铁碳合金相图分析应用

铁碳合金相图在实际生产中应用之我见

摘要：铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，实际应用中对于钢铁材料的应用以及热加工和

热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe

3C、Fe

2

C、

FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe

3C部分，通常称其为 Fe-Fe

3

C相图,相图中的

组元只有Fe和Fe

3

C。

关键词：相图分析结晶应用

一、铁碳合金基本相

1、铁素体δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：

C%=0.0218%）。

2、奥氏体γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形

3、渗碳体 Fe

3

C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。

二、Fe-Fe

3

C相图分析

1、相图中的点、线、面

三条水平线和三个重要点

（1）包晶转变线HJB，J为包晶点。1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A

（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A

（2.11%C）+Fe

3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe

3

C三

相共存。共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。

（3）共析转变线PSK，S点为共析点。合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分

的A发生共析反应：A →F（0.0218%C）+Fe

3

C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）。共析

反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe

3

C三相共存。共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间, 其机械性能如下：抗拉强度极限σb≈770MPa 冲击韧性ak≈3×105J/m2～4×105J/m2 延伸率δ≈20%～35% 硬度：180HB

液固相线：液相线ABCD 固相线AECF

2、Fe-C合金平衡结晶过程

工业纯铁（C%≤0.0218%）：铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。

L →L+A →A →A+F →F →F+Fe

3C III

相组成物：F+Fe

3

C (C%>0.0008%)或 F（C%<0.0008%）

相相对量：F%= Fe

3

C%=

组织组成物：F和Fe

3C III

工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。共析钢（C%=0.77%）：

相组成物：F和Fe

3

C

相相对量：F%= Fe

3

C%=

组织组成物：P

L →L+A →A →A+P →P

亚共析钢（0.0218%＜C%＜0.77%）：

L →L+A →A →A+F →A+P+F →P+F

相组成物：F，Fe

3C 相相对量：F%= Fe

3

C%=组织组成物：F、

P

P%= F%=

过共析钢（0.77%

L →L+A →A →A+Fe

3C

II

→A+P+Fe

3

C

II

→P+Fe

3

C

II

相组成物：F，Fe

3C F%= Fe

3

C%=组织组成物：P，Fe

3

C

II

组织相对量： Fe

3C

II

%= P%=

共晶白口铁（C%=4.3%）：

L→L+Le→Le (A+Fe

3C

共晶

)→Le (A+Fe

3

C

共晶

+Fe

3

C

II

)→Le’(P+Fe

3

C

II

+Fe

3

C)

相组成物：F，Fe

3C F%= Fe

3

C%=

组织组成物：Le’

亚共晶白口铸铁（2.11%＜C%＜4.3%）：

相组成物：F%= Fe

3C%=组织组成物：P，Le’，Fe

3

C

II

过共晶白口铸铁（4.3%

相组成物：F%= Fe

3

C%=组织组成物：Le’%=Lc%=

Fe

3

C%=

3、Fe-C合金的成分-组织-性能关系

含碳量——铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe

3

C两相组成, 两相的质量分数由杠杆定律确

定。随C%↑→F%↓，Fe

3

C%↑

含碳量——组织 F→ F+P→ PdP+Fe

3C

II

→ P+Fe

3

C

II

+Le’→ Le’→ Le’+Fe

3

C

II

→ Fe

3

C

含碳量——性能 HB：取决于相及相对量

强度：C%↑→σ↑，—— 0.9%↑→σ↓

塑性、韧性：C%↑→塑性↓、韧性↓

三、Fe- Fe

3

C相图的应用

Fe- Fe

3

C相图在生产中具有巨大的实际意义, 主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。

1. 在钢铁材料选用方面的应用 Fe- Fe

3

C相图所表明的成分-组织-性能的规律,为钢铁材料的选用提供了根据。

建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选用碳含量较低的钢材。

机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。

工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选碳含量高的钢钟。

纯铁的强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其导磁率高, 矫顽力低, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。

白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、犁铧、球磨机的磨球等。

2. 在铸造工艺方面的应用：根据Fe- Fe

3

C相图确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散缩孔少, 可以获得致密的铸件, 所以选在共晶成分附近。在铸钢生产中, 碳含量规定在0.15-0.6%之间, 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小, 铸造性能较好。

3.在热锻、热轧工艺方面的应用：钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此锻造或