铁碳合金 成分 组织 性能之间的关系

三、铁碳合金成分、组织、性能之间的关系 

从对Fe-Fe3C相图的分析可知，在一定的温度下，合金的成分决定了组织，而组织又决定了合金的性能。任何铁碳合金室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，但成分（含碳量）不同，组织中两个相的相对数量，相对分布及形态也不同，因而不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。 

1、碳的质量分数对组织的影响 

铁碳合金的室温组织随碳的质量分数的增加，组织的变化规律如下： 

F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ldˊ→Ldˊ+Fe3CⅠ

从以上变化可以看出，铁碳合金室温组织随碳的质量分数的增加，铁素体的相对量减少，而渗碳体的相对量增加。具体来说，对钢部分而言，随着含碳量的增加，亚共析钢中的铁素体量随着减少，过共析钢中的二次渗碳体量随着增加；对铸铁部分而言，随着碳的质量分数的增加，亚共晶白口铸铁中的珠光体和二次渗碳体量减少；过共晶白口铸铁中一次渗碳体和共晶渗碳体量随着增加。铁碳合金室温组织的相组成相对量、组织组成物相对量如图所示。 

铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。当碳的质量分数Wc<0.9%时，随碳的质量分数的增加，钢的强度，硬度呈直线上升，而塑性、韧性随之降低。原因是钢组织中渗碳体的相对量增多，铁素体的相对量减少；当碳的质量分数Wc>0.9%时，随碳的质量分数的继续增加，硬度仍然增加，而强度开始明显下降，塑性、韧性继续降低。原因是钢中的二次渗碳体沿晶界析出并形成完整的网络。导致了钢脆性的增加。为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于1.4%。Wc>2.11%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量太多，性能硬而脆，难以切削加工，在机械工程中很少直接应用。 

1、在钢铁材料选材方面的应用 

Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。例如：用于建筑结构的各种型钢需要塑性、韧性好的材料，应选用Wc<0.25%的钢材。机械工程中的各种零部件需要兼有较好强度、塑性和韧性的材料，应选用Wc=0.30%~0.55%范围内的钢材。而各种工具却需要硬度高，耐磨性好的材料，则多选用Wc=0.70%~1.2%范围内的高碳钢。

 2、在制订热加工工艺方面的应用 

（1）在铸造方面的应用  从Fe-Fe3C相图可以看出，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，铸造生产中多选用接近共晶成分的铸铁。根据Fe-Fe3C相图可以确定铸造的浇注温度，一般在液相线以上50~100℃，铸钢（Wc=0.15%~0.6%）的熔化温度和浇注温度要高得多，其铸造性能较差，铸造工艺比铸铁的铸造工艺复杂。 

（2）在锻压加工方面的应用  由Fe-Fe3C相图可知钢在高温时处于奥氏体状态，而奥氏体的强度较低，塑性好，有利于进行塑性变形。因此，钢材的锻造、轧制（热轧）等均选择在单相奥氏体的适当温度范围内进行。 

（3）在热处理方面的应用  Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。热处理常用工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图确定的。这将在下一章中详细阐述。 

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