铁碳合金相图


铁碳合金相图-二元合金系统的相图

表示各種相態所需條件的鐵碳合金相圖,其中萊氏體沃斯田鐵滲碳體的共熔混合物,珠光體鐵素體滲碳體的層狀組織物,而α、β及δ為不同種類的固熔体

在加工完的铸铁中,总会含有一定数量的元素,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英语Microstructure,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

 
铁碳合金相图

相图中的X軸是碳的含量,Y軸溫度。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是液相線英语Liquidus,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

波來鐵萊氏體不算是特別的相,只是一種相混合狀態(微結構英语Microstructure)。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。

    • 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)

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,分別是包晶德语Peritektikum(線 HIB)、共晶(線 ECF)及共析德语Eutektoid(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(可鍛的鐵碳合金,碳含量小於2.6%)及鑄鐵(不可鍛的鐵碳合金,碳含量大於2.6%)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菜氏體的形式存在,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.