铁-碳合金中的相位:详细概述

铁碳合金(钢铁和铸铁)的机械行为和服务寿命取决于其微观结构中晶体相的混合。温度变化——无论是在加工过程中还是在服务过程中——直接改变哪个阶段的稳定及其转化方式。下面我们审视Fe-C系统中出现的关键相,将其晶体结构与依赖的属性工程师联系起来。

  • 费氏(α-Fe) — — 以体为中心,具有软性和电解性的立方体(BCC)相。 费氏溶解的碳很少(最大~0.022 wt%,在727°C时),是低碳钢的初级相。 其BCC结构具有良好的坚韧性,但与其他相较强度较低。
  • ⁇ (γ-Fe) – 以面为中心,碳溶解度高得多的立方体相(在1148°C时最高2.14 wt%). ⁇ (Austenite)稳定在727°C以上(对于低温的钢),由于其通融性和溶解碳的能力,使得热成型和热处理成为可能.
  • 水泥(Fe3C) – 一种具有正交晶体结构的金属间化合物,它非常坚硬和脆,含6.67 wt%的碳。 水泥在珍珠岩中作为一个单独的相位和在超电极钢中作为一个网络出现,其强度较高但能降低电源性。
  • Pearlite – 由交替的层叶石和水泥石组成的跛齿状的eutectoid结构,在通过727°C缓慢冷却的eutectoid成分(0.76 wt% C)时形成. lamellar间距控制机械特性:更细的间隔会增强强度(Hall-Petch类型效应).
  • Bainite – 中间冷却速率形成一个圆锥形(类似Neole-like)的微结构,由芳香板和细水泥质颗粒组成. Bainite提供了强硬的良性结合.
  • Martensite — — 一种非均匀的超饱和固体溶液,其碳溶液位于BCT(以体为中心)四边形(四角形)的晶片中,由欧氏石的快速冷却(quenching)形成. Martensite非常硬而脆;其硬度随碳含量的增加而增加.

如铁-碳相图所概述,这些阶段的每个温度和组成都有明显的稳定性范围。

铁-碳相图:温度-组合图

Fe-C的平衡相图(最高6.67 wt% C)是了解温度效应的基础。

  • 极地点(0.76 wt% C,727°C):奥斯汀岩(γ)分解成 ⁇ (α)和水泥(Fe3C)的混合物,即珍珠岩.
  • 极点(4.30 wt% C,1148°C):液体在铸铁中转化成奥斯汀和水泥(铅石)的混合物.
  • peritectic point (0.17 wt% C,1493°C):液体与 ⁇ - ⁇ 反应形成奥氏物.

在冷却时,相位变换受这些平衡边界的引导,但实际上冷却速率可以引起产生硼酸或马腾矿的偏差(非均匀变换).

阶段稳定性温度范围

912°C以上(纯铁;钢材略低)

在这些温度下,奥氏剂是大部分碳含量低于2.14 wt%的稳定相。 这是热工作(滚滚、铸造)和同位化处理的范围。 奥氏剂的FCC 叠片允许高碳扩散,对碳化和其他表面处理至关重要。

727°C至912°C之间(湿润区)

在低碳钢中,稳定的相位是两相区域中的黄石和奥斯汀石,随着温度的下降,黄石开始在奥斯汀石的谷物边界形成,黄石的比例会上升,直到欧特克托德温度.

727°C以下

在eutectoid下温度下,平面碳钢的平衡微结构由ferrite和水泥(eutectoid成分中的pearlite)组成,但是,如果冷却速度快,auustine可以转化为bainite(介于~550°C和Ms之间)或martensite(低于Ms温度)等非均匀相.

供热和冷却期间的相位转换

供暖:强化和谷物增长

当钢在A3温度(低温)或A1温度(低温)以上加热时,现有的黄石和水泥会转化为奥氏剂。 这一过程需要碳扩散,并且通常发生在临界线上20–40°C的温度范围内。 适当的增温能确保碳的分布。 然而,长期高温会导致奥氏剂谷物凝固,从而削弱最终产物(Hall-Petch效应:更大的谷物降低产能强度 ) 。

冷却:控制微结构

冷却途径决定了最终的相位混合物。

  1. Pearlite — — 在700°C附近的温度下通过缓慢冷却(furnace cooling, orderizing)形成. 这一过程基于扩散:碳原子分割成水泥层。 间膜间距与冷却层反相;快速冷却会给予更细的珍珠和更高的硬度(例如专利线).
  2. 拜仁石 — — 形成于中间冷却速率(例如,在450–550°C的异质结水中 ) 。 拜仁石生长于无扩散的剪切机制,然后是碳的拒绝。 低贝因石(在较低温度下形成)具有精细的碳酸盐和更高的强度。
  3. Martensite — — 当冷却率超过临界冷却率时形成,绕过C曲线的鼻子。 转变是精致的,无扩散的; 欧斯丁基拉剪形成四边形结构。 Martensite的起始温度(Ms)取决于碳含量。对于高碳钢,Ms低于室温,这意味着保留奥斯汀石可以存在。

经典的Time-Temperature-Transform (TTT) 图显示了这些制度。通过选择冷却曲线,冶金师可以瞄准理想的微观结构。

合金元素对温度稳定的影响

实用钢中含有锰,铬,镍,钼等,可以改变相位边界和变换动力学。

  • 镍和锰扩大了奥斯汀矿场(低于A3温度,并减少了急性碳含量)。
  • 铬, ⁇ , ⁇ 稳定了 ⁇ ,促进了合金碳化物的形成,提高了 ⁇ 的温度.
  • 合金元素一般会减缓扩散速度,将TTT曲线转移到更长的时间,并更容易形成martensite(即它们增加了硬性).

理解这些变化对于选择热处理温度至关重要。 比如,标准4340钢(Ni-Cr-Mo)要求比平原1045(780-820°C)更高的增强温度(840-870°C).

实际热疗应用

安妮林( 安妮林 )

苯甲酸盐包括加热到A1以上地区(或高于A1)和缓慢冷却(富纳斯冷却 ) 。 这可以软化钢,减轻内部压力,并产生粗糙的珍珠石微结构。 完全的苯甲酸盐(高于A3)可以精炼谷物结构;将苯甲酸盐(恰好低于A1)形成光滑的凝固剂,以达到最大机械性。

正常化

向澳铁和空气冷却产生统一,精细的珍珠岩微结构,与滚装或铸造条件相比,正常化会提高同质性和机械性能,常用作加硬化的预处理.

排队和诱惑

温和是碳的温差。 温差(通常为150-650°C)是碳降水作为细碳酸盐的产物。 温差的温度控制了强度和电容的最终平衡。

异性热治疗

气温(在巴因岩形成温度下向浴场)产生极强的气温微结构。 气温(在Ms上方,然后缓慢冷却)比直接气温平缓减少扭曲和裂缝。 这两种过程都利用了依赖温度的变换动力学。

结论

温变直接制约着铁碳合金的相位稳定性。 通过了解相位图和变换动力学,工程师可以设计出能产生适合特定强度、硬度和强度要求的微结构的热处理周期。 无论是铁轨钢的精细珍珠石、切割工具的马腾岩还是齿轮的白金石,精确控制加热和冷却率都是关键。 继续研究先进的高强度钢(AHSS)和量身定制的压榨工艺,继续推动与Fe-C合金可实现的界限。

对于权威参考,"ASM手册"第四卷:热处理和维基百科上的铁-碳相位图条目提供了全面的细节,此外,MatWeb数据库为各种热处理钢提供了机械属性数据.