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第 3 章 铁 碳 合 金 相 图 学 习 目 标 1) 掌 握 铁 碳 合 金 的 基 本 相 组 织 ; 2) 掌 握 铁 碳 合 金 的 分 类 ; 3) 掌 握 铁 碳 合 金 相 图 及 相 图 中 各 点 线 区 的 意 义 ; 4) 掌 握 钢 和 白 口 铸 铁 的 平 衡 结 晶 过 程 及 其 产 物 的 分 析 ; 5) 理 解 铁 碳 合 金 成 分 组 织 和 性 能 之 间 的 关 系 ; 6) 掌 握 碳 的 质 量 分 数 对 铁 碳 合 金 性 能 影 响 在 合 金 中, 铁 碳 合 金 是 现 代 工 业 使 用 最 广 泛 的 合 金, 它 也 是 国 民 经 济 的 重 要 物 质 基 础, 铁 碳 合 金 根 据 碳 的 质 量 分 数, 可 以 分 为 碳 钢 和 铸 铁 两 类 它 们 都 是 以 铁 和 碳 为 主 要 组 元 的 合 金, 通 常 称 为 铁 碳 合 金 而 合 金 钢 和 合 金 铸 铁 实 际 上 也 是 加 入 合 金 元 素 的 铁 碳 合 金 铁 碳 合 金 的 结 晶 与 纯 金 属 的 结 晶 有 很 大 区 别 纯 金 属 的 结 晶 过 程 是 在 恒 温 下 进 行 的, 在 结 晶 的 过 程 中 只 有 液 相 和 固 相 数 量 的 变 化 ; 而 铁 碳 合 金 的 结 晶 通 常 是 在 一 定 的 温 度 范 围 内 进 行 的, 在 结 晶 的 过 程 中, 不 但 有 固 相 和 液 相 数 量 变 化, 而 且 各 相 的 成 分 也 在 变 化 为 了 研 究 铁 碳 合 金 结 晶 过 程 的 特 点 以 及 合 金 相 与 组 织 的 变 化 规 律, 必 须 应 用 铁 碳 合 金 相 图 这 一 重 要 工 具 3 畅 1 铁 碳 合 金 相 图 基 础 3 畅 1 畅 1 铁 碳 合 金 相 图 铁 碳 合 金 相 图 表 示 在 平 衡 条 件 下 ( 极 其 缓 慢 加 热 和 冷 却 ) 合 金 成 分 温 度 组 织 状 态 之 间 的 关 系 图 形 称 为 合 金 相 图, 又 称 合 金 状 态 图 采 用 热 分 析 法, 对 铁 碳 合 金 系 中 不 同 成 分 的 铁 碳 合 金 进 行 加 热 熔 化, 观 察 它 们 在 极 其 缓 慢 加 热 和 冷 却 过 程 中 内 部 组 织 的 变 化, 测 出 其 相 变 临 界 点, 并 标 于 温 度 和 成 分 坐 标 中, 绘 制 成 相 图 Fe -Fe 3 C 相 图 是 由 包 晶 相 图 共 晶 相 图 和 共 析 相 图 所 组 成 的, 如 图 3 畅 1 所 示 由 于 包 晶 转 变 对 常 用 材 料 性 能 影 响 不 大, 常 将 Fe -Fe 3 C 相 图 中 包 晶 相 图 部 分 简 化, 便 得 到 简 化 后 的 Fe - Fe 3 C 相 图 在 铁 碳 合 金 中, 铁 与 碳 可 形 成 一 系 列 稳 定 的 化 合 物 ( Fe 3 C Fe 2 C FeC), 当 碳 的 质 量 分 数 超 过 6 畅 69% 时, 铁 碳 合 金 脆 性 大, 没 有 实 用 价 值 所 以 在 铁 碳 合 金 相 图 中, 只 有 Fe -Fe 3 C 这 一 部 分 相 图 有 实 际 意 义 因 此, 铁 碳 合 金 相 图 实 际 上 是 Fe -Fe 3 C 相 图 33

3 畅 1 畅 2 铁 碳 合 金 的 基 本 相 及 基 本 组 织 图 3 畅 1 Fe -Fe 3 C 相 图 Fe 和 Fe 3 C 是 组 成 Fe -Fe 3 C 相 图 的 两 个 基 本 组 元 由 于 铁 和 碳 之 间 相 互 作 用 不 同, 铁 碳 合 金 相 图 中 存 在 固 溶 体 和 金 属 化 合 物 两 类 不 同 的 固 态 相 结 构 属 于 固 溶 体 相 的 有 铁 素 体 高 温 铁 素 体 与 奥 氏 体, 属 于 金 属 化 合 物 相 的 有 渗 碳 体 1 畅 铁 素 体 铁 素 体 是 碳 溶 入 体 心 立 方 晶 格 的 α-fe 中 形 成 的 间 隙 固 溶 体, 用 符 号 F 或 α 表 示 由 于 α-fe 是 体 心 立 方 晶 格, 其 晶 格 间 隙 很 小, 因 而 溶 碳 能 力 极 差, 在 727 时 溶 碳 能 力 最 大, 碳 的 质 量 分 数 约 为 0 畅 021 8 % 随 着 温 度 的 降 低, 溶 碳 量 逐 渐 减 少, 在 600 时 溶 碳 量 约 为 0 畅 005 7 %, 在 室 温 时, 溶 碳 量 约 为 0 畅 000 8 %, 因 此 其 室 温 时 的 性 能 几 乎 与 纯 铁 相 同 铁 素 体 强 度 硬 度 低, 但 具 有 良 好 的 塑 性 与 韧 性 铁 素 体 在 770 以 下 具 有 铁 磁 性, 在 770 以 上 则 失 去 铁 磁 性 铁 素 体 的 显 微 组 织 如 图 3 畅 2 所 示 2 畅 高 温 铁 素 体 高 温 铁 素 体 是 碳 溶 入 体 心 立 方 晶 格 的 δ -Fe 中 形 成 的 间 隙 固 溶 体, 用 符 号 δ 表 示 高 温 铁 素 体 在 139 4 以 上 存 在 和 铁 素 体 α 一 样,δ 体 溶 碳 能 力 也 很 差, 在 1 495 时 溶 碳 量 最 大, 约 为 0 畅 09% 3 畅 奥 氏 体 奥 氏 体 是 碳 溶 入 面 心 立 方 晶 格 的 γ-fe 中 形 成 的 间 隙 固 溶 体, 用 符 号 A 或 γ 表 示 由 于 面 心 立 方 晶 格 原 子 间 的 空 隙 比 体 心 立 方 晶 格 大, 因 此 溶 碳 能 力 强 在 727 时 可 溶 碳 为 0 畅 77%, 随 着 温 度 升 高 溶 碳 能 力 增 加, 在 1 148 时 溶 碳 能 力 最 大, 为 2 畅 11% 34

