铁碳合金的成分、组织与性能间的关系分析

1.铁碳合金的成分与组织间的关系

由上述分析可知，随着碳的质量分数的提高，铁碳合金室温下的平衡组织依次为：F+。任何成分的铁碳合金在室温均是由铁素体和渗碳体两相组成的，并且随着碳的质量分数的增加，铁素体的相对量在减少，而渗碳体的相对量在增加。铁碳合金的成分与组织组成物和相组成物相对量的关系归纳于图3-19中。

图3-19　铁碳合金的成分与组织组成物和相组成物相对量的关系

2.铁碳合金的成分与性能间的关系

在铁碳合金中，渗碳体是一种强化相，所以渗碳体数量越多，分布越均匀，则铁碳合金的强度、硬度越高，塑性、韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则铁碳合金的塑性和韧性将大大下降，且强度也随之降低。图3-20所示是铁碳合金中碳的质量分数对钢力学性能的影响，从图中可以看出，当wC＜0.9％时，随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度直线上升，而塑性和韧性却不断降低；而当wC＞0.9％时，由于二次渗碳体不断在晶界析出并形成完整的网状，不仅使钢的塑性、韧性进一步下降，而且强度也开始明显下降。因此，在机械制造中，为了保证钢既具有足够高的强度，同时又具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.3％～1.4％。

对于wC＞2.11％的白口铸铁，由于组织中含有大量的硬而脆的渗碳体，难以切削加工，因此在机械制造中很少直接应用。

3.铁碳相图的应用

Fe-Fe3C相图表明了钢铁材料的成分、组织与性能的变化规律，为生产中的选材及确定加工工艺提供了重要依据。

1）在选材方面的应用(www.xing528.com)

由Fe-Fe3C相图可知，不同成分的铁碳合金，其室温组织不同，导致其力学性能也不同。因此，可根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。例如，要求塑性、韧性好的金属构件（汽车上的机油盘、气缸盖罩），应选碳的质量分数较低的钢；要求强度、硬度、塑性和韧性都较高的机械零件（汽车曲轴），则应选用碳的质量分数为0.25％～0.60％的中碳钢；对于汽车上承受交变载荷的弹簧，要求具有较高的弹性和韧性，则需选用碳的质量分数为0.60％～0.85％的中高碳钢；对于要求有高硬度、高耐磨性的切削刀具和测量工具，则应选用碳的质量分数为0.7％～1.3％的高碳钢。

图3-20　铁碳合金中碳的质量分数对钢力学性能的影响

2）在制定热加工工艺方面的应用

（1）在铸造方面。铸造生产中，可以根据Fe-Fe3C相图确定钢铁材料的浇注温度，一般为液相线以上50℃～100℃。由相图可知，共晶成分的合金结晶温度最低，结晶区间最小，流动性好，体积收缩小，易获得组织致密的铸件，所以通常选择共晶成分的合金作为铸造合金。

（2）在锻压方面。相图可以作为确定钢的锻造温度范围的依据。通常把钢加热到单相奥氏体区，钢的塑性好，变形抗力小，易于成型。一般始锻温度控制在固相线以下100～200℃，而终锻温度控制在GS线以上，过共析钢应在稍高于PSK线以上。

（3）在焊接方面。在焊接工艺上，焊缝及周围热影响区受到不同程度的加热和冷却，组织和性能会发生变化，相图可作为研究变化规律的理论依据。铁碳合金的焊接性与碳的质量分数有关，随着碳的质量分数的增加，钢的脆性增加，塑性下降，导致钢的冷裂倾向增加焊接性变差。碳的质量分数越高，焊接性越差，故焊接用钢主要是低碳钢或低碳合金钢。

（4）在热处理方面。在热处理工艺中，相图是制定各种热处理工艺加热温度的重要依据。例如，钢的退火、正火、淬火加热温度都是依据铁碳相图来确定的。