铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用探讨

1）铁碳合金的成分—组织—性能关系

（1）铁碳合金成分对组织的影响

按照铁碳相图，铁碳合金在室温下的组织皆由F和Fe3C两相组成，两相的相对质量分数由杠杆定律确定，如图2－60所示。随碳质量分数的增加，F的量逐渐变少，由100%按直线关系变至0%（wC＝6．69%时），Fe3C的量则逐渐增多，相应地由0%按直线关系变至100%。各个区间的组织组成物的相对质量用杠杆定律求出，其数量关系如图2－60中相应垂直高度所示。碳含量小于0．021 8%的合金的组织全部为F，wC＝0．77%时全部为P，wC＝4．3%时全部为Ld′，wC＝6．69%时全部为Fe3C。在上述碳质量分数之间，则为相应组织组成物的混合物。

（2）铁碳合金成分对力学性能的影响

随着C的质量分数的增加，钢的强度增加，塑性降低，如图2－61所示。这是因为碳含量的变化，改变了钢的内部组织。铁碳合金的室温平衡组织都是由铁素体和渗碳体组成的，其中铁素体因碳含量低是较软的相，渗碳体因碳含量高是硬脆相，钢中绝大部分碳是以渗碳体的形态存在的。钢中碳含量越高，组织中渗碳体就越多，因此钢的强度升高，塑性降低。

钢中珠光体对其性能有很大的影响。珠光体由铁素体和渗碳体组成，由于渗碳体以细片状分散地分布在软韧的铁素体基体上，起着强化作用，因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。珠光体内的层片越细，强度越高，如果其中的渗碳体球化，则强度下降，但塑性与韧度提高。

亚共析钢随着碳含量的增加，珠光体的数量逐渐增加，因而强度、硬度上升，塑性与韧度下降。当碳的质量分数为0．77%时，钢的组织全为珠光体，故此时钢的性能就是珠光体的性能。过共析钢除珠光体外，还出现了二次渗碳体，故其性能要受到二次渗碳体的影响。若碳的质量分数不超过1%，由于在晶界上析出的二次渗碳体一般还不连成网状，故对性能的影响不大。当碳的质量分数大于1%以后，因二次渗碳体的数量增多而呈连续网状分布，故钢具有很大的脆性，塑性很低，强度也下降。

图2－60　铁碳合金中的碳含量和组织的关系

2）铁碳合金相图的应用

铁碳合金相图在生产中具有很大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制定两个方面。

（1）在钢铁材料选用方面的应用

铁碳合金相图所表明的某些成分—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好、韧度高的材料，因此，选用碳含量较低的钢材。各种机械零件需要强度、韧度较高及塑性较好的材料，应选用碳质量分数适中的中碳钢。各种工具要用强度高和耐磨性好的材料，则选用碳的质量分数较高的钢材。纯铁的强度低，不宜用作结构材料，但由于其磁导率高，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，适用于做要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如，拔丝模、冷轧辊、货车轮、球磨机的磨球等。

图2－61　碳含量对钢的力学性能的影响

（2）在铸造工艺方面的应用

根据铁碳合金相图可以确定合金的浇注温度，浇注温度一般在液相线以上50～100℃。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁铸造性能最好。它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上碳的质量分数总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中，碳的质量分数规定在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，锻造或轧制用钢材选在单相奥氏体区内进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100～200℃范围内。温度高时，钢的变形抗力小，节约能源，设备要求的吨位低，但温度不能过高，要防止钢材严重烧损或发生晶界熔化（过烧）。终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。亚共析钢的热加工终止温度多控制在GS线以上，避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧度降低。过共析钢的变形终止温度应控制在PSK线以上，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。终止温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大，使热加工后的组织也粗大。一般始锻温度为1 150～1 250℃，终锻温度为750～850℃。

（4）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。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据铁碳合金相图确定的。这将在后续章节中详细阐述。

思考题：

1．解释下列名词：(www.xing528.com)

晶格　晶胞　单晶体　多晶体　晶粒　晶界　相　组织　固溶强化　弥散强化

2．常见的金属晶格类型有哪些？简单说明其特征。

3．金属的实际晶体中有哪些缺陷？它们对金属性能有何影响？

4．什么是固溶体？什么是金属化合物？它们的结构特点和性能特点各是什么？

5．合金的结构和纯金属的结构有什么不同？

6．纯金属的结晶是怎样进行的？

7．金属在结晶时，影响晶粒大小的主要因素是什么？

8．晶粒大小对力学性能有何影响？

9．金属细化晶粒的途径有哪些？

10．默写简化的铁碳合金相图，说明图中主要点、线的含义，填写各相区的相和组织组成物。

11．解释下列名词：

铁素体　奥氏体　渗碳体　珠光体　莱氏体

12．一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的形态有何区别？

13．含碳量分别为0．20%、0．45%、0．77%、1．2%的钢，按其在铁碳合金相图上的位置分别属于哪一类钢？它们的平衡组织及性能（强度、硬度、塑性、韧度）有何区别？

14．现有四块形状、尺寸相同的平衡状态的铁碳合金，其含碳量分别为0．20%、0．45%、1．2%、3．5%，根据所学知识，可用哪些办法区分它们？

15．根据铁碳合金相图，解释下列现象：

（1）绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝，含碳量小于0．2%），而起重机吊重物时都用钢丝绳（含碳量大于0．6%）。

（2）在1 100℃时，wC＝0．4%的钢能进行锻造，而wC＝4．0%的铸铁不能进行锻造。

（3）钳工锯高含碳量的钢比锯低含碳量的钢费力且锯条易磨钝。

（4）钢适宜压力加工成型，而铸铁适宜铸造成型。