图 3畅 2 铁素体的显微组织 图 3畅 3 奥氏体的显微组织 奥氏体具有很好的塑性和韧性和一定的强度和硬度 温度越高 奥氏体的强度和硬度越低 而塑性和韧性越好 因此 生产中常将钢加热到奥氏 体状态进 行锻 造 奥氏 体 无磁 性 存在 于 ７２７ 以上 奥氏体的显微组织如图 ３畅３ 所示 其晶粒呈多边形 与铁素体的显微组织相近似 但晶粒边界较铁素体的平直 Ａ 体是一个独立的相 也是一种单相组织 4畅渗碳体 渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物 用符号 Ｆｅ ３ Ｃ 表示 渗碳体的碳的 质量分数 w Ｃ 是固定值 为 ６畅６９ 熔点为 １ ２２７ 在固态下不发生同素异晶转变 它在 ２３０ 以下具有弱铁磁性 在此温度以上则失去铁磁性 渗碳 体的硬度很高 大约为 ８００ ＨＢＷ 塑性 韧性几乎为零 脆性极大 它在钢和铸铁中与其他相共存时 可以呈现片状 粒状 网状或板状出 现 渗碳体是钢中的主要强化相 它的形态 大小 数量及分布对钢的性能有很大的影响 5畅珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物 用符号 Ｐ 表示 在缓慢冷却条件下 珠光体的 w Ｃ 为 ０畅７７ 力学性能介于铁素体和渗碳体之间 强度较高 硬度适中 有一定塑性 σｂ ７７０ ＭＰａ 硬度 １８０ ＨＢＷ δ ２０ ３５ A Ｋ ３０ ４０ Ｊ Ｐ 体是 Ｆ 体和 Ｆｅ ３ Ｃ 体两相组成 一般为层片状分布 是一种双相组织 珠光体的显微组织 如图 ３畅４ 和图 ３畅５ 所示 图 3畅 4 粗片状珠光体的显微组织 图 3畅 5 粒状珠光体的显微组织 6畅莱氏体 Ｌｄ 与变态莱氏体 Ｌｄ 莱氏体是 w Ｃ 为 ４畅３ 的 铁 碳 合 金 缓 慢 冷 却 到 １ １４８ 时 发 生 共 晶 转 变 的 产 物 w Ｃ 为 ４畅３ 的铁碳合金缓慢冷却到 １ １４８ 时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织 用符 号 Ｌｄ 表示 也称为高温莱氏体 冷却到 ７２７ 时 奥氏体将转变为珠光体 所以室温下莱氏体由 35

珠 光 体 和 渗 碳 体 组 成, 称 为 变 态 莱 氏 体 ( 也 称 为 低 温 莱 氏 体 ), 用 符 号 Ld 表 示 莱 氏 体 中 由 于 有 大 量 渗 碳 体 存 在, 其 性 能 与 渗 碳 体 相 似, 即 硬 度 高 塑 性 差 Ld 是 由 A 体 和 Fe 3 C 体 两 相 组 成 的 双 相 组 织, 而 Ld 是 由 P 体 和 Fe 3 C 相 组 成 的, 因 为 P 体 是 由 F 体 和 Fe 3 C 两 相 组 成, 所 以 Ld 体 实 际 上 是 由 F 和 Fe 3 C 组 成 的 双 相 组 织 铁 碳 合 金 的 基 本 相 有 铁 素 体 奥 氏 体 和 渗 碳 体 三 种, 其 中 前 两 种 属 于 固 溶 体, 后 者 属 于 化 合 物 铁 素 体 奥 氏 体 均 具 有 良 好 的 塑 性 和 韧 性, 而 渗 碳 体 则 硬 而 脆 由 基 本 相 所 形 成 的 铁 碳 合 金 的 基 本 组 织 有 铁 素 体 奥 氏 体 渗 碳 体 ( 一 次 二 次 三 次 渗 碳 体 ) 珠 光 体 莱 氏 体 ( 低 温 与 高 温 莱 氏 体 ) 等 五 种 其 特 点 归 纳 列 于 表 3 畅 1 表 3 畅 1 铁 碳 合 金 中 的 基 本 组 织 名 称 符 号 晶 体 特 征 组 织 类 型 定 义 碳 的 质 量 分 数 /% 存 在 温 度 范 围 / 组 织 形 态 特 征 主 要 力 学 性 能 高 温 铁 素 体 δ BCC 间 隙 固 溶 体 C 溶 于 δ -Fe 0 畅 09 1 394 ~ 1 538 奥 氏 体 A FCC 间 隙 固 溶 体 C 溶 于 γ-fe 2 畅 11 727 块 状 粒 状 塑 韧 性 良 好 铁 素 体 F BCC 间 隙 固 溶 体 C 溶 于 α-fe 0 畅 021 8 912 块 状 片 状 塑 韧 性 良 好 渗 碳 体 一 次 二 次 三 次 C m1 C m2 C m3 具 有 复 杂 晶 格 的 金 属 化 合 物 间 隙 化 合 物 从 L 中 结 晶 析 出 从 A 中 结 晶 析 出 从 F 中 结 晶 析 出 6.69 1 227 1 148 727 粗 大 片 状 条 状 网 状 片 状 ( 断 续 ) 硬 而 脆 硬 而 脆 ( 耐 磨 性 提 高 强 度 下 降 ) 脆 性 增 加 塑 性 下 降 珠 光 体 P 两 相 组 织 机 械 混 合 物 F +C m 0 畅 77 727 层 片 状 颗 粒 状 良 好 的 综 合 力 学 性 能 ( 强 度 较 高 具 有 一 定 的 塑 性 韧 性 ) 莱 氏 体 高 温 低 温 Ld Ld 两 相 组 织 两 相 组 织 机 械 混 合 物 机 械 混 合 物 A +C m 4 畅 3 727 ~1 148 P +C m +C m2 4 畅 3 <727 点 状 短 杆 状 鱼 骨 状 点 状 短 杆 状 鱼 骨 状 硬 而 脆 硬 而 脆 36

