡或亞穩(wěn)態(tài)平衡時(shí)哪些相會(huì)727伍-F口密監(jiān)*臨530 D1 S38門T+F2G*話!118 C生成。我們區(qū)別了a-鐵素體和奧氏體，a-鐵素體在727C（1341F） 時(shí)最多溶解0.028%C,奧氏體在1148C（2098F）可溶解2.11wt%G在碳多的一側(cè)我們發(fā)現(xiàn)了滲碳體（Fe3C,另外，除了高 合金鋼之外，高溫下存在的a-鐵素體引起我們較少的興趣。在單相區(qū)之間存在著兩相混合區(qū)， 例如鐵素體和滲碳體，奧氏體 和滲碳體，鐵素體和奧氏體。在最高溫下，液相區(qū)可被發(fā)現(xiàn)，在液相 區(qū)以下有兩相區(qū)域液態(tài)奧氏體，液態(tài)滲碳體和液態(tài)鐵素體。在鋼的熱 處理中，我們總是避免液相

3、的生成。我們給單相區(qū)一些重要的邊界特 殊的名字：（1）A1,低共熔溫度，是奧氏體生成的最低溫度； （2）A3,奧氏體區(qū)域的低溫低碳邊界，也即r/（葉a）邊界；（3）Acm奧氏體區(qū) 域的高碳邊界，也即r/（r+Fe3C）邊界。低共熔溫度碳含量是指在奧氏體生成的最低溫度時(shí)的碳含量（0.77wt%C）。鐵素體-滲碳體混合相在冷卻形成時(shí)有一個(gè)特殊的外 貌，被稱為珠光體，可作為微觀結(jié)構(gòu)實(shí)體或微觀組成物來進(jìn)行處理。 珠光體是一種a-鐵素體和滲碳體薄片的混合物，滲碳體薄片又退化 為滲碳體顆粒散步在一個(gè)鐵素體基質(zhì)中，散步過程發(fā)生在鐵素體基質(zhì) 擴(kuò)散接近A1邊界之后。Fe-C相圖源于實(shí)驗(yàn)。但是，熱力學(xué)原理和現(xiàn)代熱

4、力學(xué)的數(shù)據(jù)的 相關(guān)知識(shí)可以為我們提供關(guān)于相圖的精確計(jì)算。當(dāng)相圖邊界不得不被推測和低溫下實(shí)驗(yàn)平衡很慢達(dá)到時(shí)，這種計(jì)算特別有用。如果合金元素加入Fe-C相圖，A1,A3,Acm邊界的位置和低共熔組成的位置會(huì)變 化。值得一提的是， 所有重要的合金元素降低了低共熔碳含量。 奧氏 體的穩(wěn)定元素錳，鎳降低了A3,鐵素體穩(wěn)定元素鉻，硅，鉬和鎢增 加A3o平衡相圖不能說明的相變動(dòng)力學(xué)過程與亞穩(wěn)態(tài)相，必須用非 穩(wěn)態(tài)相轉(zhuǎn)變圖來描述。各種相轉(zhuǎn)變圖在鋼的熱處理中，相變的動(dòng)力學(xué)因素與平衡圖表同樣重要。 對于 鋼的性能特別重要的亞穩(wěn)相馬氏體和形態(tài)上亞穩(wěn)態(tài)的微觀組成物貝 氏體， 可以在相對急速冷卻至環(huán)境溫度時(shí)產(chǎn)生。 這時(shí)碳

5、和合金雜質(zhì)的 擴(kuò)散受抑制或者限制在極小范圍內(nèi)。貝氏體是一種低共熔組成物，是鐵素體和滲碳體的混合物。最硬 的組成物馬氏體，在極度飽和的奧氏體快速冷卻時(shí)通過完全轉(zhuǎn)化形 成，當(dāng)碳含量增加至大約0.7wt%時(shí)，馬氏體的硬度增加。如果這些 不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物接下來加熱至一個(gè)適度的高溫，它們分解為更穩(wěn) 定的鐵素體和碳化物。這種重新加熱的過程有時(shí)被稱為回火或退火。鋼加熱奧氏體化是熱處理的前提。環(huán)境溫度下鐵素體-珠光體或鎮(zhèn)定 馬氏體的結(jié)構(gòu)到高溫下奧氏體或奧氏體-碳化物的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對于鋼的 熱處理同樣重要。鋼的熱處理涉及的四種相轉(zhuǎn)變條件我們可以利用相圖方便地描述出在相變時(shí)發(fā)生了什么。四種不同的圖可以被區(qū)別，它們是

