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【摘 要】铁碳合金是应用最广泛的金属材料,铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具。不同成分的铁碳合金具有不同的相组分和组织组分,这将直接影响铁碳合金的性能和用途。本文利用杠杆定律来确定不同成分的铁碳合金中相组分和组织组分的相对含量,从而确定不同成分铁碳合金的性能。
【关键词】杠杆定律 铁碳合金 相组分 组织组分
【中图分类号】TB3-4 【文献标识码】A 【文章编号】1006-9682(2010)07-0096-02
【Abstract】The Iron-Carbon Alloy is wide used and the Phase Diagrams of the Iron-Carbon Alloy is an important means of research. Iron-Carbon Alloy of different element has different alloy phase and structure phase; it will have influence on properties and applications of Iron-Carbon Alloy. By the lever rule, the contents of kinds of alloys in alloy phase can be determined, and then the property of materials which have different phases and structures can be determined.
【Key words】Lever rule Iron-carbon metal alloy Alloy phase Structure phase
一、引 言
碳钢和铸铁都是铁碳合金,是应用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金最重要的工具,了解和掌握铁碳合金相图,对钢铁材料的研究和应用、各种热加工工艺的制定具有很重要的指导意义。在铁碳合金的结晶过程中,各个相的成分以及它们的相对含量都在不断地发生变化,为了了解各相的成分以及相对含量,这就需要应用杠杆定律。因此,可利用杠杆定律来确定给定铁碳合金在给定温度下处于两相平衡状态时,各相组分、组织组分所占的重量百分数以及它们之间的重量比,并分析得出一般规律。[1～3]
二、铁碳合金相图简介
铁和碳可以形成一系列的化合物,铁碳合金相同是研究铁碳合金的基础。当铁碳合金的含碳量超过6.69%时,脆性极大,没有实用价值,因此本文讨论的铁碳合金相图,实际是简化后的铁碳合金相图,相圖的两个组元是Fe和Fe3C。如图1所示,铁碳合金相图中各点的温度、含碳量及含义见表1。
三、杠杆定律概述
杠杆定律是确定两相区内两个组成相(平衡相)以及相的成分和相的相对量的重要法则。若要确定成分为C含量Wc=x% 的铁碳合金在t温度下是由哪两个相组成以及各相的成分时,可通过该合金线上相当于t温度画一水平线,水平线所接触的两个相区中的相就是该合金在t温度时共存的两个相,交点的横坐标就是在该温度下平衡的两个相的成分,两相的相对量和水平线被Wc=x%合金线分成的两线段的长度成反比。
表1 铁碳合金相图中各点的温度、含碳量及含义
由于与力学中的杠杆定律相似,其中杠杆的支点为合金的原始成分(合金线),杠杆两端表示该温度下两相的成分,杠杆的全长表示合金的质量,两相的质量与杠杆臂长成反比,故称为杠杆定律。
四、运用杠杆定律求解典型铁碳合金的相组分和组织组分的相对量
要想求室温时合金中各相组分和各组织组分的相对量,首先,必须确定该成分合金缓慢冷却至室温后的组成相和组织组成物;其次,在运用杠杆定律的过程中,还必须准确确定成分点和支点。下面以相图中常温下不同成分的铁碳合金为例,分析杠杆定律的应用。
1.共析钢
共析钢室温下的相组分为F+Fe3C,组织组分为P。其组织组分为WP=100%;其相组分的相对量的求解可以Wc=0.77%为支点,建立杠杆:
WF×Wc=WFe3C×(6.69-Wc),
可得WF= ×100%
WFe3C= ×100%=1-WF。
2.亚共析钢
亚共析钢室温下的相组分为F+Fe3C,组织组分为F+P。其相组分相对量的求解可以Wc为支点,建立杠杆:
WF×Wc=WFe3C×(6.69-Wc)
可得WF= ×100%,
WFe3C= ×100%=1-WF
同理,组织组分的求解也可以WC为支点,建立杠杆:
WF×(WC-0.0218)=WP×(0.77-WC)
可得WF= ×100%,
WF=1-WP
3.过共析钢
过共析钢室温下的相组分为F+WFe3C,组织组分为Fe3CⅡ+
P,组织组分的相对量的计算可以WC为支点,建立杠杆:
WP×(WC-0.77)=WFe3CⅡ×(6.69-WC);
可得WP= ×100%;
WFe3CⅡ=1-WF。