3 畅 1 畅 3 铁 碳 合 金 相 图 的 组 成 简 化 后 的 铁 碳 合 金 状 态 相 图 由 14 个 特 性 点 与 9 条 特 性 线 组 成, 并 将 铁 碳 合 金 相 图 分 成 12 个 区 域, 充 分 反 映 了 铁 碳 合 金 在 平 衡 状 态 下 结 晶 的 过 程 特 点, 以 及 室 温 下 铁 碳 合 金 的 组 织 组 成 物 和 组 织 的 特 点 1 畅 铁 碳 合 金 相 图 中 的 特 性 点 铁 碳 合 金 相 图 如 图 3 畅 1 所 示 图 中 各 点 的 温 度 碳 的 质 量 分 数 及 其 含 义 列 于 表 3 畅 2 中 表 3 畅 2 Fe -Fe 3 C 相 图 中 各 特 性 点 的 符 号 及 意 义 特 性 点 温 度 / 碳 的 质 量 分 数 /% 特 性 点 的 含 义 A 1 538 0 纯 铁 的 熔 点 B 1 495 0 畅 53 包 晶 转 变 的 液 相 成 分 C 1 148 4 畅 30 共 晶 点 D 1 227 6 畅 69 渗 碳 体 熔 点 E 1 148 2 畅 11 碳 在 奥 氏 体 中 的 最 大 溶 解 度 F 1 148 6 畅 69 渗 碳 体 成 分 点 G 912 0 α-fe γ-fe 同 素 异 构 转 变 点 H 1 495 0 畅 09 碳 在 δ -Fe 中 的 最 大 溶 解 度 J 1 495 0 畅 17 包 晶 成 分 点 K 727 6 畅 69 渗 碳 体 成 分 点 N 1 394 0 γ-fe δ -Fe 同 素 异 构 转 变 点 P 727 0 畅 021 8 碳 在 铁 素 体 中 的 最 大 溶 解 度 S 727 0 畅 77 共 析 点 Q 600 0 畅 000 8 碳 在 铁 素 体 中 的 溶 解 度 2 畅 铁 碳 合 金 相 图 中 的 特 性 线 在 铁 碳 合 金 相 图 中 的 特 性 线 见 表 3 畅 3,ABCD 为 液 相 线,AHJECF 为 固 相 线 整 个 相 图 中 有 三 条 重 要 的 水 平 线, 分 别 表 示 以 下 三 个 等 温 反 应 : 表 3 畅 3 Fe -Fe 3 C 相 图 中 的 特 性 线 特 性 线 含 义 AC 铁 碳 合 金 的 液 相 线, 液 态 合 金 开 始 结 晶 出 奥 氏 体 CD 铁 碳 合 金 的 液 相 线, 液 态 合 金 开 始 结 晶 出 渗 碳 体 AE 铁 碳 合 金 的 固 相 线, 即 奥 氏 体 的 结 晶 终 了 线 ECF 铁 碳 合 金 的 固 相 线, 即 L C A E +Fe 3 C 共 晶 转 变 线 GS 奥 氏 体 转 变 为 铁 素 体 的 开 始 线 GP 奥 氏 体 转 变 为 铁 素 体 的 终 了 线 ES 碳 在 奥 氏 体 中 的 溶 解 度 线 PQ 碳 在 铁 素 体 中 的 溶 解 度 线 PSK A S F P +Fe 3 C 共 析 转 变 线 1) HJB 水 平 线 包 晶 反 应 在 1 495 时 发 生 包 晶 转 变 L B +δ H A J, 由 相 图 可 以 看 到, 此 反 应 发 生 在 碳 的 质 量 分 数 0 畅 09% 至 0 畅 53% 的 合 金 中 包 晶 转 变 后 的 组 织 是 单 相 奥 氏 体 2) ECF 水 平 线 共 晶 反 应 37

在 1 148 时 发 生 共 晶 转 变 L C A E +Fe 3 C 共 晶 转 变 产 物 共 晶 体 的 形 态 是 奥 氏 体 分 布 在 渗 碳 体 基 体 上, 称 为 莱 氏 体, 用 符 号 Ld 表 示 此 反 应 发 生 在 碳 的 质 量 分 数 为 2 畅 11% 至 6 畅 69% 的 合 金 中 3) PSK 水 平 线 共 析 反 应 在 727 时 发 生 共 析 转 变 A S F P +Fe 3 C 共 析 转 变 产 物 共 析 体 是 铁 素 体 与 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物, 称 为 珠 光 体, 用 符 号 P 表 示 所 有 碳 的 质 量 分 数 超 过 0 畅 021 8% 的 铁 碳 合 金, 均 发 生 珠 光 体 转 变, 故 影 响 范 围 极 广 PSK 线 也 称 为 A 1 线 在 Fe -Fe 3 C 相 图 中 还 有 三 条 线 较 为 重 要 : GS 线 从 不 同 碳 的 质 量 分 数 的 奥 氏 体 中 析 出 铁 素 体 的 开 始 线, 又 称 A 3 线 ES 线 碳 在 奥 氏 体 中 的 固 溶 线, 也 称 A cm 线 由 该 线 看 出,γ-Fe 的 最 大 溶 碳 量 在 1 148 时 为 2 畅 11%, 而 在 727 时 仅 能 溶 碳 0 畅 77% 因 此, 碳 的 质 量 分 数 大 于 0 畅 77% 的 合 金 从 1 148 到 727 的 过 程 中, 由 奥 氏 体 析 出 渗 碳 体, 此 称 为 二 次 渗 碳 体 ( Fe 3 C Ⅱ ) PQ 线 碳 在 铁 素 体 中 的 固 溶 线 铁 素 体 在 727 时 溶 碳 量 最 大, 为 0 畅 021 8% 而 600 时 仅 能 溶 碳 0 畅 005 7%, 室 温 时 几 乎 不 溶 碳 因 此, 一 般 铁 碳 合 金 从 727 冷 却 至 室 温 时, 将 从 铁 素 体 中 析 出 三 次 渗 碳 体 (Fe 3 C Ⅲ ) 因 其 数 量 极 少, 往 往 不 予 考 虑 3 畅 铁 碳 合 金 相 图 的 相 区 相 图 中 有 单 相 区 和 两 相 区 1) 单 相 区 液 相 区 ABCD 以 上 的 区 域, 用 符 号 L 表 示 ; 高 温 铁 素 体 相 区 AHNA 区, 用 符 号 δ 表 示 ; 奥 氏 体 相 区 NJESGN 区, 用 符 号 A 表 示 ; 铁 素 体 相 区 GPQG 区, 用 符 号 F 表 示 ; 渗 碳 体 相 区 DFK(w C =6 畅 69%) 区, 用 符 号 6 畅 69C( 或 Fe 3 C) 表 示 2) 两 相 区 L +δ 相 区 ABJHA 区 ; L +A 相 区 JBCEJ 区 ; L +Fe 3 C 相 区 DCFD 区 ; δ +A 相 区 HJNH 区 ; F +A 相 区 GSPG 区 ; A +Fe 3 C 相 区 ECFKSE 区 ; F +Fe 3 C 相 区 QPSK 以 下 的 区 域 此 外, 前 面 讲 到 的 HJB ECF PSK 三 条 水 平 线 是 三 相 共 存 线 3 畅 1 畅 4 铁 碳 合 金 的 种 类 根 据 铁 碳 合 金 相 图, 可 以 将 铁 碳 合 金 分 为 工 业 纯 铁 钢 白 口 铸 铁 三 大 类 (1) 工 业 纯 铁 碳 的 质 量 分 数 小 于 0 畅 021 8% 的 铁 碳 合 金 (2) 钢 碳 的 质 量 分 数 在 0 畅 021 8% ~2 畅 11% 之 间 的 铁 碳 合 金 根 据 室 温 组 织 不 同, 钢 分 为 三 类, 参 见 表 3 畅 4 38

