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1、铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用摘摘 要要：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,等多种稳定化合物，因此，铁碳相图可Ce3FC2FeFeC以分成四个独立的区域。因为含碳量大于
2、 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，仅研究部分。下面我们探讨的铁碳CFee3F 相图也就是的相图。CFee3F 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，铁碳相图常表现为和CFee3F 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 铁（-Fe） ；912-1394之间为面心立方，称为 铁（-Fe）,在 1394-1538（熔
3、点）之间为体心立方，被称为 铁（-Fe） 。 （2）铁的固溶体碳溶解于 铁或 铁中形成的固溶体为铁素体，用 或 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 铁中形成的固溶体为奥氏体，用 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）（渗碳体）Ce3F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C2Fe硬相。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Ce3F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:（石墨） ，这CFe3CFe3
4、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。估算碳钢和铸铁铸造熔化加热温度。在铸造工艺中，在铸造工艺中， 首先要把合金加热融化，首先要把合金加热融化， 即要加热达到相图上的液态区间即要加热达到相图上的液态区间 （ “L” 区区 ） ， 因此可以根据相图上的液相线因此可以根据相图上的液相线 （ “ACD” 线线 ） 确定碳钢和铸铁的浇注温度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为制定铸造工艺提供基础数据 2 。 由铁碳相图可知，由铁碳相图可知， 共晶成分的合金共晶成分的合金 （4. 3% C） 结结 晶温度最低，晶温度最低， 其凝固温度间隔最小其凝固温
5、度间隔最小( 为零为零) 3 ， 故流动性好，故流动性好， 体积收缩小，体积收缩小， 易获得组易获得组 织致密的铸件；织致密的铸件； 此外，此外， 越接近共晶成分的合金，越接近共晶成分的合金， 其液相线与固相线其液相线与固相线 （ “ACD” 与与 “AECF” 线）线） 间距离越小，间距离越小， 即结晶温度范围越小，即结晶温度范围越小， 从而合金的流动性好，从而合金的流动性好， 有利于浇有利于浇 注，注， 也就是越接近共晶成分的合金其铸造性越好，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，所以在铸造生产中， 接近于共晶成分接近于共晶成分 的铸铁得到较广泛的应用。钢的铸造性不如
6、铸铁，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，其流动性较差， 收缩性较大，收缩性较大， 容易产容易产生分散缩孔和偏析，生分散缩孔和偏析， 且铸件内应力大，且铸件内应力大， 容易产生变形和开裂容易产生变形和开裂 1 。 但从相图可以看出，但从相图可以看出，含碳量在含碳量在 0. 15% 0. 60% 范围内的合金范围内的合金,液、液、 固相线间的距离较小，结晶温度范围较窄，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；之间； 同时由相图还可同时由相图还可 看出，看
7、出， 钢的铸造熔化加热温度比铸铁要高。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。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，的塑性变形。由铁碳相图可知， 含碳量小于含碳量小于 2. 11%的铁碳合金在较高温度下可得到单相的铁碳合金在较高温度下可得到单相 奥氏体，奥氏体， 即即 AESG 区间，区间， 利用奥氏体的塑性好、利用奥氏体的塑性好、 变形抗力小，变形抗力小， 碳钢锻造时易于成形。碳钢锻造时易于成形。 利用铁碳合金
8、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 线线)以以 下下 100200， 以利于充分地塑性变形；以利于充分地塑性变形； 温度过高温度过高, 不仅使材料严重氧化不仅使材料严重氧化, 甚至会发生甚至会发生 晶界熔化。终锻温度，晶界熔化。终锻温度， 对亚共析钢，对亚共析钢， 一般应稍高于一般应稍高于 GS 线，线， 即控制在奥氏体区内：即控制在奥氏体区内： 终终 锻温度过高，锻温度过高， 奥氏体在变形终了后的冷却中晶粒还会长大；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，而终锻温度过低，
