铁碳基础知识及应用探析

铁碳相图是研究铁碳合金的基础，在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列的化合物，但由于工业生产中用的铁碳合金的含碳量一般不超过5％，所以人们研究的铁碳相图只限于Fe-Fe₃C（含碳量＜6.69％）部分。

一、铁碳相图的构造

1.简化后的铁碳相图的画法

在铁碳相图中纵坐标代表温度，横坐标代表含碳量，将Fe-Fe₃C相图中实用意义不大的左上角和左下角部分予以简化，就得到了简化后的Fe-Fe₃C相图，如图1-24所示。

图1-24 溶化后的Fe-Fe₃C相图

2.相图中特性点、线的含义

1）相图中的几个特性点的温度、含碳量及含义见表1-15。

表1-15 相图中特性点的温度、含碳量及含义

2）相图中的特性线。

①ACD是液相线，在此线以上合金全部为液相。

②AECF是固相线，合金冷到此线全部结晶为固相。

③GS又叫A₃线，是冷却时A中析出F的开始线或加热时F溶入A中的终了线。

④ES又叫A_cm线，是碳在A中的固溶线。

⑤ECF是共晶转变线。

⑥PSK又叫A₁线，是共析转变线。

3.铁碳合金的分类

根据铁碳合金的含碳量和室温组织，铁碳合金可分为以下3类。

1）工业纯铁。C％＜0.0218％的铁碳合金——室温组织主要为F。

2）钢。C％为0.0218％～2.11％的铁碳合金。根据室温组织的不同，钢又可分为以下3类。

①亚共析钢（0.0218％＜C％＜0.77％）——室温组织为F＋P。(www.xing528.com)

②共析钢（C％＝0.77％）——室温组织为P。

③过共析钢（0.77％＜C％＜2.11％）——室温组织为P＋Fe₃C_Ⅱ。

3）白口铸铁。C％为2.11％～6.69％的铁碳合金。

根据室温组织不同，白口铸铁又可分为以下3类。

①亚共晶白口铸铁（2.11％＜C％＜4.3％）——室温组织为P＋Fe₃C_Ⅱ＋L′d。

②共晶白口铸铁（C％＝4.3％）——室温组织为L′d。

③过共晶白口铸铁（4.3％＜C％＜6.69％）——室温组织为Fe₃C_Ⅰ＋L′d。

二、铁碳相图的应用

铁碳相图较全面地反映了铁碳合金的组织、性能、成分变化的规律，从而为正确选择铁碳合金材料提供了理论根据，同时也是制定铸、锻、焊、热处理等热加工工艺的重要工具。

1.在选材方面的应用

若需要塑性好、韧性高和焊接性能好的材料，应选择低碳钢材料；需要强度、塑性和韧性都好的材料，应选择中碳钢材料；需要硬度高、耐磨性好的材料，应选择高碳钢材料。一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件和建筑结构，高碳钢用来制造各种工具。当然，为了进一步提高钢的性能还可以配合其他的一些合理工艺。

白口铸铁具有很高的硬度和耐磨性，脆性较大且难以加工，因此它的应用受到了限制，但白口铸铁具有很高的抗磨损能力，可用来制造需要耐磨而不受冲击的工件，如球磨机的铁球。此外，白口铸铁还是可锻铸铁的原料。

2.在铸造方面的应用

根据铁碳相图可以找出不同成分的钢和铁的熔点，为拟定铸造工艺提出基本数据，以确定合适的熔化和浇注温度。此外，由铁碳相图知道，靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且凝固温度区也较小，具有良好的铸造性，这类合金适合于铸造。

3.在锻造方面的应用

单相合金较多相合金具有较好的塑性，因而压力加工性能较好。钢处于奥氏体状态时，强度较低，塑性很好，便于塑性变形，因此钢的轧制或锻造必须选择在单相奥氏体区的适当温度范围内进行。选择原则是开始轧制或锻造的温度不得过高，以免钢材氧化严重和发生奥氏体晶界熔化，而终锻温度也不能过低，以免钢材因温度过低而塑性差，导致产生裂纹。

4.在焊接方面的应用

焊接时，从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的。由相图可知，在不同的加热温度下会获得不同的组织，在随后的冷却过程中，也会出现不同的组织和性能。根据焊接条件，利用相图可以分析焊后热影响区的组织和性能，为焊后的处理方法提供依据。

5.在热处理方面的应用

热处理与铁碳相图的关系更为密切，因为人们对各种工件的性能要求不同，因此所采用的热处理方法也不同，不同的热处理方法（退火、正火、淬火和回火等）的加热温度选择都是根据铁碳相图选定的。