Fe-C相图与非平衡相转变基础知识讲义.docx

Fe-CC相图与非非平衡相相转变总总结钢通常被被定义为为一种铁铁和碳的的合金，其中碳碳含量在在几个ppm到2.111wtt%之间。其它的的合金元元素在低低合金钢钢中可总总计达5wtt%,在高合合金钢例例如工具具钢，不不锈钢（>100.5%）和耐热CrNNi钢（>188%）合金元元素含量量甚至更更高。钢钢可以展展现出一一系列的的性能，这些性性能依据据于钢的的组成，相状态态和微观观组成结结构，而而这些又又取决于于钢的热热处理。Fe-CC相图理解钢的的热处理理的基础础是Fe-C相图图（图一一）。图一实际际上有两两个图：（1）稳定定态Fe-C图（点点划线），（2）亚稳稳态Fe-Fe33C图。由由于稳态态需要很很长时间间才能达达到，特特别是在在低温和和低碳情情况下，亚稳态态往往引引起人们们更多的的兴趣。Fe-C相图告告诉我们们，在不不同碳含含量的组组成和温温度下，达稳态态平衡或或亚稳态态平衡时时哪些相相会生成成。我们区别别了a-铁素体体和奥氏氏体，a-铁素体体在7277°C （13441°F）时最最多溶解解0.0028%C，奥氏氏体在11448°C （20998°F）可溶溶解2.111wtt%C。在碳碳多的一一侧我们们发现了了渗碳体体（Fe33C），另外外，除了了高合金金钢之外外，高温温下存在在的a-铁素体体引起我我们较少少的兴趣趣。在单相区区之间存存在着两两相混合合区，例例如铁素素体和渗渗碳体，奥氏体体和渗碳碳体，铁铁素体和和奥氏体体。在最最高温下下，液相相区可被被发现，在液相相区以下下有两相相区域液液态奥氏氏体，液液态渗碳碳体和液液态铁素素体。在在钢的热热处理中中，我们们总是避避免液相相的生成成。我们们给单相相区一些些重要的的边界特特殊的名名字：（1）A1，低共共熔温度度，是奥奥氏体生生成的最最低温度度；（2）A3，奥氏氏体区域域的低温温低碳边边界，也也即r/(r+aa)边界；（3）Acmm,奥氏体体区域的的高碳边边界，也也即r/(r+FFe3CC)边界。低共熔温温度碳含含量是指指在奥氏氏体生成成的最低低温度时时的碳含含量（0.777wtt%C）。铁素素体-渗碳体体混合相相在冷却却形成时时有一个个特殊的的外貌，被称为为珠光体体，可作作为微观观结构实实体或微微观组成成物来进进行处理理。珠光光体是一一种a-铁素体体和渗碳碳体薄片片的混合合物，渗渗碳体薄薄片又退退化为渗渗碳体颗颗粒散步步在一个个铁素体体基质中中，散步步过程发发生在铁铁素体基基质扩散散接近A1边界之之后。Fe-CC相图源源于实验验。但是是，热力力学原理理和现代代热力学学的数据据的相关关知识可可以为我我们提供供关于相相图的精精确计算算。当相相图边界界不得不不被推测测和低温温下实验验平衡很很慢达到到时，这这种计算算特别有有用。如如果合金金元素加加入Fe-C相图，A1,A3,Acmm边界的的位置和和低共熔熔组成的的位置会会变化。值得一一提的是是，所有有重要的的合金元元素降低低了低共共熔碳含含量。奥奥氏体的的稳定元元素锰，镍降低低了A3，铁素素体稳定定元素铬铬，硅，钼和钨钨增加A3。平衡衡相图不不能说明明的相变变动力学学过程与与亚稳态态相，必必须用非非稳态相相转变图图来描述述。各种相转转变图在钢的热热处理中中，相变变的动力力学因素素与平衡衡图表同同样重要要。对于于钢的性性能特别别重要的的亚稳相相马氏体体和形态态上亚稳稳态的微微观组成成物贝氏氏体，可可以在相相对急速速冷却至至环境温温度时产产生。这这时碳和和合金杂杂质的扩扩散受抑抑制或者者限制在在极小范范围内。贝氏体是是一种低低共熔组组成物，是铁素素体和渗渗碳体的的混合物物。最硬硬的组成成物马氏氏体，在在极度饱饱和的奥奥氏体快快速冷却却时通过过完全转转化形成成，当碳碳含量增增加至大大约0.77wt%时，马马氏体的的硬度增增加。