第五章鐵碳合金相圖

碳鋼與鑄鐵是使用最為廣泛的金屬材料；二者都是Fe和C為主構(gòu)成的合金；不同成分的碳鋼和鑄鐵，組織和性能也不相同。在研究和使用鋼鐵材料、制定其熱加工和熱處理工藝以及分析工藝廢品的原因時，都需要應(yīng)用鐵碳相圖。5.1Fe-C合金中的相L：C可以溶入液態(tài)Fe中形成溶液；固態(tài)Fe具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：C可以溶入Fe中形成間隙固溶體：鐵素體：C在-Fe中的固溶體，記號或F；bcc ferriteaustenite

奧氏體：C在-Fe中的固溶體，記號或A；fcc

高溫鐵素體：C在-Fe中的固溶體，記號，bcc。當(dāng)碳含量超過固溶體的溶解度，存在方式有二：碳化物Fe3C（cementite）：正交點陣間隙化合物，硬脆相，主要存在于鋼、白口鑄鐵中；石墨G：簡單六方結(jié)構(gòu)，軟，如灰口鑄鐵中。G是穩(wěn)定相，F(xiàn)e3C長期加熱可轉(zhuǎn)化為G。由于Fe3C成分與液體接近更容易形核，冷卻較快時易于得到。亞穩(wěn)相對應(yīng)的相圖也有Fe-G穩(wěn)定系相圖和Fe-Fe3C亞穩(wěn)系相圖。Fe3C的結(jié)構(gòu)Fe3C碳化物屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，正交點陣，C原子位于Fe的八面體間隙，每一個C原子周圍有6個Fe原子，F(xiàn)e:C=3:15.2相圖分析高碳區(qū)合金沒有使用價值，只用富鐵角。單相區(qū)5個，其中穩(wěn)定化合物1個；7個2相區(qū)，3個3相區(qū)；相圖中包括包晶轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變?nèi)齻€恒溫轉(zhuǎn)變，相應(yīng)分成三部分一些重要的線液相線ABCD;固相線AHJECF;包晶線HJB共晶線ECF共析線PSK(A1線)溶解度線ES（Acm），PQ:C在、中的溶解度；GS（A3）：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵碳合金的分類根據(jù)組織特征，F(xiàn)e-C合金分為工業(yè)純鐵、鋼和鑄鐵。工業(yè)純鐵0.0218%C，無P；鋼（0.0218-2.11],不發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變有共析轉(zhuǎn)變；鑄鐵(2.11-6.69]，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。5.3典型合金的平衡凝固

(1)工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵的平衡凝固組織F+（Fe3C）III

(2)共析鋼珠光體組織(3)亞共析鋼亞共析鋼組織：F+P(4)過共析鋼過共析鋼組織P+Fe3CII(5)共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵組織(6)亞共晶白口鑄鐵1-2勻晶轉(zhuǎn)變;2:共晶轉(zhuǎn)變;2-3脫溶轉(zhuǎn)變;3:共析轉(zhuǎn)變;3以下，脫溶轉(zhuǎn)變;室溫組織：P+Ld’+Fe3CII。3.0%C合金的組織組成(7)過共晶白口鑄鐵Fe3CI+Ld’Fe3CI成分與組成5.4Fe-C合金的性能

（1）碳鋼的性能由柔軟的和硬脆的Fe3C組成；合金的性能取決于兩相的性質(zhì)、相對含量和分布狀態(tài)；C%，硬度HB線性，而塑性、韌性；強(qiáng)度在~1%C出現(xiàn)極值。碳鋼C%<1.4%含碳量較高時，F(xiàn)e3CII在A邊界形成網(wǎng)狀，使力學(xué)性能惡化；除了耐磨性要求較高時以外；碳鋼壓力加工性能良好，高溫時為單相A，塑性好可鍛軋。組織對工藝敏感共析轉(zhuǎn)變要求固相擴(kuò)散，冷卻較快時可不同程度抑制轉(zhuǎn)變。（2）鑄鐵的性能鑄造性能好，價格便宜，應(yīng)用廣。性能取決于固溶體以外多余C的存在方式。白口鑄鐵，全部形成Fe3C，硬脆，耐磨；灰口鑄鐵，主要是G，切削性能好，缺口敏感性低，減振性好；0麻口鑄鐵，介于二者之間。5.5雜質(zhì)對合金性能的影響由于冶煉條件限制，除了Fe，C以外，鋼鐵中還含有Si，Mn，P，S，O，N，H等元素。根據(jù)不同的存在方式，它們對合金性能影響不同。（1）S和PS主要以FeS，MnS形式存在；Fe-FeS共晶溫度989℃，引起鍛造時“熱脆”、澆鑄及焊接時“熱裂”、氣孔等；易切削鋼中提高切削性能。P固溶在鐵素體中；顯著固溶強(qiáng)化；降低韌性，尤其是低溫韌性，冷脆性；提高耐大氣腐蝕性。（2）Si,Mn來源：脫氧劑、生鐵；存在方式：固溶于鐵素體和滲碳體；形成非金屬夾雜物；作用：固溶強(qiáng)化；降低塑性；

Mn與S作用，防止熱脆。（3）氣體元素O形成氧化物夾雜，降低塑性韌性；H固溶引起氫脆，析出引起白點；N主要形成氮化物，細(xì)化晶粒，與Nb,Ti,V等形成化合物；應(yīng)變時效；強(qiáng)化作用，但是降低塑性韌性；引起藍(lán)脆，150-300℃。5.6碳鋼的分類與編號鋼的品種較多，分類方法也很多，如按照碳含量，分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼；按照冶金質(zhì)量，分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼；按照用途，分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼。結(jié)構(gòu)鋼：用于工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件工具鋼：刃具、模具和量具普通鋼的編號普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、工程鑄鋼等用力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行編號。這些鋼保證力學(xué)性能，化學(xué)成分范圍較寬，使用前大多不進(jìn)行熱處理。如Q235-A?F，表示屈服強(qiáng)度為235MPa的A級沸騰鋼。Q235-C表示屈服強(qiáng)度為235MPa的C級鎮(zhèn)靜鋼。低合金結(jié)構(gòu)鋼的新編號方法與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的編號方法相同。工程用鑄鋼的牌號由“ZG”

、最小的屈服強(qiáng)度值、最小的抗拉強(qiáng)度值組成。例如ZG200-400表示屈服強(qiáng)度為200MPa、抗拉強(qiáng)度為400MPa的工程用鑄鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號用平均碳含量萬分?jǐn)?shù)的兩位數(shù)字表示。如：08F

，20A，45，15Mn。ZG35（F表沸騰鋼，0.20%C，后有“A”表高級優(yōu)質(zhì)鋼,15Mn表含Mn量高）制作各種機(jī)器零件，一般進(jìn)行熱處理。08F

塑性好，冷沖壓件10，20

冷沖壓件，焊接件，滲碳處理。35，45，40，50

齒輪、軸類60，65

彈簧碳素工具鋼鋼號用平均碳含量的千分?jǐn)?shù)和T一起表示。如：T10A,T9,T1