9、则由于铁则由于铁 素体呈带状组织，素体呈带状组织， 使钢的机械性能产生方向性，使钢的机械性能产生方向性， 从而降低钢的韧性从而降低钢的韧性 1 。 对于过共析对于过共析 钢，钢， 选择在选择在 ES 线与线与 PSK 线之间的温度范围，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目的是利用变形时的机械作用击碎网状的 Fe 3 C ， 一般为一般为 800850。 3. 估算热处理加热温度。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,各各 种不同热处理方法的加热温
10、度都是参考铁碳合金相图制定的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。在钢的热处理工艺中要应用到相图的左下角部分应用到相图的左下角部分, 如图如图 2 所示。在所示。在 相图上，碳钢在平衡条件下加热相图上，碳钢在平衡条件下加热CFee3F 和冷却的相变线有：和冷却的相变线有： PSK 线线 共析转变线共析转变线 （A 1 线）线） ； GS 线线同素异构转变线同素异构转变线 （A 3 线）线） ； ES 线线固溶线固溶线 （A cm 线线 ） ， 它们是平衡条件下钢发生组织转变的它们是平衡条件下钢发生组织转变的 三条温度线，三条温度线， 称为临界点。利用
11、称为临界点。利用 A 1 、 A 3 、 A cm 线可以确定共析钢、线可以确定共析钢、 亚共析钢、亚共析钢、 过共析钢的完全奥氏体化温度，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。为制定热处理工艺提供理论数据。 由于实际生产中，由于实际生产中， 加加 热和冷却都有一定的速度，热和冷却都有一定的速度， 因而钢的结晶或熔化均滞后于因而钢的结晶或熔化均滞后于 A 1 、A 3 和和 A cm ， 通常把通常把 实际加热时的临界点记为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实际冷却时的临界点记为 Ar 1 、 Ar 3 、 Ar c
12、m 。 4. 确定碳含量已知的合金在任意温度下的平衡状态。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、铁碳合金相图反映的是平衡状态下铁碳合金的成分、 温度、温度、 组织三者之间的关系，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。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，例如， 想知道含碳量为想知道含碳量为 0. 6% 的合金在的合金在 1000下的组织，下的组织， 确定方法如下：确定方法如下： 从横坐标为从横坐标为 0. 6% C 的点向上作一条直线，的点向上作一条直线， 再从纵坐标为再从纵坐标为 100
13、0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 微微 组织；组织； 如图如图 3 所示，所示， 交点交点 “a” 落在了落在了 A 区间，区间， 说明含碳量为说明含碳量为 0. 6% 的钢在的钢在1000下处于单相奥氏体状态。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。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
14、过程及室温下的平衡组织。下面以含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 的钢为例的钢为例 说明这种应用，从横坐标为说明这种应用，从横坐标为 1. 2% C 的点向上作一条直线一直达到液态的点向上作一条直线一直达到液态 （L） 区，区， 再沿再沿 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：至室温时的相变过程及室温平衡组织： 当液态合金当液态合金 L 冷至冷至点时，开始自点时，开始自 L 中结晶出中结晶出 A，
15、 至至点时结晶完毕，点时结晶完毕， 全部形成全部形成 A。温度继续下降，在。温度继续下降，在点之间点之间 A 不变，不变， 温度温度达到达到时，时， 由于溶解度的减小，由于溶解度的减小， 从从 A 中析出中析出II， 随着温度的降低，随着温度的降低，II 的量的量Ce3FCe3F越来越多。至越来越多。至点时，点时， 即理论温度为即理论温度为 727， 剩余剩余 A 的含碳量达到的含碳量达到 0. 77% ， 从而发从而发 生共析转变生成生共析转变生成 P。从。从 727冷至室温的过程中，冷至室温的过程中， P 中的中的 F 会由于溶解度的减小要从中会由于溶解度的减小要从中析出析出 Fe 3 C
16、 ， 但但 III 的量很少通常可忽略，的量很少通常可忽略， 因而含碳量为因而含碳量为 1. 2% 的钢在室温下的钢在室温下CFe3的平衡组织为的平衡组织为 P+Fe 3 C 。其结晶过程可以表示为：。其结晶过程可以表示为：LL+AAA+II CFe3P+II 由相图可知，由相图可知， 含碳量在含碳量在 0. 77% 2. 11% 之间的合金的结晶过程都是这样，之间的合金的结晶过程都是这样， CFe3而且它们室温下的平衡组织也都是而且它们室温下的平衡组织也都是 P+II ， 只不过含碳量越高，组织中只不过含碳量越高，组织中II 的的CFe3CFe3量越多；量越多； 这类合金就称为过共析钢。这类合金就称为过共析钢。 6. 为选材提供参考。为选
