基于工作過程的鐵碳合金相圖應用

田欣+肖志勇+孔慶玲+劉春玲

摘要鐵碳合金相圖是機械制造應用過程中的重點。本文根據鐵碳合金相圖的原理簡單介紹了在工作過程中鐵碳合金相圖的一些應用方法。

關鍵詞鐵碳合金相圖應用材料

Abstract：Iron carbon alloy phase diagram is the focus in the application process of mechanical manufacturing. According to the principle of the iron carbon alloy phase diagram and introduces some methods in the process of iron carbon alloy phase diagram.

Keyword: Iron carbon alloy phase diagram；application；material

0引言

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。

1利用相圖求材料各相的相對量

例：如圖所示Pb-Sn合金相圖，已知含Sn量40%的合金冷卻至200 ℃時L相與α相的相對量。

圖1Pb-Sn合金相圖解: 利用杠桿定理:

如圖以40%Sn為支點(O1 點) , 以L含Sn量60% (B1點) 及α含Sn 量18% (C1 點) 為兩端點得:

α%×C1O1=L%×O1B1(1)

α%+L%=1(2)

合并（1）、（2）方程得：

L%=C1O1/C1B1

=(40-18)/(60-18)

≈524%

α%=476%

但是需要注意的是，杠桿定理只適用于相圖中的兩相區。如液—固, 固—固兩相區, 三相共存區無法用, 單相區無需用。那么, 有三種組織組成物的典型合金求相對含量則需兩次應用杠桿定理即可。

2在選材方面的應用

鐵碳合金相圖總結了組織成分的變化規律。根據組織就可以大致判斷出力學性能，從而可以合理地選擇材料。如表1所示。

表1不同工作條件的選材范圍

工作條件選材（含碳量）塑性高、韌性好的各種型材和建筑結構小于0.25%的鋼承受沖擊載荷，以及要求較高強度、塑性和韌性的機器零件025%～055%的鋼耐磨性好、硬度高的各種工模具大于055%的鋼形狀復雜、不受沖擊，要求耐磨的鑄件白口鑄鐵3制定加工工藝方面的應用

鐵碳合金相圖總結了不同成分合金在緩慢加熱和冷卻時組織變化的規律，這就為制定熱加工工藝提供了依據。

（1）鑄造方面的應用

按鐵碳合金相圖可確定合適的澆注溫度，一般在液相線以上50～100 ℃。另外由相圖可知，共晶成分的合金結晶溫度最低，結晶區間最小，故可推知它們的流動性好，分散縮孔少，可得到致密的鑄件。因此，在鑄造生產中，接近于共晶成分的鑄鐵就能得到較廣泛的應用。

（2）鍛、軋方面的應用

室溫時碳鋼是由鐵素體和滲碳體組成的雙相組織，塑性較差，變形也不均勻，只有將其加熱到單相奧氏體狀態，才能有較好的塑性，易于塑性變形。溫度越高，塑性愈好，愈易產生塑性變形。因此，鋼材在進行鍛造和軋制時，要將坯料加熱到單相奧氏體溫度范圍。一般始鍛軋溫度控制在固相線以下100～200 ℃范圍內，溫度不宜過高，以免鋼材氧化嚴重；而終鍛軋溫度,對于亞共析鋼應控制在稍高于GS線以上；對于過共析鋼應控制在稍高于PSK線以上，溫度不能過低，以免使鋼材產生加工硬化，塑性變形，導致產生裂紋。

（3）焊接方面的應用

焊接過程，焊縫處在熔融狀態，從焊縫到母材各區域溫度變化是不同的，把它與相圖上的相應溫度區域對照比較，就可知道其組織狀態和性能情況，在隨后的冷卻中，也可出現不同的組織和性能變化，這就常需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。相圖為焊接和焊后的熱處理工藝提供了依據。

