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铁碳合金相图的应用
摘 要：铁碳合金相图反映了铁碳合金的成分、 温度、 组织三者之间的关系。利用铁碳相图可以制定各种热加工及热处理工艺的加热温度， 还可以通过它分析钢铁材料的性能， 它是研究钢铁的重要理论基础。 关键词：铁碳合金相图；成分；组织；性能；淬透性
引言
钢与铸铁是当今工业中应用最广泛的合金，由于其他合金元素的加入钢和铸
铁的成分不一样，品种很多。尽管如此，其基本组成还是铁和碳两种元素，因此研究钢和铸铁时，首先要了解简单的铁碳二元合金的组织与性能。
铁与碳可以形成Fe3C,Fe2C,FeC等多种稳定化合物，因此，铁碳相图可以分成四个独立的区域。因为含碳量大于5％的铁碳合金在工业上没有什么应用价值，所以在研究铁碳合金是，仅研究FeFe3C部分。下面我们探讨的铁碳相图也就是FeFe3C的相图。
铁碳合金中的碳可以有两种方式存在即渗碳体（Fe3C）或石墨。一般情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变，但Fe3C实际上是一个亚稳定相，在一定条件下可以分解为铁的固溶体和石墨。因此，铁碳相图常表现为FeFe3C和Fe-石墨双重相图。
1.铁碳合金中的组元及相
（1）纯铁
纯铁熔点1538℃，温度变化时会发生同素异构转变。在912℃以下为体心立
方，称α铁（α-Fe）；912℃-1394℃之间为面心立方，称为γ铁（γ-Fe）,在1394℃-1538℃（熔点）之间为体心立方，被称为δ铁（δ-Fe）。
（2）铁的固溶体
碳溶解于α铁或δ铁中形成的固溶体为铁素体，用α或δ表示（有的书上面
用F表示）。碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218％。
碳溶解于γ铁中形成的固溶体为奥氏体，用γ表示（有的书上用A表示）。碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％。
（3）Fe3C（渗碳体）
Fe2C具有复杂的斜方结构，无同素异构转变。它的硬度很高，塑性几乎为零，是脆硬相。Fe3C在刚和铸铁中可呈片状、球状、网状、板状。它是碳钢中主要的强化相。它的量、形状、分布对钢的性能影响很大。
渗碳体在一定条件下，可能分解而形成石墨状态在自由碳:Fe3C3FeC（石墨），这种现象在铸铁及石墨钢中有重要意义。
1. 估算碳钢和铸铁铸造熔化加热温度。
在铸造工艺中， 首先要把合金加热融化， 即要加热达到相图上的液态区间 （ “L” 区 ） ， 因此可以根据相图上的液相线 （ “ACD” 线 ） 确定碳钢和铸铁的浇注温度,为制定铸造工艺提供基础数据 [ 2] 。 由铁碳相图可知， 共晶成分的合金 （4. 3% C） 结晶温度最低， 其凝固温度间隔最小( 为零)[ 3] ， 故流动性好， 体积收缩小， 易获得组织致密的铸件； 此外， 越接近共晶成分的合金， 其液相线与固相线 （ “ACD” 与 “AECF” 线） 间距离越小， 即结晶温度范围越小， 从而合金的流动性好， 有利于浇注， 也就是越接近共晶成分的合金其铸造性越好， 所以在铸造生产中， 接近于共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。钢的铸造性不如铸铁， 其流动性较差， 收缩性较大， 容易产生分散缩孔
和偏析， 且铸件内应力大， 容易产生变形和开裂 [ 1] 。 但从相图可以看出， 含碳量在 0. 15% ～0. 60% 范围内的合金,液、 固相线间的距离较小，结晶温度范围较窄，铸造性能相对较好，因而铸钢件的含碳量一般在0. 15% ～0. 60% 之间； 同时由相图还可看出， 钢的铸造熔化加热温度比铸铁要高。 2. 估算碳钢锻造加热温度。
锻造是利用材料的塑性变形来成型的一种工艺，锻造加热的目的也正是为了提高材料的塑性变形。由铁碳相图可知， 含碳量小于 2. 11%的铁碳合金在较高温度下可得到单相奥氏体， 即 AESG 区间， 利用奥氏体的塑性好、 变形抗力小， 碳钢锻造时易于成形。利用铁碳合金相图可以确定碳钢锻造时的加热温度，一般始锻温度控制在固相线( AE 线)以下 100～200℃， 以利于充分地塑性变形； 温度过高, 不仅使材料严重氧化, 甚至会发生晶界熔化。终锻温度， 对亚共析钢， 一般应稍高于 GS 线， 即控制在奥氏体区内： 终锻温度过高， 奥氏体在变形终了后的冷却中晶粒还会长大； 而终锻温度过低， 则由于铁素体呈带状组织， 使钢的机械性能产生方向性， 从而降低钢的韧性 [ 1] 。 对于过共析钢， 选择在 ES 线与 PSK 线之间的温度范围， 目的是利用变形时的机械作用击碎网状的 Fe 3 C Ⅱ ， 一般为 800～850℃。 3. 估算热处理加热温度。