其相组分同亚共析钢:
WF= ;
WFe3C=1-WF。
4.亚共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁室温下的组织组分为P+Fe3CⅡ+Ld′,相组分为F+Fe3C。其相组分的求解同亚共析钢,但由于杠杆定律只适用于两相区,所以要求解组织组分的相对量就必须分阶段计算,第一次用杠杆定律确定A、Ld的相对量,第二次用杠杆定律确定Fe3CⅡ和P的相对量。具体过程如下:
(1)在1148℃以上,从L中结晶出初生A,当温度降至1148℃时,L的成分变为含Wc=4.3%,A的成分变为Wc=2.11%,L发生共晶反应转变为Ld,而A不参与反应。在该温度下可以Wc为支点,建立杠杆,用杠杆定律确定出Ld和A两组织组分的相对量,可
得WA= ×100%,WLd=1-WA。
(2)在1148℃以下继续冷却时,初生A不断在其外围或晶界上析出Fe3CⅡ,同时Ld中的A也析出Fe3CⅡ。当冷至727℃时,所有A的成分均变为0.77%,初生A发生共析反应转变为P,莱氏体Ld也转变为变态莱氏体Ld′。因此以Wc=2.11%为支点建
立杠杆,所以P的百分含量为WP= ×WA×100%;WFe3CⅡ
=WA-(6.69-WC)/(6.69-0.77)。其相组分同亚共析钢,即
WF= ×100%,WFe3C=1-WF。
5.共晶白口铸铁
共晶白口铸铁室温下的组织组分为100%的Ld′;相组分为F
+Fe3C,相组分的求解同亚共析钢,即WF= ×100%,
WFe3C=1-WF。
6.亚共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁室温下的组织组分为Fe3CI+Ld′,相组分为
F+Fe3CI。其组织组分的相对量求解可以Wc为支点,建立杠杆。
即WLd′= ×100%,WFe3CI=1-WLd′。相组分的求解和亚
共析钢相同,即WF= ×100%,WFe3C=1-WF。
五、结 论
利用杠杆定律求解铁碳合金的相组分和组织组分的相对量,关键在于分清相组分和组织组分两个概念以及确定杠杆的支点和成分点。由于杠杆定律只适用于两相区,因此必须依据合金的平衡结晶过程,找出对应的两相区,使组织组分与相应的相组分相对应,才能用杠杆定律计算组织组分和相组分的相对百分含量。
参考文献
1 崔成梅、王兴保.杠杆定律在机械工程材料中的应用[J].潍坊教育学院学报,2006.19(1):33～34、41
2 王运炎、朱 莉.机械工程材料(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2008
3 崔忠圻、刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998
【关键词】杠杆定律 铁碳合金 相组分 组织组分
【中图分类号】TB3-4 【文献标识码】A 【文章编号】1006-9682(2010)07-0096-02
【Abstract】The Iron-Carbon Alloy is wide used and the Phase Diagrams of the Iron-Carbon Alloy is an important means of research. Iron-Carbon Alloy of different element has different alloy phase and structure phase; it will have influence on properties and applications of Iron-Carbon Alloy. By the lever rule, the contents of kinds of alloys in alloy phase can be determined, and then the property of materials which have different phases and structures can be determined.
【Key words】Lever rule Iron-carbon metal alloy Alloy phase Structure phase
一、引 言
碳钢和铸铁都是铁碳合金,是应用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金最重要的工具,了解和掌握铁碳合金相图,对钢铁材料的研究和应用、各种热加工工艺的制定具有很重要的指导意义。在铁碳合金的结晶过程中,各个相的成分以及它们的相对含量都在不断地发生变化,为了了解各相的成分以及相对含量,这就需要应用杠杆定律。因此,可利用杠杆定律来确定给定铁碳合金在给定温度下处于两相平衡状态时,各相组分、组织组分所占的重量百分数以及它们之间的重量比,并分析得出一般规律。[1～3]
二、铁碳合金相图简介
