铁碳相图和铁炭合金.doc

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1、铁碳相图和铁炭合金钢与铸铁是现代工业中应用最广泛的合金，其基本组成主要是铁和碳两大元素，若了解钢和铁时，首先必须知道简单的铁碳二元合金的组织与性能。铁与碳可以形成Fe3C，Fe2C，FeC等多种稳定化合物，但含碳量大于5％的铁碳合金在工业上没有应用价值，所以在研究铁碳合金时，仅讨论Fe-Fe3C部分。下面我们要讲的铁碳相图，实际上也就是Fe-Fe3C状态图。碳在铁碳合金中以两种方式存在，即渗碳体(Fe3C)或石墨。本章仅分析Fe-Fe3C相图。1.铁碳相图和铁碳合金a.纯铁：纯铁溶点为1538℃，温度变化时会发生同素异构变化。在9

2、12℃以下为体心立方，称α铁(α-Fe)；912℃--1394℃之间为面心立方体，称为γ铁(γ-Fe)；在1394℃--1538℃(熔点)之间为体心立方被称为δ铁(δ-Fe)。b.铁的固溶体：碳溶解于α铁或δ铁中形成的固溶体称为铁素体，用α或δ表示。碳在铁素体中最大溶解度为0.0218％。碳溶解于γ铁中形成的固溶体称为奥氏体，用γ表示。碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％。c.渗碳体(Fe3C)：渗碳体具有复杂的斜方结构，它的硬度很高，塑性几乎为零，属脆硬相。渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状、网状、板状。它是钢中主要的强化相。它的

3、量、形态、分布都对钢的性能影晌很大，这一点非常重要，请大家务必注意！22.铁碳合金的平衡凝固：通常以含碳量的多少来区分钢和铸铁。含碳量在0.0218-2.11％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11％的铁碳合金称为铸铁。含碳量小于0.0218％的铁碳合金则为工业纯铁。下面让我们对照着铁碳相图，分析与我们有关的几条线，a.共析钢(0.77％C，线3)合金在1-2点温度发生晶体转变L-γ，结晶出奥氏体。到2点温度结晶完成。2-3点为单相奥聂氏体。在3点温度(727℃)发生共析转变，由γ奥氏体转变成为珠光体αp+Fe3C，一般用P表示。珠

4、光体是铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体中的铁素体为88％，渗碳体为12％。b.亚共析钢(0.0218-0.77％C，线2)合金在1-2点温度发生转变L-δ，结晶出铁素体，在2点温度(1495℃)后仍有液相剩余，在2-3点温度，剩余的液相转变为L-γ。在3点温度，合金全部为奥氏体。单相奥氏体冷却到4点温度开始析出铁素体α。随温度下降铁素体不断增多，当温度达到5点(727℃)时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77％，发生共析转变成珠光体。在5点温度以下该合金的室温组织为铁素体加珠光体α+P。其金相仍为铁素体和渗碳体两相。c.过共析钢(0

5、.77-2.11％C，线4)合金在1-2温度发生转变L-γ，结晶出奥氏体。在2点凝固完成，合金为单一奥氏体，直到3点开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4点为止。最后得到的组织是珠光体和二次渗碳体(P+Fe3CИ)。钢的热处理钢奥氏体化后冷却至室温时的力学性能，不仅与加热时奥氏体状态有关，而且在很大程度上取决于冷却时转变产物的类型和组织状态。冷却方式和冷却速度对转变产物的类型和组织状态有很大影晌，所以，冷却过程决定着钢固态转变后的组织与性能。在生产中通过加热、保温和冷却，使钢发生固态转变，借此改变其内部组织结构，从而达到改善力学性能

6、的目的的操作过程和工艺方法就称为热处理。热处理分为常规热处理和化学热处理二大类，热处理-常说的热处理就是人们俗称的“三把火”，即淬火、回火、退火。1.淬火：将钢(铁碳合金)加热到PSK相变线温度(727℃)以上，钢的内部组织由铁素体加渗碳体(Fe3C)转变为奥氏体，此时的渗碳体呈细密的针状，称为针状马氏体，再将钢快速冷却，使其内部的马氏体组织固化，淬火的作用是获得硬而耐磨的材料性能，满足机械零件性能的需要。优质碳素结构钢的淬火温度一般在PSK线以上100-150℃，在水中急速冷却；合金结构钢淬火温度820-940℃，在油中冷却，只

7、有极少数合金钢是高温淬火而在空气中冷却，如15CrMo、25Cr2Mo1VA等。2.退火：将钢、铸铁件加热到300-500℃保温一段时间后，再随炉冷却，以得到稳定的内部组织结构和较好的塑性及加工性能。3.回火：将淬火后的钢件、弹性零件加热到200-600℃后，在水、油或空气中冷却，用于消除淬火应力或其他机械应力，调整零件的硬度值和钢度值(弹性元件)，淬火后的零件必须回火，否则极易脆断。回火分低温回火(200℃)；中温回火(200-400℃)；高温回火(400-600℃)。碳素结构钢多用高温回火，也就是人们常说的调质处理(淬火+高温

8、回火)，合金结构钢按其所含合金元素不同回火温度范围较宽，从200-600℃，特殊的几种合金钢的回火温度很高，如CrMnV钢的回火温度高达700-750℃，但必须是在空气中冷却。