表 3 畅 4 几 种 碳 钢 号 和 碳 的 质 量 分 数 类 型 亚 共 析 钢 共 析 钢 过 共 析 钢 钢 号 20 45 60 T8 T10 T12 碳 的 质 量 分 数 /% 0 畅 20 0 畅 45 0 畅 60 0 畅 80 1 畅 00 1 畅 20 组 织 组 成 物 铁 素 体 和 珠 光 体 珠 光 体 珠 光 体 和 二 次 渗 碳 体 (3) 白 口 铸 铁 碳 的 质 量 分 数 在 2 畅 11% ~6 畅 69% 之 间 的 铁 碳 合 金 根 据 室 温 组 织 不 同, 白 口 铸 铁 又 分 为 三 类 : 1 亚 共 晶 白 口 铸 (2 畅 11% <w C <4 畅 3%), 组 织 为 珠 光 体 二 次 渗 碳 体 和 低 温 莱 氏 体 2 共 晶 白 口 铸 铁 (w C =4 畅 3%), 组 织 为 低 温 莱 氏 体 3 过 共 晶 白 口 铸 铁 (4 畅 3% <w C <6 畅 69%), 组 织 为 低 温 莱 氏 体 和 一 次 渗 碳 体 3 畅 2 典 型 铁 碳 合 金 结 晶 过 程 分 析 为 了 进 一 步 认 识 简 化 后 Fe -Fe 3 C 相 图, 现 以 上 述 几 种 典 型 铁 碳 合 金 为 例, 分 析 其 结 晶 过 程 和 在 室 温 下 的 显 微 组 织 如 图 3 畅 6 所 示, 图 中 标 注 了 组 织 图 3 畅 6 简 化 后 的 Fe -Fe 3 C 相 图 ( 标 注 组 织 ) 39

所 选 取 的 6 种 典 型 合 金 在 相 图 中 的 位 置 如 图 3 畅 7 所 示 3 畅 2 畅 1 共 析 钢 的 结 晶 过 程 图 3 畅 7 典 型 铁 碳 合 金 的 结 晶 过 程 分 析 共 析 钢 的 冷 却 结 晶 过 程 如 图 3 畅 7 中 的 合 金 Ⅰ 线 所 示, 碳 的 质 量 分 数 为 0 畅 77%, 其 结 晶 过 程 如 图 3 畅 8 所 示 共 析 钢 在 1 点 以 上 时 为 液 态 合 金 ; 当 液 态 合 金 冷 却 到 与 液 相 线 AC 相 交 于 1 点 温 度 时, 从 液 相 中 开 始 结 晶 出 奥 氏 体 ; 在 1 点 和 2 点 之 间, 随 着 温 度 的 下 降, 奥 氏 体 量 不 断 地 增 加, 其 成 分 沿 着 AE 线 改 变, 而 剩 余 液 相 逐 渐 减 少, 其 成 分 沿 着 AC 线 改 变 ; 冷 却 到 2 点 时, 液 相 全 部 结 晶 成 与 原 合 金 成 分 相 同 的 奥 氏 体 ; 从 2 点 到 3 点 温 度 范 围 内, 合 金 的 组 织 不 变 ; 冷 却 到 3 点 温 度, 即 727 时, 发 生 共 析 转 变,A S F P +Fe 3 C, 形 成 珠 光 体 ; 从 3 点 继 续 冷 却 到 室 温, 珠 光 体 不 发 生 转 变 故 共 析 钢 的 室 温 平 衡 组 织 为 珠 光 体 图 3 畅 8 共 析 钢 的 结 晶 过 程 示 意 图 珠 光 体 呈 层 片 状, 其 显 微 组 织 如 图 3 畅 9 所 示 在 光 学 显 微 镜 下 铁 素 体 为 白 色 基 体, 黑 色 线 条 是 渗 碳 体 图 3 畅 9 共 析 钢 平 衡 状 态 显 微 组 织 40

3 畅 2 畅 2 亚 共 析 钢 的 结 晶 过 程 亚 共 析 钢 的 冷 却 结 晶 过 程 如 图 3 畅 7 中 的 合 金 Ⅱ 线 所 示,Ⅱ 线 所 对 应 的 亚 共 析 钢 的 碳 的 质 量 分 数 为 0 畅 50%, 其 结 晶 过 程 如 图 3 畅 10 所 示 图 3 畅 10 亚 共 析 钢 的 结 晶 过 程 示 意 图 亚 共 析 钢 在 1 点 到 3 点 温 度 间 的 冷 却 结 晶 过 程 与 共 析 钢 相 似 ; 当 合 金 冷 却 到 与 GS 线 相 交 于 3 点 温 度 时, 奥 氏 体 开 始 转 变 成 铁 素 体, 称 为 先 共 析 铁 素 体 ; 在 3 点 与 4 点 之 间, 随 着 温 度 下 降, 铁 素 体 量 不 断 地 增 加, 其 成 分 沿 着 GP 线 改 变, 而 奥 氏 体 量 逐 渐 减 少, 其 成 分 沿 着 GS 线 改 变 ; 当 合 金 冷 却 到 与 共 析 线 PSK 线 相 交 的 4 点 温 度 时, 铁 素 体 中 的 碳 的 质 量 分 数 为 0 畅 021 8%, 而 剩 余 奥 氏 体 正 好 为 共 析 成 分 ( 碳 的 质 量 分 数 为 0 畅 77%), 因 此 剩 余 的 奥 氏 体 就 发 生 共 析 转 变 而 形 成 了 珠 光 体 4 点 以 下 继 续 冷 却 至 室 温, 组 织 基 本 上 不 发 生 变 化 故 亚 共 析 钢 的 室 温 平 衡 组 织 为 铁 素 体 F 和 珠 光 体 P 所 有 亚 共 析 钢 的 结 晶 过 程 均 相 似, 它 们 在 室 温 下 的 组 织 都 是 由 铁 素 体 和 珠 光 体 组 成 其 差 别 仅 在 于 二 者 的 相 对 量 有 所 不 同, 凡 距 共 析 成 分 越 近 的 亚 共 析 钢 组 织 中 所 含 的 珠 光 体 量 越 多, 反 之, 铁 素 体 量 越 多 图 3 畅 11 所 示 为 某 牌 号 的 亚 共 析 钢 的 显 微 组 织 其 中 白 亮 部 分 为 铁 素 体, 黑 色 部 分 为 珠 光 体 图 3 畅 11 亚 共 析 钢 的 显 微 组 织 3 畅 2 畅 3 过 共 析 钢 的 结 晶 过 程 过 共 析 钢 的 冷 却 结 晶 过 程 如 图 3 畅 7 中 的 合 金 Ⅲ 线 所 示, 其 结 晶 过 程 如 图 3 畅 12 所 示 过 共 析 钢 在 1 点 到 3 点 温 度 间 的 冷 却 结 晶 过 程 也 与 共 析 钢 相 似 ; 当 合 金 冷 却 到 与 ES 线 相 交 于 3 点 温 度 时, 由 于 奥 氏 体 中 碳 达 到 过 饱 和 而 开 始 从 奥 氏 体 中 析 出 二 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅱ, 二 次 渗 碳 体 沿 着 奥 氏 体 晶 界 析 出 而 呈 网 状 分 布, 如 图 3 畅 13 所 示, 这 种 二 次 渗 碳 体 称 之 为 先 析 渗 碳 体 ; 在 3 点 到 4 点 之 41