（4）熱處理方面的應用

由鐵碳合金相圖可知，在固態加熱或冷卻過程中均有相的變化，故鋼和鑄鐵可以進行退火、正火、淬火和回火等熱處理。如表2所示。表2不同熱處理方法的應用

熱處理加熱溫度冷卻方法應用范圍退火完全退火加熱到Accm冷卻至600 ℃左右時將工件出爐空冷亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結構件等溫退火加熱到Ac3（或Ac1）溫度以上較快的冷卻到Ar1以下的某個溫度并在此溫度等溫停留，然后在空氣中冷卻處理高碳鋼、合金工具鋼和高合金鋼球化退火加熱到Ac1以上20～40 ℃隨爐冷卻至室溫降低硬度，如T10鋼經球化退火后，硬度由HBS255~321降到小于HBS197均勻化退火加熱到Ac3以上150～250 ℃緩慢冷卻質量要求高的優質合金鋼鑄錠和鑄件去應力退火500～650 ℃隨爐緩慢冷卻至300~200 ℃出爐空冷消除鑄件、鍛件、焊件的內應力，穩定尺寸正火加熱到Ac3（或Ac1）溫度以上30～50 ℃空氣中冷卻細化晶粒，調整硬度，消除網狀滲碳體，為后續加工、球化退火及淬火等做好組織準備淬火加熱到Ac3以上30～50 ℃快速冷卻回火低溫回火150~250 ℃冷卻到室溫高碳鋼和合金鋼制作的刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳以及表面淬火的零件中溫回火350~500 ℃冷卻到室溫各種彈簧和模具高溫回火500~650 ℃冷卻到室溫各種重要的結構零件，特別是在交變載荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等，也可作為某些精密零件的預先熱處理4結語

鐵碳合金相圖內容理論性較強而且比較抽象，但是在實際工作中應用比較廣泛，本文在求相對量、選材和制定加工工藝方面介紹了鐵碳合金相圖的應用，希望能為制造也提供一定的依據。

參考文獻：

[1]史美堂.金屬材料及熱處理［M］.上海：上海科學技術出版社，1980：42-45，66-67.

[2]朱莉.機械工程材料［M］.北京：機械工業出版社，2008：45-48.

[3]許德珠.機械工程材料［M］.北京：高等教育出版社，1992：64-76.

[4]張至豐.金屬工藝學［M］.北京：機械工業出版社，2005：34-56.（05）

endprint

摘要鐵碳合金相圖是機械制造應用過程中的重點。本文根據鐵碳合金相圖的原理簡單介紹了在工作過程中鐵碳合金相圖的一些應用方法。

關鍵詞鐵碳合金相圖應用材料

Abstract：Iron carbon alloy phase diagram is the focus in the application process of mechanical manufacturing. According to the principle of the iron carbon alloy phase diagram and introduces some methods in the process of iron carbon alloy phase diagram.

Keyword: Iron carbon alloy phase diagram；application；material

0引言

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。

1利用相圖求材料各相的相對量

例：如圖所示Pb-Sn合金相圖，已知含Sn量40%的合金冷卻至200 ℃時L相與α相的相對量。

圖1Pb-Sn合金相圖解: 利用杠桿定理:

如圖以40%Sn為支點(O1 點) , 以L含Sn量60% (B1點) 及α含Sn 量18% (C1 點) 為兩端點得:

α%×C1O1=L%×O1B1(1)

α%+L%=1(2)

合并（1）、（2）方程得：

L%=C1O1/C1B1

=(40-18)/(60-18)

≈524%

α%=476%

但是需要注意的是，杠桿定理只適用于相圖中的兩相區。如液—固, 固—固兩相區, 三相共存區無法用, 單相區無需用。那么, 有三種組織組成物的典型合金求相對含量則需兩次應用杠桿定理即可。

2在選材方面的應用

鐵碳合金相圖總結了組織成分的變化規律。根據組織就可以大致判斷出力學性能，從而可以合理地選擇材料。如表1所示。

表1不同工作條件的選材范圍

工作條件選材（含碳量）塑性高、韌性好的各種型材和建筑結構小于0.25%的鋼承受沖擊載荷，以及要求較高強度、塑性和韌性的機器零件025%～055%的鋼耐磨性好、硬度高的各種工模具大于055%的鋼形狀復雜、不受沖擊，要求耐磨的鑄件白口鑄鐵3制定加工工藝方面的應用

鐵碳合金相圖總結了不同成分合金在緩慢加熱和冷卻時組織變化的規律，這就為制定熱加工工藝提供了依據。

（1）鑄造方面的應用

按鐵碳合金相圖可確定合適的澆注溫度，一般在液相線以上50～100 ℃。另外由相圖可知，共晶成分的合金結晶溫度最低，結晶區間最小，故可推知它們的流動性好，分散縮孔少，可得到致密的鑄件。因此，在鑄造生產中，接近于共晶成分的鑄鐵就能得到較廣泛的應用。

（2）鍛、軋方面的應用

室溫時碳鋼是由鐵素體和滲碳體組成的雙相組織，塑性較差，變形也不均勻，只有將其加熱到單相奧氏體狀態，才能有較好的塑性，易于塑性變形。溫度越高，塑性愈好，愈易產生塑性變形。因此，鋼材在進行鍛造和軋制時，要將坯料加熱到單相奧氏體溫度范圍。一般始鍛軋溫度控制在固相線以下100～200 ℃范圍內，溫度不宜過高，以免鋼材氧化嚴重；而終鍛軋溫度,對于亞共析鋼應控制在稍高于GS線以上；對于過共析鋼應控制在稍高于PSK線以上，溫度不能過低，以免使鋼材產生加工硬化，塑性變形，導致產生裂紋。