6、：（1）加熱過程的奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，奧氏 體化；（2）冷卻過程奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，奧氏體的分解；（3）連續(xù)加 熱過程的奧氏體化；（4）連續(xù)冷卻過程的奧氏體的分解。這種圖展現(xiàn)了當(dāng)鋼在恒溫時(shí)維持很長一段時(shí)間時(shí)所呈現(xiàn)的狀態(tài) 通過維持一些小樣品在鉛 或鹽浴中并在依次增加維 持時(shí)間后每次冷卻一個(gè)樣 品，之后在顯微鏡下觀察在 微觀結(jié)構(gòu)中生成的相的數(shù) 量可以了解微觀結(jié)構(gòu)隨時(shí) 間的變化。共析鋼加熱過程的奧氏體化在奧氏體的轉(zhuǎn)變中，先從原始的鐵素體和珠光體或鎮(zhèn)定馬氏體轉(zhuǎn) 變?yōu)檩^為緊密的奧氏體，這種轉(zhuǎn)變中體積減小。在延長的曲線中，奧 氏體形成的開始和結(jié)束時(shí)間通常被分別定義為轉(zhuǎn)變進(jìn)行至1%和99%時(shí)。ITh diagr

7、ams冷卻過程奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，奧氏體的分解，TTT DIAGRAMS這個(gè)過程在高溫下開始，通常是在維持長時(shí)間獲得均一的奧氏體 而沒有不溶解的碳化物后在奧氏體范圍內(nèi)發(fā)生， 這之后又通過快速冷 卻至理想溫度。A3邊界上沒有轉(zhuǎn)變可以發(fā)生，在A1邊界到A3邊界 之間只有鐵素體可以通過奧氏體形成。連續(xù)加熱過程的奧氏體化，CRT DIAGRAMSRA形核b)A長大c殘余陀3匚溶解d均勻化加熱過程的奧氏體化11010 w110b在實(shí)際熱處理情況下，恒溫不要求，但要求在冷卻或加熱時(shí)有一 個(gè)連續(xù)變化的溫度。因此，如果相圖使用的連續(xù)增加或減小的溫度建 立在膨脹計(jì)數(shù)據(jù)之上，我們可以獲得更多的實(shí)用信息。如同ITH圖

8、，CRT圖在預(yù)測發(fā)生在感應(yīng)和之后的變硬過程中的短期奧氏體化的效果 很有用。一個(gè)典型的問題是在一個(gè)規(guī)定的加熱速率下，達(dá)到完全的奧氏體化最大的表面溫度有多高。當(dāng)溫度太高時(shí)，可引起我們不希望的 奧氏體晶粒成長，這些又會(huì)導(dǎo)致一個(gè)更易破碎的馬氏體的微觀結(jié)構(gòu)。連續(xù)冷卻過程的奧氏體的分解，CCT DIAGRAMS對于加熱的圖表，清晰地闡述轉(zhuǎn)變圖來源于哪種冷卻曲線是很重 要的。在實(shí)驗(yàn)操作中使用一個(gè)恒定的冷卻速率是很平常的，但是，這 種現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)狀況下很少發(fā)生。我們也可以根據(jù)牛頓冷卻定律找出所 謂的自然冷卻曲線，這些曲線模擬了大范圍內(nèi)部的行為，例如，在特 殊條帶上距冷卻端一段距離的冷卻速率。 接近條紋樣本的表面冷卻速 率的特征非常復(fù)雜。每一個(gè)CCT圖包含了一系列在圓柱樣本不同深度 的冷卻速率曲線。 最慢的冷卻速率曲線代表了圓柱的中心。 冷卻介質(zhì) 越不均勻，C形狀曲線需要越長時(shí)間去改變，但M溫度不受影響。但是值得注意的是，這種轉(zhuǎn)變圖不能用于預(yù)言那些不同于構(gòu)建圖 表的熱學(xué)歷史的反應(yīng)。例如，在Ms之上第一次冷卻從急速到緩慢而 后重新加熱至高溫是一個(gè)很快的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變快于在TTT圖表