热处理工艺与铁碳合金相图有着更为直接的关系。根据对工件材料性能要求的不同,各种不同热处理方法的加热温度都是参考铁碳合金相图制定的 [ 4] 。在钢的热处理工艺中要应用到相图的左下角部分, 如图 2 所示。在FeFe3C 相图上，碳钢在平衡条件下加热和冷却的相变线有： PSK线—— 共析转变线 （A 1 线） ； GS 线——同素异构转变线 （A 3 线） ； ES线——固溶线 （A cm 线 ） ， 它们是平衡条件下钢发生组织转变的三条温度线， 称为临界点。利用 A 1 、 A 3 、 A cm 线可以确定共析钢、 亚共析钢、 过共析钢的完全奥氏体化温度， 为制定热处理工艺提供理论数据。 由于实际生产中， 加热和冷却都有一定的速度， 因而钢的结晶或熔化均滞后于 A 1 、A 3 和 A cm ， 通常把实际加热时的临界点记为 Ac 1 、 Ac 3 、 Ac cm ； 实际冷却时的临界点记为 Ar 1 、 Ar 3 、 Ar cm 。
4. 确定碳含量已知的合金在任意温度下的平衡状态。
铁碳合金相图反映的是平衡状态下铁碳合金的成分、 温度、 组织三者之间的关系，因而可以利用相图来确定合金在某一温度下的显微组织。 例如， 想知道含碳量为 0. 6% 的合金在 1000℃下的组织， 确定方法如下： 从横坐标为 0. 6% C 的点向上作一条直线， 再从纵坐标为 1000℃的点向右作一条水平线，最后根据这两条线交点的位置就可确定其显微 组织； 如图 3 所示， 交点 “a” 落在了 A 区间， 说明含碳量为 0. 6% 的钢在1000℃下处于单相奥氏体状态。
5. 分析碳钢和铸铁的平衡相变过程及室温平衡组织。
利用铁碳合金相图不仅可以确定含碳量已知的合金在某一温度下的平衡状态，而且还可以用来分析铁碳合金的结晶相变过程及室温下的平衡组织。下面以含 1. 2% C 的钢为例说明这种应用，从横坐标为1. 2% C 的点向上作一条直线一直达到液态 （L） 区， 再沿着这条线自上而下观察，从垂线所穿过的相区便可以看出在平衡条件下合金从液态缓慢冷至室温时的相变过程及室温平衡组织： 当液态合金 L 冷至①点时，开始自 L 中结晶出 A， 至②点时结晶完毕， 全部形成 A。温度继续下降，在②～③点之间 A 不变， 温度达到③时， 由于溶解度的减小， 从 A 中析出Fe3CII， 随着温度的降低，Fe3CII的量越来越多。至④点时， 即理论温度为 727℃， 剩余 A 的含碳量达到 0. 77% ， 从而发生共析转变生
成 P。从727℃冷至室温的过程中， P 中的 F 会由于溶解度的减小要从中析出Fe 3 C Ⅲ ， 但 Fe3CIII的量很少通常可忽略， 因而含碳量为 1. 2% 的钢在室温下的平衡组织为 P+Fe 3 C Ⅱ 。其结晶过程可以表示为：L→L+A→A→A+Fe3CII →P+Fe3CII由相图可知， 含碳量在 0. 77% ～2. 11% 之间的合金的结晶过程都是这样， 而且它们室温下的平衡组织也都是 P+Fe3CII ， 只不过含碳量越高，组织中Fe3CII的量越多； 这类合金就称为过共析钢。
6. 为选材提供参考。
铁碳合金中的含碳量对其显微组织及性能有决定性的作用，因此应根据生产中的需要选用不同的铁碳合金。由铁碳合金相图可知， 钢（＜2. 11% C） 的室温平衡组织中都有珠光体， 因而其力学性能比铸铁好，广泛用来制造工程结构件或机械零件；而铸铁在液态结晶过程中都有共晶转变， 故铸造性比碳钢好， 可以用来制造形状、 结构复杂或不受冲击的耐磨铸件。 在过共析钢中， 随着含碳量的增加， 组织中网状 Fe3CII 的量增多， 使钢的脆性增加， 强度降低， 因而实际应用中钢的含碳量没有达到 2. 11% ， 为保证钢有一定的综合机械性能， 工业生产中碳钢的含碳量不超过 1. 35%[ 1] 。随着生产技术的发展， 对钢铁材料的要求更高， 可在碳钢中加入合 金改变共析点的位置， 从而提高钢的硬度和强度； 在材料研制中， 铁碳合金相图仍可作为预测其组织的基本依据 [ 2] 。 7. 分析碳钢的淬透性。
淬透性是指钢接受淬火的能力，也可以理解为钢在淬火时获得马氏体组织的能力， 通常用钢在淬火时获得的淬硬层深度来表示。 淬透性是钢的一个重要的工艺性能指标，对合理选材及制定热处理工艺十分重要。 例如， 要求截面性能一致的零件， 应选用淬透性高的材料； 淬透性好、容易获得马氏体组织的钢，淬火时可选用冷却能力较弱的淬火介质， 从而避免产生过大的淬火应力。上临界冷却速度 V 临越小的钢，在一定介质中淬火时获得的淬硬层深度越大， 从而其淬透性越好。 V 临的大小与 “C” 曲线的位置有关， 即“C” 曲线越靠右， V 临越小； 而 “C” 曲线的位置又与钢的过冷奥氏体的稳力。
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本文来源：https://www.wddqxz.cn/bb2423fdbaf3f90f76c66137ee06eff9aef8491d.html
2022-05-23