间, 随 着 温 度 的 降 低, 析 出 的 二 次 渗 碳 体 量 不 断 增 加, 剩 余 奥 氏 体 中 溶 碳 量 沿 ES 线 变 化 而 逐 渐 减 少 ; 继 续 冷 却 到 与 共 析 线 PSK 相 交 于 4 点 温 度 时, 剩 余 奥 氏 体 含 量 正 好 为 共 析 成 分, 因 此 就 发 生 共 析 转 变 而 形 成 珠 光 体 ;4 点 以 后, 温 度 继 续 下 降 到 室 温 时, 合 金 组 织 基 本 不 变 故 过 共 析 钢 室 温 平 衡 组 织 为 珠 光 体 P 和 二 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅱ 碳 体 图 3 畅 12 过 共 析 钢 的 结 晶 过 程 示 意 图 图 3 畅 13 为 过 共 析 钢 的 显 微 组 织 其 中 黑 色 基 体 组 织 为 片 状 珠 光 体, 白 色 网 状 条 纹 为 二 次 渗 3 畅 2 畅 4 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 图 3 畅 13 T12 过 共 析 钢 的 显 微 组 织 共 晶 白 口 铸 铁 的 冷 却 结 晶 过 程 如 图 3 畅 7 中 的 合 金 Ⅳ 线 所 示, 碳 的 质 量 分 数 为 4 畅 3%, 其 结 晶 过 程 如 图 3 畅 14 所 示 图 3 畅 14 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 示 意 图 共 晶 白 口 铸 铁 在 1 点 以 上 时 为 液 态 合 金 ; 当 液 态 合 金 冷 却 到 与 液 相 线 ACD 相 交 于 1 点 温 度 ( 共 晶 温 度 1 148 ) 时, 将 发 生 共 晶 转 变, 即 L C A E +Fe 3 C, 形 成 莱 氏 体 Ld, 这 种 由 共 晶 转 变 而 结 晶 出 的 奥 氏 体 与 渗 碳 体, 分 别 称 为 共 晶 奥 氏 体 A 与 共 晶 渗 碳 体 Fe 3 C; 在 1 点 与 2 点 之 间, 随 着 温 度 的 下 降, 碳 在 奥 氏 体 中 的 溶 解 度 沿 着 ES 线 变 化 而 不 断 降 低, 故 从 奥 氏 体 中 不 断 析 出 二 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅱ ; 当 温 度 下 降 到 与 共 析 线 PSK 相 交 于 2 点 的 温 度 时, 奥 氏 体 的 碳 的 质 量 分 数 正 好 是 42

共 析 成 分 (0 畅 77%), 因 此 奥 氏 体 发 生 共 析 转 变 而 形 成 珠 光 体, 而 二 次 渗 碳 体 不 变 ; 从 2 点 继 续 冷 却 到 室 温, 组 织 基 本 不 变 故 共 晶 白 口 铸 铁 室 温 平 衡 组 织 为 珠 光 体 P 共 晶 渗 碳 体 Fe 3 C 和 二 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅱ, 称 之 为 低 温 莱 氏 体, 用 符 号 Ld 表 示 图 3 畅 15 所 示 为 共 晶 白 口 铸 铁 的 显 微 组 织 图 中 黑 色 部 分 为 珠 光 体, 白 色 部 分 为 渗 碳 体 二 次 渗 碳 体 与 共 晶 渗 碳 体 混 在 一 起, 光 学 显 微 镜 下 难 以 分 辨 3 畅 2 畅 5 亚 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 图 3 畅 15 共 晶 白 口 铸 铁 的 显 微 组 织 亚 共 晶 白 口 铸 铁 的 冷 却 结 晶 过 程 如 图 3 畅 7 中 的 合 金 Ⅴ 线 所 示, 其 结 晶 过 程 如 图 3 畅 16 所 示 图 3 畅 16 亚 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 示 意 图 亚 共 晶 白 口 铸 铁 在 1 点 以 上 时 为 液 态 合 金 ; 当 液 态 合 金 冷 却 到 与 液 相 线 AC 相 交 于 1 点 温 度 时, 液 相 中 开 始 结 晶 出 初 晶 奥 氏 体 ; 在 1 点 与 2 点 之 间, 随 着 温 度 下 降, 奥 氏 体 量 不 断 增 加, 其 成 分 沿 固 相 线 AE 线 变 化, 而 剩 余 液 相 量 逐 渐 减 少, 其 成 分 沿 液 相 线 AC 线 变 化 ; 当 冷 却 到 与 共 晶 线 ECF 相 交 于 2 点 温 度 (1 148 ) 时, 初 晶 奥 氏 体 的 成 分 变 为 2 畅 11%, 液 相 碳 的 质 量 分 数 正 好 是 共 晶 成 分 (4 畅 3%), 因 此 剩 余 液 相 发 生 共 晶 转 变 而 形 成 莱 氏 体, 而 初 晶 奥 氏 体 不 变 ; 在 2 点 到 3 点 间 冷 却 时, 初 晶 奥 氏 体 与 共 晶 奥 氏 体 中, 均 不 断 析 出 二 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅱ, 并 在 3 点 的 温 度 (727 ) 时, 这 两 种 奥 氏 体 的 成 分 正 好 是 共 析 成 分 (0 畅 77%), 所 以 发 生 共 析 转 变 而 形 成 珠 光 体 ; 从 3 点 继 续 冷 却 到 室 温, 组 织 基 本 不 变 故 亚 共 晶 白 口 铸 铁 室 温 平 衡 组 织 为 珠 光 体 P 二 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅱ 和 低 温 莱 氏 体 Ld 所 有 亚 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 均 相 似, 只 是 合 金 成 分 越 接 近 共 晶 成 分, 室 温 组 织 中 低 温 莱 氏 体 量 越 多 ; 反 之, 由 初 晶 奥 氏 体 转 变 成 的 珠 光 体 量 越 多 图 3 畅 17 所 示 为 亚 共 晶 白 口 铸 铁 的 显 微 组 织 图 中 呈 黑 色 块 状 或 树 枝 状 分 布 的 是 由 初 晶 奥 氏 体 转 变 成 的 珠 光 体, 基 体 是 低 温 莱 氏 体 白 亮 色 的 二 次 渗 碳 体 分 布 在 块 状 或 树 枝 状 珠 光 体 周 围 43

