钢与铸铁是当今工业中应用最广泛
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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 。