（3）焊接方面的應用

焊接過程，焊縫處在熔融狀態，從焊縫到母材各區域溫度變化是不同的，把它與相圖上的相應溫度區域對照比較，就可知道其組織狀態和性能情況，在隨后的冷卻中，也可出現不同的組織和性能變化，這就常需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。相圖為焊接和焊后的熱處理工藝提供了依據。

（4）熱處理方面的應用

由鐵碳合金相圖可知，在固態加熱或冷卻過程中均有相的變化，故鋼和鑄鐵可以進行退火、正火、淬火和回火等熱處理。如表2所示。表2不同熱處理方法的應用

熱處理加熱溫度冷卻方法應用范圍退火完全退火加熱到Accm冷卻至600 ℃左右時將工件出爐空冷亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結構件等溫退火加熱到Ac3（或Ac1）溫度以上較快的冷卻到Ar1以下的某個溫度并在此溫度等溫停留，然后在空氣中冷卻處理高碳鋼、合金工具鋼和高合金鋼球化退火加熱到Ac1以上20～40 ℃隨爐冷卻至室溫降低硬度，如T10鋼經球化退火后，硬度由HBS255~321降到小于HBS197均勻化退火加熱到Ac3以上150～250 ℃緩慢冷卻質量要求高的優質合金鋼鑄錠和鑄件去應力退火500～650 ℃隨爐緩慢冷卻至300~200 ℃出爐空冷消除鑄件、鍛件、焊件的內應力，穩定尺寸正火加熱到Ac3（或Ac1）溫度以上30～50 ℃空氣中冷卻細化晶粒，調整硬度，消除網狀滲碳體，為后續加工、球化退火及淬火等做好組織準備淬火加熱到Ac3以上30～50 ℃快速冷卻回火低溫回火150~250 ℃冷卻到室溫高碳鋼和合金鋼制作的刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳以及表面淬火的零件中溫回火350~500 ℃冷卻到室溫各種彈簧和模具高溫回火500~650 ℃冷卻到室溫各種重要的結構零件，特別是在交變載荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等，也可作為某些精密零件的預先熱處理4結語

鐵碳合金相圖內容理論性較強而且比較抽象，但是在實際工作中應用比較廣泛，本文在求相對量、選材和制定加工工藝方面介紹了鐵碳合金相圖的應用，希望能為制造也提供一定的依據。

參考文獻：

[1]史美堂.金屬材料及熱處理［M］.上海：上海科學技術出版社，1980：42-45，66-67.

[2]朱莉.機械工程材料［M］.北京：機械工業出版社，2008：45-48.

[3]許德珠.機械工程材料［M］.北京：高等教育出版社，1992：64-76.

[4]張至豐.金屬工藝學［M］.北京：機械工業出版社，2005：34-56.（05）

endprint

摘要鐵碳合金相圖是機械制造應用過程中的重點。本文根據鐵碳合金相圖的原理簡單介紹了在工作過程中鐵碳合金相圖的一些應用方法。

關鍵詞鐵碳合金相圖應用材料

Abstract：Iron carbon alloy phase diagram is the focus in the application process of mechanical manufacturing. According to the principle of the iron carbon alloy phase diagram and introduces some methods in the process of iron carbon alloy phase diagram.

Keyword: Iron carbon alloy phase diagram；application；material

0引言

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。

1利用相圖求材料各相的相對量

例：如圖所示Pb-Sn合金相圖，已知含Sn量40%的合金冷卻至200 ℃時L相與α相的相對量。

圖1Pb-Sn合金相圖解: 利用杠桿定理:

如圖以40%Sn為支點(O1 點) , 以L含Sn量60% (B1點) 及α含Sn 量18% (C1 點) 為兩端點得:

α%×C1O1=L%×O1B1(1)

α%+L%=1(2)

合并（1）、（2）方程得：

L%=C1O1/C1B1

=(40-18)/(60-18)

≈524%

α%=476%

但是需要注意的是，杠桿定理只適用于相圖中的兩相區。如液—固, 固—固兩相區, 三相共存區無法用, 單相區無需用。那么, 有三種組織組成物的典型合金求相對含量則需兩次應用杠桿定理即可。

