鐵碳合金相圖的工業(yè)應(yīng)用

于澤權(quán)　秦?zé)?/p>

摘 要：鐵碳合金相圖反映了鐵碳合金的成分、溫度、組織三者之間的關(guān)系。利用鐵碳相圖可以制定各種熱加工及熱處理工藝的加熱溫度，還可以通過它分析鋼鐵材料的性能，它是研究鋼鐵的重要理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鐵碳合金相圖；成分組織；性能；淬透性

鐵碳合金相圖是研究鋼鐵的重要理論基礎(chǔ)，它反映了平衡狀態(tài)下鐵碳合金的成分、溫度、組織三者之間的關(guān)系。在材料選擇方面的應(yīng)用由鐵碳合金相可見，鐵碳合金相圖從客觀上反映了鋼鐵材料的組織隨成分和溫度變化的規(guī)律，因此在工程上為選材、用材及制定鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝提供了重要的理論依據(jù)。能夠確定含碳量已知的合金在任意溫度下的平衡狀態(tài)，鐵碳合金相圖反映的是平衡狀態(tài)下鐵碳合金的懲罰、溫度、組織三者之間的關(guān)系，因而可以利用相圖來確定合金在某一溫度下的顯微組織。

一、制定加工工藝方面的應(yīng)用

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

（一）鍛、軋方面。在鍛壓生產(chǎn)上的應(yīng)用鋼在室溫時的組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難，只有將其加熱到單相奧氏體狀態(tài)，才具有較低的強(qiáng)度，較好的塑性和較小的變形抗力，易于鍛壓成形。因此，在進(jìn)行鍛壓或熱軋加工時，要把坯料加熱到奧氏體狀態(tài)。加熱溫度不宜過高，以免鋼材氧化燒損嚴(yán)重，但變形的終止溫度也不宜過低，過低的溫度除了增加能量的消耗和設(shè)備的負(fù)擔(dān)外，還會因塑性的降低而導(dǎo)致開裂。所以，各種碳鋼較合適的鍛軋加熱溫度范圍是：變形開始溫度為1150～1200℃；變形終止溫度為750～850℃。

（二）焊接方面。在焊接生產(chǎn)上的應(yīng)用焊接時，由于局部區(qū)域被快速加熱，故從焊縫到母材各處的溫度足不同的。溫度不同，冷卻后的組織性能就不同，為了獲得均勻一致的組織性能，就需要通過焊后熱處理來調(diào)整和改善。

（三）切削方面。金屬切削加工是切削工具將坯料或工件上多余的材料切除，以獲得所要求的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的方法。在鐵碳合金相圖中，根據(jù)含碳量，鋼分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。一般認(rèn)為中碳鋼比較適合以切削，160—230HBS切削加工性能是最好的。含碳量低，容易出現(xiàn)粘刀；含碳量過高，材料堅(jiān)硬不好切割。

（四）熱處理方面。從熱處理生產(chǎn)上的應(yīng)用，鐵碳合金在固態(tài)加熱或冷卻過程中均有相的變化，所以鋼和鑄鐵可以進(jìn)行有相變的淬火、退火、正火和回火等熱處理。此外，奧氏體具有溶解碳及其他合金元素的能力，而且溶解度隨溫度的提高而增加，這就是鋼可以進(jìn)行滲碳和其他化學(xué)熱處理的緣故。熱處理加工工藝，是根據(jù)鐵碳合金相圖擬定淬火、退火、正火等各種熱處理加熱規(guī)范，在金屬加工中有著特別重要的意義。著重強(qiáng)調(diào)最重要的是最初熱處理即退火、正火。而淬火、回火是最終處理。在鐵碳合金相圖中，指出退火是適當(dāng)?shù)臏囟燃訜?，保持一定的時間，緩慢冷卻的過程。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻的過程，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，對一些要求不高的零件作為最終的處理。淬火是將鋼加熱AC3或AC1以上，30—50℃保溫一定時間，進(jìn)行水冷的過程，獲得的是馬氏體組織?；鼗鹗菍⒋慊鸷蟮匿摷诟哂谑覝囟陀?50℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長時間的保溫，在進(jìn)行冷卻的過程，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火、回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。

二、在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用

參照F-Fe3C相圖可以確定鋼鐵的澆注溫度，通常澆注溫度應(yīng)在液相線以上50—60℃為宜。在所有成分的合金中，以共品成分的白口鐵和純鐵鑄造工藝性能最好，這是因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)晶溫度區(qū)間最?。榱悖?，故流動性好，得到質(zhì)量好的致密鑄件。因此，在鑄造生產(chǎn)中接近共晶成分的鑄鐵得到了較為廣泛的應(yīng)用。此外，鑄鋼也是常用的一種鑄造合金。由于其熔點(diǎn)高，結(jié)晶溫度區(qū)間較大，故鑄造工藝性能比鑄鐵差，常需經(jīng)過熱處理后才能使用。鑄鋼主要用于制造一些形狀復(fù)雜，強(qiáng)度和韌性要求較高的零件。

三、在選材方面的應(yīng)用

由鐵碳合金相可見，鐵碳合金中隨著含碳量的不同，其平衡組織各不相同，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能不同，因此就可以根據(jù)零件的不同性能要求來合理地選擇材料。例如，低碳的亞共析鋼。對工作中承受沖擊載荷和要求較高強(qiáng)度的各種機(jī)械零件，要求強(qiáng)度和韌性都比較好，可選用中碳的亞共析鋼。制造各種切削工具、模具及量具時，需要高的硬度、耐磨性，可選用高碳的共析、過共析鋼。對于形狀復(fù)雜的箱體、機(jī)器底座等可選用熔點(diǎn)低、流動性好的鑄鐵材料。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對鋼鐵材料的要求更高，因此鐵碳合金相圖可作為材料研制中，預(yù)測其組織的基本依據(jù)。還可在碳鋼中加入合金改變共析點(diǎn)的位置，從而提高鋼的硬度和強(qiáng)度。

四、生產(chǎn)實(shí)踐中使用Fe、Fe3C相圖應(yīng)注意的問題

（一）鐵碳合金像圖中唯有鐵碳兩種元素，生產(chǎn)實(shí)踐中使用的鐵碳合金鐵碳合金，除含鐵、碳兩種元素外，尚有其他多種雜質(zhì)或合金元素，這些元素對相圖將有所影響，應(yīng)特別注意加以

考慮。

（二）Fe、Fe3C相圖雖然表示了鐵碳合金在不同溫度下的組織狀態(tài)，但要特別注意的是，這種組織是以極慢冷卻速度不可能如此緩慢，在冷卻速度較快時，合金的臨界點(diǎn)極其冷卻后的組織與相圖所表示的會有所不同。

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