熟悉铁碳合金相图的应用方法

【情境导入】

铁碳合金相图可以看出不同含碳量的铁碳合金，具有不同的晶相组织，但任何成分的铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体两相组成。只是随含碳量的增加，铁素体量相对减少，而渗碳体量相对增多，渗碳体的形状和分布也发生变化，从而形成不同的组织。铁碳合金相图在实际生产生活中能应用到哪些地方呢?

【讲一讲】

铁碳合金相图是一个比较复杂的二元合金相图。它不仅可以表示不同成分的铁碳合金在平衡条件下的成分、温度与组织之间的关系，而且可以推断其性能与成分、温度的关系。因此，铁碳合金相图是研究钢铁成分、组织和性能之间的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。在工业生产中，需要钢铁的性能各不一样，在其强度、硬度、塑性、韧性各方面都有可能有不同的要求，那么，怎样才能得到需要的铁碳合金呢?这就需要我们对铁碳合金相图有充分的认识和使用能力。所以，铁碳合金相图在生产实际中有着广泛的作用。因为铁碳合金相图是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，所以，在生产实际中，铁碳合金相图在为工程上选材、用材，铸、锻、焊，热处理等工艺流程方面有着广泛的应用。

1.在选材方面的应用

由铁碳合金相图可见，铁碳合金中随着碳含量的不同，其平衡组织也各不相同，随着含碳量的升高，组织成分为铁素体+珠光体、珠光体、珠光体+二次渗碳体、珠光体+二次渗碳体+莱氏体、莱氏体、一次渗碳体+莱氏体。对其铁碳合金的名称为工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。

大体依次是强度、硬度随之增强，韧性、塑性随之减弱。所以，我们可以根据工件的不同性能要求来更好地选择合适的材料。例如，一些机器的底座、要求不太高的外形复杂的箱体，我们可以选用铸铁材料，其含碳量高，流动性较好，熔点低，易于铸造；对于一些桥梁、船舶、锅炉、车辆及塔吊、起重机等对塑性、韧性要求较高的工件材料我们可以选用含碳量低一些的亚共析钢，其有一定强度，但含碳量少，韧性、塑性高；对于一些活塞及机器内部一些受冲击载荷要求较高强度的零件材料，多选用综合性能比较好的亚共析钢，即含碳量中等的亚共析钢，其强度和韧性都比较好；而制造各种切削刀具，各种模具，量具时，就要选用含碳量较高的共析钢、过共析钢，其含碳量较高，所以强度硬度很高，有很高的抗变形能力和耐磨性。

2.在铸造生产上的应用

我们参照铁碳合金相图，通过合金相图中铁碳合金的液相线，我们可以研究铁碳合金中随着含碳量的增加，其合金熔点的变化情况，进而知道各种含碳量的钢的浇铸温度。

由相图可知，随着含碳量的增加，铁碳合金的熔点是随之下降的。所以，工业纯铁的熔点最高，铸铁的熔点最低。而由实验和工业实践得知，铁碳合金的浇铸温度通常应在铁碳合金的液相线以上50～60℃为宜。由合金相图可知，随着含碳量的增加，铁碳合金的常温组织形态和性能都有了很大的变化。这其中所有成分的合金中，以含共晶成分的白口铸铁和工业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(可到零)，故流动性好，可以得到致密结实的高质量铸件。所以，在日常生产中，接近共晶成分的铸铁在铸造生产中应用是最广泛的。但是，铸铁往往强度、硬度足够，但是脆性较大，抗变形能力也较差，可焊性差，这种情况下，就用到了铸钢，所以铸钢也是比较常用的一种铸造和金。但是，由于其熔点高，结晶温度区间较大，流动性差，得到的铸件不够致密，其铸造工艺性能比铸铁差，所以这种刚往往需要经过一些热处理(退火或正火)后才能使用。由于其工艺复杂，技术要求比较高，所以只有在一些形状复杂，对工件强度和韧性要求都较高的情况下才会使用铸钢。

3.在锻压生产上的应用

在日常生产中，因为人们对各种工件的形状、性能等方面的要求不同，造成了钢材加工除了有切削、铸造等传统工艺外，有的工件还需要经过锻压工艺。锻压工艺即是将工件加热至一定温度，再将其锻压成的技术。需要加热的原因是钢在室温时的组织形态为两相的混合物，脆性较大，硬度强度较大，变形困难，易断裂。只有将其加热到单向奥氏体状态，才具有较低的强度，较好的塑性和较低的变形抗力，才会易于锻压成型。而要把材料加热到奥氏体状态的所需温度则需要借助铁碳合金相图来计算。铁碳合金相图的单相奥氏体区即在GS、SE线以上，所以进行锻压或热轧加工时，一定要把坯料加热到GS、SE线以上，但也不宜过高，以免钢材因为温度过高而氧化烧损严重。但变形的终止温度也不宜过低，温度过低时，硬度会大，会增加锻压的难度，增加能量的消耗和设备的负担，另外，还会因塑性的降低而导致坯料开裂。所以各种碳钢的较合适的锻压加热温度是1 150～1 200℃，变形终止温度为750～850℃。

4.在焊接生产上的应用(www.xing528.com)

各种含碳量的铁碳合金的可焊性是不同的，在焊接生产中，各种钢材所用方法也不同。另外，在焊接时，两块不同的钢材焊在一起，在焊缝处是最脆弱的，由于局部区域被快速高温加热，而其他部分未被加热，就造成母材各处温度不同，从而造成冷却后的组织性能不同，强度、硬度、韧性、塑性就不均匀，从而容易在脆弱处形成损坏。为了获得均匀一致的组织性能，还需要通过焊后的热处理来调整和改善。

5.在热处理生产上的应用

通过铁碳合金相图，我们可以看到，铁碳合金在固态加热或冷却过程中，会穿过一条条的相变线，即产生了相的变化。我们知道，不同的组织形态决定了不同的力学性能，所以，我们可以通过热处理来改变铁碳合金的力学性能。主要有退火、正火、淬火和回火等热处理方式。而且，根据不同的要求，还可以进行表面热处理等方式得到想要的力学性能。

铁是工业上应用最广泛的金属材料，而凡是用到钢铁的力学变化，无论是碳含量的增减还是升温降温热处理等，全都离不开铁碳合金相图。所以，铁碳合金相图在现代工业生产中是至关重要的，铁碳合金相图伴随着钢铁的每一步生产和应用。

【做一做】

简答题

列举两例铁碳合金相图在热处理生产上的应用。

【评一评】

试用量化方式(评星)评价本节学习情况，并提出意见与建议。

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