3 畅 2 畅 6 过 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 图 3 畅 17 亚 共 晶 白 口 铸 铁 的 显 微 组 织 过 共 晶 白 口 铸 铁 的 冷 却 结 晶 过 程 如 图 3 畅 7 中 的 合 金 Ⅵ 线 所 示, 其 结 晶 过 程 如 图 3 畅 18 所 示 过 共 晶 白 口 铸 铁 在 1 点 以 上 时 为 液 态 合 金 ; 当 液 态 合 金 冷 却 到 与 液 相 线 CD 线 相 交 于 1 点 的 温 度 时, 液 态 合 金 中 开 始 结 晶 出 一 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅰ ; 在 1 点 与 2 点 之 间, 随 着 温 度 的 下 降, 一 次 渗 碳 体 量 不 断 增 加, 剩 余 液 相 量 逐 渐 减 少, 其 成 分 沿 CD 线 改 变 ; 当 温 度 冷 却 到 与 共 晶 线 ECF 相 交 于 2 点 温 度 (1 148 ) 时, 液 相 的 成 分 正 好 是 共 晶 成 分, 因 此 剩 余 的 液 相 发 生 共 晶 转 变 而 形 成 莱 氏 体 ; 在 2 点 与 3 点 之 间 冷 却, 奥 氏 体 中 同 样 要 析 出 二 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅱ, 并 在 3 点 的 温 度 (727 ) 时, 奥 氏 体 发 生 共 析 转 变 而 形 成 珠 光 体 故 过 共 晶 白 口 铸 铁 在 室 温 平 衡 组 织 为 一 次 渗 碳 体 Fe 3 C Ⅰ 和 低 温 莱 氏 体 Ld 图 3 畅 18 过 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 示 意 图 所 有 过 共 晶 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 均 相 似, 只 是 合 金 成 分 越 接 近 共 晶 成 分, 室 温 组 织 中 的 低 温 莱 氏 体 量 越 多 ; 反 之, 一 次 渗 碳 体 量 越 多 图 3 畅 19 所 示 为 过 共 晶 白 口 铸 铁 的 显 微 组 织 图 中 白 色 条 块 状 为 一 次 渗 碳 体, 基 体 为 低 温 莱 氏 体 图 3 畅 19 过 共 晶 白 口 铸 铁 的 显 微 组 织 44

3 畅 3 铁 碳 合 金 成 分 组 织 和 性 能 之 间 的 关 系 在 一 定 的 温 度 下, 合 金 的 成 分 决 定 了 组 织, 而 组 织 决 定 了 合 金 的 性 能 铁 碳 合 金 的 室 温 组 织 都 是 由 铁 素 体 和 渗 碳 体 两 相 组 成 的 但 是 其 碳 的 质 量 分 数 不 同, 组 织 中 两 个 相 的 相 对 数 量 分 布 及 形 态 也 不 同, 不 同 成 分 的 铁 碳 合 金 具 有 不 同 的 组 织 和 性 能 3 畅 3 畅 1 碳 的 质 量 分 数 对 平 衡 组 织 的 影 响 1 畅 相 的 变 化 规 律 铁 碳 相 图 在 共 析 温 度 以 下 为 F 与 Fe 3 C 的 两 相 区, 所 有 铁 碳 合 金 皆 由 此 两 相 组 成 室 温 时, 碳 的 质 量 分 数 低 于 0 畅 021 8% 的 合 金 全 部 为 铁 素 体 ( 忽 略 三 次 渗 碳 体 ); 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 铁 素 体 的 含 量 呈 直 线 关 系 减 少 ; 当 碳 的 质 量 分 数 为 6 畅 69% 时 铁 素 体 降 为 零 与 此 同 时, 渗 碳 体 的 含 量 则 由 零 直 线 增 加 至 100% 碳 的 质 量 分 数 的 变 化 不 仅 引 起 铁 素 体 和 渗 碳 体 相 对 量 的 变 化, 而 且 由 于 引 起 不 同 性 质 的 结 晶 过 程, 使 其 出 现 不 同 的 组 织 形 态, 发 生 不 同 的 相 互 结 合, 因 此 造 成 不 同 的 组 织 变 化 2 畅 组 织 的 变 化 1) 组 成 物 的 变 化 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 组 织 变 化 顺 序 依 次 为 : F F +P P P +Fe 3 C Ⅱ P +Fe 3 C Ⅱ +Ld Ld Ld +Fe 3 C Ⅰ 组 织 中 各 种 组 织 组 成 物 的 相 对 数 量 由 图 中 相 应 垂 直 高 度 来 表 示 2) 组 织 形 态 的 变 化 同 一 种 组 织 组 成 物 或 组 成 相, 由 于 生 成 条 件 的 不 同, 虽 然 本 质 相 同, 但 形 态 可 有 很 大 差 别, 对 性 能 的 作 用 也 大 不 一 样 (1) 铁 素 体 固 溶 体 转 变 生 成 的 单 相 铁 素 体 为 块 状 ( 等 轴 晶 粒 状 ) ; 共 析 体 中 的 铁 素 体 则 由 于 同 渗 碳 体 相 互 制 约, 主 要 呈 交 替 片 状 (2) 渗 碳 体 它 的 形 态 最 复 杂, 钢 铁 组 织 的 复 杂 化 主 要 是 它 所 造 成 的 一 次 渗 碳 体 是 从 液 体 中 直 接 析 出, 呈 长 条 状 ; 二 次 渗 碳 体 是 从 奥 氏 体 中 析 出 的, 沿 晶 界 呈 网 状 ; 三 次 渗 碳 体 是 从 铁 素 体 中 析 出 的, 沿 晶 界 呈 小 片 或 粒 状 ; 共 晶 渗 碳 体 是 同 奥 氏 体 相 关 形 成 的, 在 莱 氏 体 中 为 连 续 的 基 体 ; 共 析 渗 碳 体 是 同 铁 素 体 交 互 形 成 的, 呈 交 替 片 状 可 见, 铁 碳 合 金 中 这 些 组 织 的 不 同 形 态, 决 定 其 性 能 变 化 的 复 杂 性 从 以 上 变 化 可 以 看 出, 铁 碳 合 金 室 温 组 织 随 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 铁 素 体 的 相 对 量 减 少, 而 渗 碳 体 的 相 对 量 增 加 具 体 来 说, 对 钢 部 分 而 言, 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 亚 共 析 钢 中 的 铁 素 体 量 减 少, 过 共 析 钢 中 的 二 次 渗 碳 体 量 增 加 ; 对 铸 铁 部 分 而 言, 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 亚 共 晶 白 口 铸 铁 中 的 珠 光 体 和 二 次 渗 碳 体 量 减 少, 过 共 晶 白 口 铸 铁 中 一 次 渗 碳 体 和 共 晶 渗 碳 体 量 增 加 铁 碳 合 金 的 成 分 组 织 相 组 成 物 及 组 织 组 成 物 的 变 化 如 图 3 畅 20 所 示 应 当 指 出, 铁 碳 合 金 中 碳 的 质 量 分 数 增 高 时, 不 仅 组 织 中 渗 碳 体 的 相 对 量 增 加, 而 且 渗 碳 体 45

图 3 畅 20 铁 碳 合 金 成 分 组 织 ( 组 织 相 ) 间 的 关 系 的 大 小 形 态 和 分 布 也 随 之 发 生 变 化 渗 碳 体 由 层 状 分 布 在 铁 素 体 基 体 内 ( 如 珠 光 体 ), 进 而 改 变 呈 网 状 分 布 在 晶 界 上 ( 如 二 次 渗 碳 体 ), 最 后 形 成 莱 氏 体 时, 渗 碳 体 又 作 为 基 体 出 现 这 就 是 说 不 同 成 分 的 铁 碳 合 金 具 有 不 同 的 组 织, 这 也 正 是 决 定 它 们 具 有 不 同 性 能 的 原 因 3 畅 3 畅 2 碳 的 质 量 分 数 对 铁 碳 合 金 力 学 性 能 的 影 响 1 畅 硬 度 硬 度 是 一 个 与 碳 的 质 量 分 数 有 关 的 性 能 指 标, 与 组 织 组 成 物 或 组 成 相 的 形 态 不 十 分 敏 感 的 性 能 指 标, 它 的 大 小 主 要 决 定 于 组 成 相 的 硬 度 和 相 对 数 量 所 以 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 硬 度 46

