铁碳合金相图的工业应用

于泽权　秦炜

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

铁碳合金相图是研究钢铁的重要理论基础，它反映了平衡状态下铁碳合金的成分、温度、组织三者之间的关系。在材料选择方面的应用由铁碳合金相可见，铁碳合金相图从客观上反映了钢铁材料的组织随成分和温度变化的规律，因此在工程上为选材、用材及制定铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据。能够确定含碳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惩罚、温度、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。

一、制定加工工艺方面的应用

铁碳合金相图总结了不同成分合金在缓慢加热和冷却时组织变化的规律，这就为制定热加工工艺提供了依据。

（一）锻、轧方面。在锻压生产上的应用钢在室温时的组织为两相混合物，塑性较差，变形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态，才具有较低的强度，较好的塑性和较小的变形抗力，易于锻压成形。因此，在进行锻压或热轧加工时，要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢较合适的锻轧加热温度范围是：变形开始温度为1150～1200℃；变形终止温度为750～850℃。

（二）焊接方面。在焊接生产上的应用焊接时，由于局部区域被快速加热，故从焊缝到母材各处的温度足不同的。温度不同，冷却后的组织性能就不同，为了获得均匀一致的组织性能，就需要通过焊后热处理来调整和改善。

（三）切削方面。金属切削加工是切削工具将坯料或工件上多余的材料切除，以获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的方法。在铁碳合金相图中，根据含碳量，钢分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。一般认为中碳钢比较适合以切削，160—230HBS切削加工性能是最好的。含碳量低，容易出现粘刀；含碳量过高，材料坚硬不好切割。

（四）热处理方面。从热处理生产上的应用，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的淬火、退火、正火和回火等热处理。此外，奥氏体具有溶解碳及其他合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其他化学热处理的缘故。热处理加工工艺，是根据铁碳合金相图拟定淬火、退火、正火等各种热处理加热规范，在金属加工中有着特别重要的意义。着重强调最重要的是最初热处理即退火、正火。而淬火、回火是最终处理。在铁碳合金相图中，指出退火是适当的温度加热，保持一定的时间，缓慢冷却的过程。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却的过程，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，对一些要求不高的零件作为最终的处理。淬火是将钢加热AC3或AC1以上，30—50℃保温一定时间，进行水冷的过程，获得的是马氏体组织。回火是将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，在进行冷却的过程，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火、回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。

二、在铸造生产上的应用

参照F-Fe3C相图可以确定钢铁的浇注温度，通常浇注温度应在液相线以上50—60℃为宜。在所有成分的合金中，以共品成分的白口铁和纯铁铸造工艺性能最好，这是因为它们的结晶温度区间最小（为零），故流动性好，得到质量好的致密铸件。因此，在铸造生产中接近共晶成分的铸铁得到了较为广泛的应用。此外，铸钢也是常用的一种铸造合金。由于其熔点高，结晶温度区间较大，故铸造工艺性能比铸铁差，常需经过热处理后才能使用。铸钢主要用于制造一些形状复杂，强度和韧性要求较高的零件。

三、在选材方面的应用

由铁碳合金相可见，铁碳合金中随着含碳量的不同，其平衡组织各不相同，从而导致其力学性能不同，因此就可以根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。例如，低碳的亚共析钢。对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，要求强度和韧性都比较好，可选用中碳的亚共析钢。制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、耐磨性，可选用高碳的共析、过共析钢。对于形状复杂的箱体、机器底座等可选用熔点低、流动性好的铸铁材料。随着生产技术的发展，对钢铁材料的要求更高，因此铁碳合金相图可作为材料研制中，预测其组织的基本依据。还可在碳钢中加入合金改变共析点的位置，从而提高钢的硬度和强度。

四、生产实践中使用Fe、Fe3C相图应注意的问题

（一）铁碳合金像图中唯有铁碳两种元素，生产实践中使用的铁碳合金铁碳合金，除含铁、碳两种元素外，尚有其他多种杂质或合金元素，这些元素对相图将有所影响，应特别注意加以

考虑。

（二）Fe、Fe3C相图虽然表示了铁碳合金在不同温度下的组织状态，但要特别注意的是，这种组织是以极慢冷却速度不可能如此缓慢，在冷却速度较快时，合金的临界点极其冷却后的组织与相图所表示的会有所不同。

参考文献：

[1]尹传华主编、金属工艺学：机械工业出版社，2009（6）.

[2]梁耀能主编工程材料及加工工程：机械工业出版社，2009（1）.

[3]上海市职业技术培训教研室编、金属工艺学：上海交通大学出版社，2005（1）.