2在選材方面的應用

鐵碳合金相圖總結了組織成分的變化規律。根據組織就可以大致判斷出力學性能，從而可以合理地選擇材料。如表1所示。

表1不同工作條件的選材范圍

工作條件選材（含碳量）塑性高、韌性好的各種型材和建筑結構小于0.25%的鋼承受沖擊載荷，以及要求較高強度、塑性和韌性的機器零件025%～055%的鋼耐磨性好、硬度高的各種工模具大于055%的鋼形狀復雜、不受沖擊，要求耐磨的鑄件白口鑄鐵3制定加工工藝方面的應用

鐵碳合金相圖總結了不同成分合金在緩慢加熱和冷卻時組織變化的規律，這就為制定熱加工工藝提供了依據。

（1）鑄造方面的應用

按鐵碳合金相圖可確定合適的澆注溫度，一般在液相線以上50～100 ℃。另外由相圖可知，共晶成分的合金結晶溫度最低，結晶區間最小，故可推知它們的流動性好，分散縮孔少，可得到致密的鑄件。因此，在鑄造生產中，接近于共晶成分的鑄鐵就能得到較廣泛的應用。

（2）鍛、軋方面的應用

室溫時碳鋼是由鐵素體和滲碳體組成的雙相組織，塑性較差，變形也不均勻，只有將其加熱到單相奧氏體狀態，才能有較好的塑性，易于塑性變形。溫度越高，塑性愈好，愈易產生塑性變形。因此，鋼材在進行鍛造和軋制時，要將坯料加熱到單相奧氏體溫度范圍。一般始鍛軋溫度控制在固相線以下100～200 ℃范圍內，溫度不宜過高，以免鋼材氧化嚴重；而終鍛軋溫度,對于亞共析鋼應控制在稍高于GS線以上；對于過共析鋼應控制在稍高于PSK線以上，溫度不能過低，以免使鋼材產生加工硬化，塑性變形，導致產生裂紋。

（3）焊接方面的應用

焊接過程，焊縫處在熔融狀態，從焊縫到母材各區域溫度變化是不同的，把它與相圖上的相應溫度區域對照比較，就可知道其組織狀態和性能情況，在隨后的冷卻中，也可出現不同的組織和性能變化，這就常需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。相圖為焊接和焊后的熱處理工藝提供了依據。

（4）熱處理方面的應用

由鐵碳合金相圖可知，在固態加熱或冷卻過程中均有相的變化，故鋼和鑄鐵可以進行退火、正火、淬火和回火等熱處理。如表2所示。表2不同熱處理方法的應用

熱處理加熱溫度冷卻方法應用范圍退火完全退火加熱到Accm冷卻至600 ℃左右時將工件出爐空冷亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結構件等溫退火加熱到Ac3（或Ac1）溫度以上較快的冷卻到Ar1以下的某個溫度并在此溫度等溫停留，然后在空氣中冷卻處理高碳鋼、合金工具鋼和高合金鋼球化退火加熱到Ac1以上20～40 ℃隨爐冷卻至室溫降低硬度，如T10鋼經球化退火后，硬度由HBS255~321降到小于HBS197均勻化退火加熱到Ac3以上150～250 ℃緩慢冷卻質量要求高的優質合金鋼鑄錠和鑄件去應力退火500～650 ℃隨爐緩慢冷卻至300~200 ℃出爐空冷消除鑄件、鍛件、焊件的內應力，穩定尺寸正火加熱到Ac3（或Ac1）溫度以上30～50 ℃空氣中冷卻細化晶粒，調整硬度，消除網狀滲碳體，為后續加工、球化退火及淬火等做好組織準備淬火加熱到Ac3以上30～50 ℃快速冷卻回火低溫回火150~250 ℃冷卻到室溫高碳鋼和合金鋼制作的刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳以及表面淬火的零件中溫回火350~500 ℃冷卻到室溫各種彈簧和模具高溫回火500~650 ℃冷卻到室溫各種重要的結構零件，特別是在交變載荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等，也可作為某些精密零件的預先熱處理4結語

鐵碳合金相圖內容理論性較強而且比較抽象，但是在實際工作中應用比較廣泛，本文在求相對量、選材和制定加工工藝方面介紹了鐵碳合金相圖的應用，希望能為制造也提供一定的依據。

參考文獻：

[1]史美堂.金屬材料及熱處理［M］.上海：上海科學技術出版社，1980：42-45，66-67.

[2]朱莉.機械工程材料［M］.北京：機械工業出版社，2008：45-48.

[3]許德珠.機械工程材料［M］.北京：高等教育出版社，1992：64-76.

[4]張至豐.金屬工藝學［M］.北京：機械工業出版社，2005：34-56.（05）

endprint