高 的 渗 碳 体 增 多, 硬 度 低 的 铁 素 体 减 少, 因 此 合 金 的 硬 度 呈 直 线 增 高, 由 完 全 为 铁 素 体 组 织 的 80 HBS 增 大 到 完 全 为 渗 碳 体 的 约 800 HBW 2 畅 强 度 强 度 是 一 种 对 组 织 组 成 物 的 形 态 很 敏 感 的 性 能 在 工 业 纯 铁 中, 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 固 溶 强 化 或 微 量 Fe 3 C Ⅲ 的 强 化 作 用 使 强 度 提 高 在 亚 共 析 钢 中, 组 织 为 F +P 的 混 合 物,F 的 强 度 低,P 的 强 度 较 高, 随 P 的 增 加, 强 度 提 高 且 强 度 与 组 织 的 细 密 度 有 关, 组 织 越 细 密, 则 强 度 越 高, 所 以 在 亚 共 析 钢 中, 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 强 度 提 高 ; 组 织 越 细, 强 度 越 高 过 共 析 钢 中, 铁 素 体 消 失, 而 硬 脆 的 二 次 渗 碳 体 出 现, 合 金 强 度 增 加 变 缓 在 碳 的 质 量 分 数 到 约 0 畅 90% 时, 由 于 沿 晶 界 形 成 的 二 次 渗 碳 体 网 趋 于 完 整, 强 度 开 始 迅 速 下 降, 碳 的 质 量 分 数 到 2 畅 11% 组 织 中 出 现 莱 氏 体 时, 强 度 降 低 到 很 低 的 值, 如 果 继 续 增 加 碳 的 质 量 分 数, 由 于 基 体 变 为 连 片 的 渗 碳 体, 强 度 将 变 化 不 大, 但 值 很 低, 接 近 渗 碳 体 的 强 度 ( 约 20 ~30 MPa) 3 畅 塑 性 铁 碳 合 金 中 的 渗 碳 体 是 极 脆 的 组 成 相 或 组 织 组 成 物, 没 有 塑 性, 不 能 为 合 金 的 塑 性 做 出 贡 献, 合 金 的 塑 性 完 全 由 铁 素 体 来 提 供 所 以, 碳 的 质 量 分 数 增 加, 铁 素 体 减 少 时, 合 金 的 塑 性 不 断 降 低, 当 基 体 变 为 渗 碳 体 后, 塑 性 就 降 低 到 接 近 于 零 值 4 畅 韧 性 铁 碳 合 金 的 冲 击 韧 性 对 组 织 及 其 形 态 最 敏 感 碳 的 质 量 分 数 增 加 时, 脆 性 的 渗 碳 体 增 多, 不 利 的 形 态 愈 严 重, 韧 性 下 降 很 快, 下 降 的 趋 势 比 塑 性 更 急 剧 在 铁 碳 合 金 中, 渗 碳 体 一 般 可 认 为 是 一 种 强 化 相 当 它 与 铁 素 体 构 成 层 状 珠 光 体 时, 可 提 高 合 金 的 强 度 和 硬 度, 故 合 金 中 珠 光 体 的 量 越 多 时, 其 强 度 硬 度 越 高, 而 塑 性 韧 性 却 相 应 降 低 但 过 共 析 钢 中, 渗 碳 体 明 显 地 以 网 状 分 布 在 晶 界 上, 特 别 在 白 口 铸 铁 中 渗 碳 体 作 为 基 体 时, 将 使 铁 碳 合 金 的 塑 性 和 韧 性 大 大 下 降, 这 就 是 高 碳 钢 和 白 口 铸 铁 脆 性 高 的 主 要 原 因 图 3 畅 21 所 示 为 碳 的 质 量 分 数 对 碳 钢 力 学 性 能 的 影 响 由 图 可 见, 当 钢 中 碳 的 质 量 分 数 小 于 图 3 畅 21 碳 的 质 量 分 数 对 碳 钢 力 学 性 能 的 影 响 47

