關於Fe-Fe₃C系相圖共析點的敘述,下列何者正確?
- A約0.76 wt%C、727℃時發生 γ → α + Fe₃C,生成波來鐵
- B約4.3 wt%C、1147℃時發生 L → γ + Fe₃C,生成層狀波來鐵
- C約0.022 wt%C、912℃時發生 γ → α,生成變韌鐵
這是含碳量0〜6.70 wt%、溫度400〜1600 ℃的Fe–Fe₃C系(介穩系)相圖。點選圖,或以數值輸入含碳量與溫度,即顯示該點的相;若在兩相區,則畫出連結線,計算兩端各相的成分與槓桿法則求得的質量分率。同時也顯示該含碳量的鋼或鑄鐵由高溫緩慢冷卻時室溫組織的估計。預設值是將0.40 wt% C的亞共析鋼保持在750 ℃的點(α + γ 兩相區)。
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主要的點(共析點 727 ℃、0.76 wt% C,共晶點 1147 ℃、4.30 wt% C,包晶 1495 ℃等)採用教科書常用的值,各線以通過這些點的直線或平滑曲線近似。與實際的線可能相差數℃至數十℃,含合金元素的實用鋼中,線的位置本身也會改變。
其他輸入維持目前的值,只讓選擇的輸入在目前值的 1/4 到 4 倍之間變化時的結果。紅點是目前的值。
縱軸是溫度,橫軸是含碳量(wt%),右端的6.70 wt% C相當於鐵與碳的化合物雪明碳鐵(Fe₃C)本身。圖上某點若位於單相區,在平衡狀態下只有該相穩定。若位於兩相區,則在該溫度畫水平線(連結線),線與區域邊界相交的兩端,就是共存2相的含碳量。各相的量以槓桿法則 Wα = (Cβ − C₀)/(Cβ − Cα) 求得。3相能夠共存的,只有1495 ℃、1147 ℃、727 ℃這3條水平線上。
在1495 ℃發生包晶反應 δ(0.09 wt% C)+ L(0.53 wt% C)→ γ(0.17 wt% C),在1147 ℃發生共晶反應 L(4.30 wt% C)→ γ(2.14 wt% C)+ Fe₃C,共晶的組織稱為粒滴斑鐵。在727 ℃發生共析反應 γ(0.76 wt% C)→ α(0.022 wt% C)+ Fe₃C,生成層狀的波來鐵。不含碳的純鐵在912 ℃時α(BCC)與γ(FCC)互換,在1394 ℃時γ與δ(BCC)互換,在1538 ℃熔化。γ的碳最大固溶限2.14 wt%,是區分鋼與鑄鐵的基準。
A1是共析溫度727 ℃的水平線,在此溫度以下,平衡時不存在沃斯田鐵。A3是亞共析鋼中由沃斯田鐵開始生成肥粒鐵的溫度,從純鐵的912 ℃到共析點的727 ℃,含碳越多越低。Acm是過共析鋼中由沃斯田鐵開始生成雪明碳鐵的溫度,表示沃斯田鐵的碳固溶限,從727 ℃、0.76 wt%上升到1147 ℃、2.14 wt%。退火與淬火的加熱溫度,以這些線為基準來決定。實際加熱與冷卻時,變態會偏離平衡溫度,因此加熱時的值寫成Ac、冷卻時的值寫成Ar來區分。
由沃斯田鐵緩慢冷卻時,含碳少於0.76 wt%的亞共析鋼,在穿過A3線到727 ℃之間生成初析肥粒鐵,其餘的沃斯田鐵在727 ℃變成波來鐵。0.40 wt% C時,由槓桿法則得初析肥粒鐵 (0.76 − 0.40)/(0.76 − 0.022) ≈ 48.8 %,波來鐵約51.2 %。0.76 wt% C的共析鋼全部變成波來鐵。過共析鋼從Acm線開始在晶界上生成初析雪明碳鐵,1.2 wt% C時初析雪明碳鐵約7.4 %,波來鐵約92.6 %。波來鐵本身以質量計,肥粒鐵約89 %、雪明碳鐵約11 %。