如如果这些些不稳定定的亚稳稳态产物物接下来来加热至至一个适适度的高高温，它它们分解解为更稳稳定的铁铁素体和和碳化物物。这种种重新加加热的过过程有时时被称为为回火或或退火。钢加热热奥氏体体化是热热处理的的前提。环境温温度下铁铁素体-珠光体体或镇定定马氏体体的结构构到高温温下奥氏氏体或奥奥氏体-碳化物物的结构构转变对对于钢的的热处理理同样重重要。钢的热处处理涉及及的四种种相转变变条件我们可以以利用相相图方便便地描述述出在相相变时发发生了什什么。四四种不同同的图可可以被区区别，它它们是：（1）加热热过程的的奥氏体体的等温温转变，奥氏体体化；（2）冷却却过程奥奥氏体的的等温转转变，奥奥氏体的的分解；（3）连续续加热过过程的奥奥氏体化化；（4）连续续冷却过过程的奥奥氏体的的分解。加热过程程的奥氏氏体化这种图展展现了当当钢在恒恒温时维维持很长长一段时时间时所所呈现的的状态。通过维维持一些些小样品品在铅或或盐浴中中并在依依次增加加维持时时间后每每次冷却却一个样样品，之之后在显显微镜下下观察在在微观结结构中生生成的相相的数量量可以了了解微观观结构随随时间的的变化。共析钢加加热过程程的奥氏氏体化在奥氏体体的转变变中，先先从原始始的铁素素体和珠珠光体或或镇定马马氏体转转变为较较为紧密密的奥氏氏体，这这种转变变中体积积减小。在延长长的曲线线中，奥奥氏体形形成的开开始和结结束时间间通常被被分别定定义为转转变进行行至1%和99%时。ITh diiagrramss冷却过程程奥氏体体的等温温转变，奥氏体体的分解解，TTTT DIIAGRRAMSS这个过程程在高温温下开始始，通常常是在维维持长时时间获得得均一的的奥氏体体而没有有不溶解解的碳化化物后在在奥氏体体范围内内发生，这之后后又通过过快速冷冷却至理理想温度度。A3边界上上没有转转变可以以发生，在A1边界到A3边界之之间只有有铁素体体可以通通过奥氏氏体形成成。连续加热热过程的的奥氏体体化，CRTT DIIAGRRAMSS在实际热热处理情情况下，恒温不不要求，但要求求在冷却却或加热热时有一一个连续续变化的的温度。因此，如果相相图使用用的连续续增加或或减小的的温度建建立在膨膨胀计数数据之上上，我们们可以获获得更多多的实用用信息。如同ITH图，CRT图在预预测发生生在感应应和之后后的变硬硬过程中中的短期期奥氏体体化的效效果很有有用。一一个典型型的问题题是在一一个规定定的加热热速率下下，达到到完全的的奥氏体体化最大大的表面面温度有有多高。当温度度太高时时，可引引起我们们不希望望的奥氏氏体晶粒粒成长，这些又又会导致致一个更更易破碎碎的马氏氏体的微微观结构构。连续冷却却过程的的奥氏体体的分解解，CCTT DIIAGRRAMSS对于加热热的图表表，清晰晰地阐述述转变图图来源于于哪种冷冷却曲线线是很重重要的。在实验验操作中中使用一一个恒定定的冷却却速率是是很平常常的，但但是，这这种现象象在实验验状况下下很少发发生。我我们也可可以根据据牛顿冷冷却定律律找出所所谓的自自然冷却却曲线，这些曲曲线模拟拟了大范范围内部部的行为为，例如如，在特特殊条带带上距冷冷却端一一段距离离的冷却却速率。接近条条纹样本本的表面面冷却速速率的特特征非常常复杂。每一个个CCT图包含含了一系系列在圆圆柱样本本不同深深度的冷冷却速率率曲线。最慢的的冷却速速率曲线线代表了了圆柱的的中心。冷却介介质越不不均匀，C形状曲曲线需要要越长时时间去改改变，但但M温度不不受影响响。但是值得得注意的的是，这这种转变变图不能能用于预预言那些些不同于于构建图图表的热热学历史史的反应应。例如如，在Ms之上第第一次冷冷却从急急速到缓缓慢而后后重新加加热至高高温是一一个很快快的转变变，这种种转变快快于在TTT图表上上所显示示的因为为在开始始的冷却却中成核核过程大大大加速速。同样样值得注注意的是是转变图图对于在在一定允允许组成成范围内内精确的的合金含含量是十十分敏感感的。冶金0664班学习习小组：赖晓寒寒同学整整理完成成