铁和碳可以形成一系列的化合物,铁碳合金相同是研究铁碳合金的基础。当铁碳合金的含碳量超过6.69%时,脆性极大,没有实用价值,因此本文讨论的铁碳合金相图,实际是简化后的铁碳合金相图,相圖的两个组元是Fe和Fe3C。如图1所示,铁碳合金相图中各点的温度、含碳量及含义见表1。
三、杠杆定律概述
杠杆定律是确定两相区内两个组成相(平衡相)以及相的成分和相的相对量的重要法则。若要确定成分为C含量Wc=x% 的铁碳合金在t温度下是由哪两个相组成以及各相的成分时,可通过该合金线上相当于t温度画一水平线,水平线所接触的两个相区中的相就是该合金在t温度时共存的两个相,交点的横坐标就是在该温度下平衡的两个相的成分,两相的相对量和水平线被Wc=x%合金线分成的两线段的长度成反比。
表1 铁碳合金相图中各点的温度、含碳量及含义
由于与力学中的杠杆定律相似,其中杠杆的支点为合金的原始成分(合金线),杠杆两端表示该温度下两相的成分,杠杆的全长表示合金的质量,两相的质量与杠杆臂长成反比,故称为杠杆定律。
四、运用杠杆定律求解典型铁碳合金的相组分和组织组分的相对量
要想求室温时合金中各相组分和各组织组分的相对量,首先,必须确定该成分合金缓慢冷却至室温后的组成相和组织组成物;其次,在运用杠杆定律的过程中,还必须准确确定成分点和支点。下面以相图中常温下不同成分的铁碳合金为例,分析杠杆定律的应用。
1.共析钢
共析钢室温下的相组分为F+Fe3C,组织组分为P。其组织组分为WP=100%;其相组分的相对量的求解可以Wc=0.77%为支点,建立杠杆:
WF×Wc=WFe3C×(6.69-Wc),
可得WF= ×100%
WFe3C= ×100%=1-WF。
2.亚共析钢
亚共析钢室温下的相组分为F+Fe3C,组织组分为F+P。其相组分相对量的求解可以Wc为支点,建立杠杆:
WF×Wc=WFe3C×(6.69-Wc)
可得WF= ×100%,
WFe3C= ×100%=1-WF
同理,组织组分的求解也可以WC为支点,建立杠杆:
WF×(WC-0.0218)=WP×(0.77-WC)
可得WF= ×100%,
WF=1-WP
3.过共析钢
过共析钢室温下的相组分为F+WFe3C,组织组分为Fe3CⅡ+
P,组织组分的相对量的计算可以WC为支点,建立杠杆:
WP×(WC-0.77)=WFe3CⅡ×(6.69-WC);
可得WP= ×100%;
WFe3CⅡ=1-WF。
其相组分同亚共析钢:
WF= ;
WFe3C=1-WF。
4.亚共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁室温下的组织组分为P+Fe3CⅡ+Ld′,相组分为F+Fe3C。其相组分的求解同亚共析钢,但由于杠杆定律只适用于两相区,所以要求解组织组分的相对量就必须分阶段计算,第一次用杠杆定律确定A、Ld的相对量,第二次用杠杆定律确定Fe3CⅡ和P的相对量。具体过程如下:
(1)在1148℃以上,从L中结晶出初生A,当温度降至1148℃时,L的成分变为含Wc=4.3%,A的成分变为Wc=2.11%,L发生共晶反应转变为Ld,而A不参与反应。在该温度下可以Wc为支点,建立杠杆,用杠杆定律确定出Ld和A两组织组分的相对量,可
得WA= ×100%,WLd=1-WA。
(2)在1148℃以下继续冷却时,初生A不断在其外围或晶界上析出Fe3CⅡ,同时Ld中的A也析出Fe3CⅡ。当冷至727℃时,所有A的成分均变为0.77%,初生A发生共析反应转变为P,莱氏体Ld也转变为变态莱氏体Ld′。因此以Wc=2.11%为支点建
立杠杆,所以P的百分含量为WP= ×WA×100%;WFe3CⅡ
=WA-(6.69-WC)/(6.69-0.77)。其相组分同亚共析钢,即
WF= ×100%,WFe3C=1-WF。
5.共晶白口铸铁
共晶白口铸铁室温下的组织组分为100%的Ld′;相组分为F
+Fe3C,相组分的求解同亚共析钢,即WF= ×100%,
WFe3C=1-WF。
6.亚共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁室温下的组织组分为Fe3CI+Ld′,相组分为
F+Fe3CI。其组织组分的相对量求解可以Wc为支点,建立杠杆。
即WLd′= ×100%,WFe3CI=1-WLd′。相组分的求解和亚
共析钢相同,即WF= ×100%,WFe3C=1-WF。
五、结 论
利用杠杆定律求解铁碳合金的相组分和组织组分的相对量,关键在于分清相组分和组织组分两个概念以及确定杠杆的支点和成分点。由于杠杆定律只适用于两相区,因此必须依据合金的平衡结晶过程,找出对应的两相区,使组织组分与相应的相组分相对应,才能用杠杆定律计算组织组分和相组分的相对百分含量。
参考文献
1 崔成梅、王兴保.杠杆定律在机械工程材料中的应用[J].潍坊教育学院学报,2006.19(1):33～34、41
2 王运炎、朱 莉.机械工程材料(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2008
3 崔忠圻、刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998