含碳超過2.14 wt%時,凝固的最後在1147 ℃發生共晶反應。4.30 wt% C的共晶鑄鐵全部變成粒滴斑鐵(γ與Fe₃C的混合組織),在727 ℃其中的γ變成波來鐵,因此室溫下成為稱為變態粒滴斑鐵的組織。少於4.30 wt%的亞共晶鑄鐵由初晶γ與粒滴斑鐵構成,多於4.30 wt%的過共晶鑄鐵由初晶雪明碳鐵與粒滴斑鐵構成。像這樣碳全部以雪明碳鐵的形式凝固的鑄鐵,是破斷面呈白色、硬而脆的白鑄鐵。
嚴格來說,雪明碳鐵是介穩的相,鐵與碳真正的平衡是在Fe與石墨之間。在Fe–石墨的穩定系中,共晶點約為1153 ℃、約4.2 wt% C,共析點約為738〜740 ℃、約0.65〜0.69 wt% C(各資料的值略有不同),比介穩系稍微偏向高溫、低碳側。Si多、冷卻緩慢等條件下容易生成石墨,成為組織中含石墨的灰鑄鐵等。反之,冷卻快或Cr、Mo等形成碳化物的元素多時,容易生成雪明碳鐵。鋼中通常不易生成石墨,因此以Fe–Fe₃C系來考慮。
相圖表示充分緩慢加熱、冷卻而達到平衡時的相,不包含變態所需時間的資訊。像淬火那樣快速冷卻時,變態偏向比平衡溫度更低的溫度,在擴散跟不上的情況下,生成麻田散鐵或變韌鐵等非平衡組織。這些不出現在相圖上,要知道會成為何種組織,需要表示恆溫保持時變態的TTT圖,或表示連續冷卻時變態的CCT圖。以此圖與槓桿法則求得的組織與分率,請視為緩慢冷卻(退火)時的估計。
主要點的值採用教科書常用的值,各線以直線連接這些點。只有A3線是從912 ℃到727 ℃的平滑曲線 T = 912 − 185·(C/0.76)^0.7。此式是為了通過兩端的點而選定,中間的溫度(例如0.40 wt% C時約794 ℃)是配合相圖形狀的近似,與實際的A3可能相差十數℃,需要精確值時,請以資料中的相圖確認。727 ℃以下α的碳固溶限,是表示從0.022 wt%降到接近0的示意。4.30 wt%右側的液相線因資料差異很大,以虛線作為參考。Fe₃C的含碳量配合本網站其他說明與題目取6.70 wt%。各資料的值在6.67〜6.70 wt%之間(由Fe₃C的化學計量約為6.69 wt%),也有資料把共晶溫度定為1148 ℃、包晶溫度定為1493 ℃。這些差異在分率的計算中只造成小數點以下的差。
因為在727 ℃以下,即使在平衡時α相的碳固溶限也只稍微降低,初析肥粒鐵與波來鐵的量幾乎不變。教科書的計算通常也使用剛低於727 ℃時的成分。
初析肥粒鐵是組織(在顯微鏡下可分辨的部分)的分率,0.40 wt% C時約為48.8 %。肥粒鐵相全體是連波來鐵中的肥粒鐵也包含在內的相分率,兩端取0.022 wt%與6.70 wt% C,約為94 %。依要求的是哪一種分率,改變連結線的端點。
不能。麻田散鐵是由不伴隨擴散的變態生成的非平衡組織,不出現在相圖上。淬火後的組織要由TTT圖或CCT圖與冷卻速度來考慮。不過,淬火前要加熱到什麼溫度才能變成沃斯田鐵,可以由此圖的A3、Acm線讀出。
在Fe–Fe₃C系中,以沃斯田鐵的碳最大固溶限2.14 wt%為基準。低於此值時,可在固態下使整體成為沃斯田鐵;高於此值時,凝固的最後會發生共晶反應。也有資料取2.0〜2.11 wt%。