0 畅 9% 时, 随 着 钢 中 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 钢 的 强 度 硬 度 呈 直 线 上 升, 而 塑 性 韧 性 不 断 下 降 ; 当 钢 中 碳 的 质 量 分 数 大 于 0 畅 9% 时, 因 渗 碳 体 以 完 整 的 网 状 存 在, 不 仅 使 钢 的 塑 性 韧 性 进 一 步 降 低, 而 且 强 度 也 明 显 下 降 为 了 保 证 工 业 上 使 用 的 钢 具 有 足 够 的 强 度, 并 具 有 一 定 的 塑 性 和 韧 性, 钢 中 的 碳 的 质 量 分 数 一 般 不 超 过 1 畅 3% ~1 畅 4% 碳 的 质 量 分 数 大 于 2 畅 11% 的 白 口 铸 铁, 由 于 组 织 中 存 在 大 量 的 渗 碳 体, 则 特 别 硬 而 脆, 难 以 切 削 加 工, 因 此 在 一 般 机 械 制 造 工 业 中 很 少 使 用 3 畅 3 畅 3 碳 的 质 量 分 数 对 工 艺 性 能 的 影 响 在 一 定 温 度 下, 合 金 的 成 分 决 定 组 织, 而 组 织 又 决 定 合 金 的 性 能 铁 碳 合 金 的 室 温 组 织 都 是 由 铁 素 体 和 渗 碳 体 两 相 组 成 的 但 是 随 着 碳 的 质 量 分 数 变 化, 其 组 织 中 两 种 相 的 相 对 数 量 分 布 及 形 态 也 发 生 变 化, 所 以 不 同 成 分 的 铁 碳 合 金 具 有 不 同 的 组 织 和 性 能 1 畅 铸 造 性 能 金 属 的 铸 造 性 能 也 与 碳 的 质 量 分 数 有 关 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 钢 的 结 晶 温 度 间 隔 增 大, 对 钢 的 流 动 性 是 不 利 的 ; 但 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 液 相 线 温 度 降 低, 这 对 钢 的 流 动 性 有 利 总 的 来 说, 钢 液 的 流 动 性 是 随 碳 的 质 量 分 数 的 增 加 而 提 高 的 铸 铁 因 其 液 相 线 温 度 比 钢 低, 其 流 动 性 总 是 比 钢 好, 亚 共 晶 白 口 铸 铁 随 碳 的 质 量 分 数 的 增 加 凝 固 范 围 变 小, 流 动 性 也 随 之 提 高, 共 晶 铸 铁 其 结 晶 温 度 最 低, 同 时 又 在 恒 温 下 结 晶, 流 动 性 最 好 过 共 晶 铸 铁 随 碳 的 质 量 分 数 的 增 加, 流 动 性 变 差 2 畅 锻 造 性 能 碳 的 质 量 分 数 也 影 响 钢 材 的 可 锻 性 低 碳 钢 的 可 锻 性 良 好, 随 着 碳 的 质 量 分 数 的 提 高 可 锻 性 变 差 如 果 要 求 有 好 的 塑 性 变 形 抗 力 小, 在 Fe -Fe 3 C 相 图 中, 单 相 A 区 最 合 适, 其 次 为 A +F 两 相 区, 而 有 Fe 3 C 存 在 的 两 相 区, 钢 的 塑 性 韧 性 都 差 3 畅 切 削 加 工 性 能 碳 的 质 量 分 数 对 切 削 加 工 性 能 有 一 定 影 响 低 碳 钢 中 铁 素 体 较 多 塑 性 好, 切 削 时 产 生 的 切 削 热 较 大, 容 易 粘 刀, 而 且 切 屑 不 易 折 断, 影 响 表 面 粗 糙 度, 故 切 削 性 能 差 高 碳 钢 中, 渗 碳 体 较 多, 严 重 磨 损 刀 具, 切 削 加 工 性 能 也 差 一 般 认 为, 钢 的 硬 度 大 致 为 250 HBS 时 切 削 加 工 性 最 好 在 低 碳 钢 中 当 共 析 渗 碳 体 呈 片 状, 特 别 是 细 片 状 时, 可 以 降 低 钢 的 塑 性, 有 利 于 切 削 ; 而 以 球 状 存 在 时, 反 而 不 利 于 切 削 高 碳 钢 中 共 析 渗 碳 体 以 片 状 存 在, 二 次 渗 碳 体 以 网 状 存 在 时 对 切 削 不 利 而 渗 碳 体 呈 球 状 时 则 可 改 善 切 削 加 工 性 3 畅 4 铁 碳 合 金 相 图 的 应 用 铁 碳 合 金 相 图 在 生 产 中 具 有 重 要 的 实 际 意 义, 主 要 应 用 在 钢 铁 材 料 的 选 用 和 热 加 工 工 艺 制 定 两 个 方 面 3 畅 4 畅 1 在 钢 铁 选 材 方 面 的 应 用 铁 碳 合 金 相 图 总 结 了 合 金 组 织 及 性 能 随 成 分 变 化 的 规 律, 这 样 就 便 于 根 据 零 件 的 服 役 条 件 和 性 能 要 求 来 选 择 材 料 48

若 需 要 塑 性 韧 性 高 的 材 料 应 选 用 低 碳 钢 ( 碳 的 质 量 分 数 0 畅 1% ~0 畅 25%); 需 要 强 度 塑 性 及 韧 性 都 较 好 的 材 料 应 选 用 中 碳 的 亚 共 析 钢 ( 碳 的 质 量 分 数 0 畅 25% ~0 畅 6%); 需 要 硬 度 高 耐 磨 性 好 的 材 料 应 选 用 高 碳 钢 ( 碳 的 质 量 分 数 0 畅 6% ~1 畅 3%) 一 般 低 碳 钢 和 中 碳 钢 主 要 用 来 制 造 机 器 零 件 或 建 筑 结 构, 高 碳 钢 多 用 来 制 造 各 种 工 具 模 具 而 对 于 形 状 复 杂 的 箱 体 机 器 底 座 等 可 选 用 熔 点 低 流 动 性 好 的 铸 铁 来 制 造 当 然, 为 了 进 一 步 提 高 钢 的 性 能, 还 需 有 相 应 的 合 理 的 工 艺 与 之 配 合 3 畅 4 畅 2 在 制 定 热 加 工 工 艺 方 面 的 应 用 铁 碳 合 金 相 图 总 结 了 不 同 成 分 的 合 金 在 缓 慢 加 热 和 冷 却 时 组 织 转 变 的 规 律, 这 就 为 制 定 热 加 工 及 热 处 理 工 艺 提 供 了 依 据 1 畅 在 铸 造 工 艺 方 面 的 应 用 根 据 铁 碳 合 金 相 图 可 以 找 出 不 同 成 分 的 钢 和 铸 铁 的 熔 点, 为 铸 造 工 艺 提 供 基 本 数 据, 可 以 确 定 合 适 的 浇 注 温 度, 如 图 3 畅 22 所 示 另 外, 相 图 还 说 明 纯 铁 的 共 晶 成 分 的 铁 碳 合 金 凝 固 温 度 区 间 为 最 小 ( 为 零 ), 铸 造 性 能 好, 而 且 共 晶 成 分 的 合 金 结 晶 温 度 较 低, 操 作 比 较 方 便 因 此, 在 铸 造 生 产 中 接 近 共 晶 成 分 的 铸 铁 得 到 广 泛 的 应 用 2 畅 在 锻 造 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, 便 于 塑 性 变 形 因 此, 在 进 行 锻 造 热 轧 加 工 时 要 把 坯 料 加 热 到 奥 氏 体 状 态 一 般 始 锻 温 度 控 制 在 固 相 线 下 100 ~200 范 围 内, 而 终 锻 温 度 对 亚 共 析 钢 控 制 在 稍 高 于 GS 线, 对 于 过 共 析 钢 控 制 在 稍 高 于 ES 线 通 常, 各 种 碳 素 钢 的 始 锻 温 度 为 1 250 ~1 150, 终 锻 温 度 为 850 ~750, 如 图 3 畅 22 所 示 图 3 畅 22 铁 碳 相 图 与 铸 锻 工 艺 的 关 系 3 畅 在 焊 接 工 艺 方 面 的 应 用 焊 接 时 从 焊 缝 到 母 材 各 区 域 的 加 热 温 度 是 不 同 的, 由 铁 碳 相 图 可 知, 受 不 同 的 加 热 温 度 的 各 49

区 域 在 随 后 的 冷 却 中 可 能 出 现 不 同 的 组 织 与 性 能 这 就 需 要 在 焊 接 后 采 用 热 处 理 方 法 加 以 改 善 4 畅 在 热 处 理 工 艺 方 面 的 应 用 铁 碳 合 金 相 图 对 于 制 定 热 处 理 工 艺 有 着 特 别 重 要 的 意 义 常 用 的 热 处 理 工 艺 如 退 火 正 火 淬 火 的 加 热 温 度 都 是 根 据 铁 碳 合 金 相 图 确 定 的 必 须 指 出, 使 用 铁 碳 相 图 时 还 要 考 虑 多 种 杂 质 或 合 金 元 素 的 影 响 而 且 还 应 指 出, 相 图 反 映 的 是 平 衡 的 组 织 状 态, 所 以 实 际 上 钢 铁 在 生 产 和 加 工 过 程 中, 当 冷 却 或 加 热 速 度 较 快 时, 不 能 完 全 用 相 图 来 分 析 问 题, 必 须 借 助 其 他 的 理 论 知 识 50