探讨《金属材料与热处理》中“铁碳合金相图”的应用

【摘要】“铁碳合金”是《金属材料与热处理》教材中的重要内容，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。文章在了解铁碳合金相图特性线的基础上，分析了“铁碳合金相图”的应用，为新材料的研制提供了理论基础。

【关键词】铁碳合金相图 特性线 应用

【中图分类号】TG1 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）07-0231-01

一、引言

“铁碳合金”是《金属材料与热处理》教材中的重要内容，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe―Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。间隙固溶体主要包括铁素体、奥氏体以及渗碳体。如图1 所示。铁碳相图是制定各种热加工及热处理工艺的依据，利用它还可以分析钢铁材料的性能，从而作为选材的理论根据，它是学习铁碳合金的一个重要工具。

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其中，γ/A：奥氏体区；α/F：铁素体区；L：液相区；Fe3C/Cm：渗碳体区；δ：固溶体区

图1 铁碳相图

二、铁碳合金相图中的特性线

相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线，PSK线（A1线），GS线（A3线），ES线（ACM线） 。水平线ECF为共晶反应线，碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金， 在平衡结晶过程中均发生共晶反应。水平线PSK为共析反应线，亦称A1线，碳质量分数为0.0218%～6.69%的铁碳合金， 在平衡结晶过程中均发生共析反应。GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。ES线是碳在A中的固溶线，通常叫作Acm线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%，而在727℃时仅为0.77%，因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CII）。Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。PQ线是碳在F中固溶线，在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%， 室温时仅为0.0008%， 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中， 将从F中析出Fe3C，析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CIII）。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线，Fe3CIII数量极少，往往予以忽略。

三、“铁碳合金相图”的应用

1.预估碳钢和铸铁铸造熔化的加热温度

合金加热融化是铸造工艺的第一步，只有将合金加热达到相图上的液态区间（“L”区），铸造才可继续进行。由图1的铁碳相图可以看出，钢的铸造性不如铸铁。铸铁的结晶温度较低，凝固温度间隔几乎为零，从而表现出较好的流动性、体积收缩小，比较容易获得组织致密的铸件。而铸钢件中，结晶温度范围较窄，液、固相线间的距离较小，从而在流动性方面表现较差、收缩性较大，容易产生分散缩孔和偏析，且铸件内应力大，容易产生变形和开裂。

2.预估碳钢锻造的加热温度

作为成型的一种常用工艺，锻造主要是利用了材料的塑性变形原理。而在材料的塑性变形过程中，锻造加热起着重要的作用。从图1的铁碳相图可知，含碳量相对较低的铁碳合金在较高温度下可得到塑性好、变形抗力小单相奥氏体，易于成形。因此，可以根据铁碳相图来确定碳钢锻造时的始锻温度和终锻温度。一般来讲，为了更好的实现塑性变形，始锻温度应控制在固相线（AE线）以下100～200℃；对于终锻温度，不同的工件材料存在一定的差异，对亚共析钢，一般应稍高于GS 线，即控制在奥氏体区内。对于过共析钢，则选择在ES 线与PSK 线之间的温度范围。

3.预估热处理的加热温度

铁碳合金相图可以相对直观的看出热处理工艺。目前业内，不同工件材料的热处理工艺基本都是参考铁碳合金相图制定的，通过铁碳合金相图可以较容易的获得加热温度。以钢的热处理工艺为例，在合金相图的左下角部分是该工艺的参考依据，其中的共析转变线、同素异构转变线和固溶线是平衡条件下钢发生组织转变的三条温度线，称为临界点。利用这三条线可以确定共析钢、亚共析钢、过共析钢的完全奥氏体化温度，从而制定出相匹配的热处理工艺。

4.确定碳含量已知的合金在任意温度下的平衡状态

平衡状态下铁碳合金的成分、温度、组织三者之间的关系在铁碳合金相图中都有所反映，我们可以根据其来确定合金在某一温度下的显微组织。例如，想知道含碳量为0.6%的合金在1000℃下的组织，确定方法如下：从横坐标为0.6%C 的点向上作一条直线，再从纵坐标为1000℃的点向右作一条水平线，最后根据这两条线交点的位置就可确定其显微组织。

四、结语

铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。文章在了解铁碳合金相图特性线的基础上，分析了“铁碳合金相图”的应用，为新材料的研制提供了理论基础。

参考文献：

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