铁碳合金相图
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6d/Steel_pd_zh.svg/300px-Steel_pd_zh.svg.png)
在加工完的钢和铸铁中,总会含有一定数量的碳元素,这些碳元素所占的比重决定了钢/铸铁的特性。通过铁碳合金相图,人们可以直观的看出(钢铁)形成过程中的组分变化与碳元素含量、温度间的相互关系。
若需要知道在不同冷卻速率下的微結構,一般會參考恆溫變態圖。
碳是铁碳合金中最重要的合金元素,碳含量小幅的變化也可能會對合金的材質或性質有大的影響。铁碳合金相图可以表達溫度及碳的濃度對鋼鐵的影響,不過沒有其他金屬的資訊。铁碳合金相图可以分為二部份:亞穩定的Fe-Fe3C系統,其中的碳已和鐵鍵結,以及穩定的Fe-C系統,其中碳以石墨的形式存在。铁碳合金相图一般會包括這兩個系統,不過Fe-Fe3C系統用到的比較多。
铁碳合金相图中的代表性區域
[编辑]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5b/IJzerkoolstofdiagram.png/600px-IJzerkoolstofdiagram.png)
相图中的X軸是碳的含量,Y軸是溫度。圖中只標示一般比較常用到的部份,也就是碳含量在0%到6.67%的區域(只有少量合金的含量高過此值),碳含量6.67%約對應100%的碳化三铁。相图中代表性的位置用英文字母表示,有些標示方式會省略英文字母I,改用字母J表示。
其中折線ABCD是液相線,在液相線以上的部份為液體。折線AHIECF為固相線,低於固相線的部份為固體。在液相線和固相線之間的是糊状、部份熔化的區域,其中包括δ铁、γ铁和碳化三铁(Fe3C).有不同的濃度及比例。若合金冷卻到液相線下時,會漸漸的结晶。
隨著碳含量的不同,铁碳合金中的鐵也會出現不同的同素異形體,像分別由δ铁、γ铁及α铁形成的固溶體,對碳就有不同的溶解度,其原因是不同的晶格結構及晶格常數。像肥粒鐵就是由δ铁或α铁形成的固溶體,而奧氏體則以γ铁為主。
大致的分區
[编辑]- 熔化是指形成液相的铁碳合金,液相線以上均為液相,在液相線和固相線之間的是固相和液相共存。
- δ :體心立方晶系
- γ 奧氏體:面心立方晶系
- α 肥粒鐵:體心立方晶系
- 石墨(穩定態)或雪明碳鐵(Fe3C,亞穩定系統)
波來鐵和萊氏體不算是特別的相,只是一種相混合狀態(微結構)。波來鐵和萊氏體只會出現在穩定,或是亞穩定的系統中,例如緩慢的冷卻。若是快速冷卻(例如淬火)會形成马氏体,是一種硬脆的結構。以下是在亞穩定的系統中,一些特殊的點、線及現象。
- 點
- A:(0%/1536°C),B:(0,53%/1492°C),C:(4.3%/1147°C),D:(6.67%/1320°C),E:(2.06%/1147°C)
- F:(6.67%/1147°C),G:(0%/911°C),H:(0.1%/1493°C),I:(0.16%/1493°C),K:(6.67%/723°C)
- N:(0%/1392°C),P:(0.022%/723°C),S:(0.8%/723°C),Q:(0.002%/20°C),M:(0%/769°C)
- S':(0.69%/738°C),E':(2.03%/1153°C),C':(4.25%/1153°C)
- 現象
- 共晶點:4.3%/1147°C(C點)
- 共析點:0.8%/723°C(S點)
- 包晶点:0.16%/1493°C(I點)
金相名稱
[编辑]以下是各金相的名稱,δ固溶體、γ固溶體及α固溶體分別是指肥粒鐵、奧氏體及肥粒鐵。
名稱 | 最高濃度點 | 對應金相 |
---|---|---|
δ固溶體 | 0.10% / 1493°C | 肥粒鐵 |
γ固溶體 | 2.06% / 1147°C | 奧氏體 |
α固溶體 | 0.02% / 723°C | 肥粒鐵 |
鐵碳化合物雪明碳鐵(Fe3C)也是一個相,但和上述鐵和碳混合的相不同,雪明碳鐵是中间相,雪明碳鐵會以三種不同的形式出現,但其化學成份是一樣的。
名稱 | 形成方式 |
---|---|
初級雪明碳鐵 | 由液相中直接結晶(CD線) |
二級雪明碳鐵 | 從奧氏體變成(ES線) |
三級雪明碳鐵 | 從肥粒鐵變成(PQ線) |
以下是一些相和相的混合物:
名稱 | 組成 | 存在範圍 |
---|---|---|
波來鐵 | 88% 肥粒鐵,12% 雪明碳鐵 | 0.02% 到 6.67%,T≤723°C |
莱氏體 I | 51.4% 奧氏體,48.6% 雪明碳鐵 | 2.06% 到 6.67%,723°C≤T≤1147°C |
莱氏體 II | 51.4% 波來鐵,48.6% 雪明碳鐵 | 2.06% 到 6.67%,T≤723°C |
等溫過程
[编辑]铁碳合金相图中有三個等温过程,分別是包晶(線 HIB)、共晶(線 ECF)及共析(線 PSK)。
點 H:δ鐵素體中,最大碳溶解度的點 點 I:包晶 δ+L → γ
當鋼加熱或是冷卻的時候,會出現一些特性不連續變化的情形,主要有以下幾點。
- A1 – 線P-S-K,當碳含量> 0.02 %時,超過723 °C時奧氏體會分解為珠光體。
- A2 – 線M-O,加熱超過769 °C(居里點)時會失去鐵磁性。
- A3 – 線G-O-S,冷卻時會形成含碳量較少的鐵素體,從奧氏體中游離的碳會開始累積,直到溫度到723°C的共晶溫度為止。
應用
[编辑]配合铁碳合金相图,可以清楚的回答一些有關鋼(可鍛的鐵碳合金,碳含量小於2.06%)及鑄鐵(不可鍛的鐵碳合金,碳含量大於2.06%)的特性問題。
- 鋼可以鍛造,因為其成份為均質的奧氏體,而鑄鐵中的碳是以石墨或是萊氏體的形式存在,因此延展性變差,不適合鍛造,而且其相變化是在熔化時突然發生。
- 純鐵的熔點是1536°C;也可以看出鋼及鑄鐵在完全固化(或開始熔化)時的溫度(A-H-I-E線及E-C-F線),鑄鐵開始熔化的最低溫度是在1147°C,這也說明鑄鐵比鋼更容易用在鑄造的應用上。
基於上述原因,铁碳合金相图是在要了解铁碳合金特性時,很重要的工具。
參考資料
[编辑]- Hermann Schumann, Heinrich Oettel: Metallografie – 14. Auflage, Wiley-VCH Verlag.
- Prof. Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bargel und Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze: Werkstofftechnik – 8. Auflage, Springer Verlag Berlin.
- Prof. Dr.-Ing. Volker Läpple: Wärmebehandlung des Stahls – 9. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel.
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