淺析鐵碳合金相圖意義

黎金琴

(咸寧職業(yè)技術學院，湖北　咸寧　437100)

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淺析鐵碳合金相圖意義

黎金琴

(咸寧職業(yè)技術學院，湖北咸寧437100)

摘要：熟練繪制鐵碳合金相圖，對掌握鐵碳合金的應用具有指導性作用。通過鐵碳合金相圖迅速填出每個相區(qū)的組織。為后續(xù)熱處理、毛坯三種成型的學習做好準備。同時，是學習其他合金材料合金系熱處理的基礎。不論是在機械工程材料，還是在食品材料以及其他工程材料領域，熱處理是必備環(huán)節(jié)。因此，學會繪制、分析鐵碳合金相圖有著深遠意義，也是學生走向熱處理行業(yè)后的指導思想。

關鍵詞：鐵碳合金；鐵碳合金的繪制 ；鐵碳合金的應用

鐵碳合金相圖是機械類專業(yè)課《工程材料與熱處理》中主要內容之一，簡單的一個圖卻包含非常豐富意義。對于在校學生來講，首先，能夠迅速繪制鐵碳合金相圖是基本要求；其次，能夠通過鐵碳合金相圖分析鑄鐵、鑄鋼材料的熱處理實際情況。再次，為后續(xù)學習毛坯的三種成型夯實基礎，尤其是鍛壓技術。全面掌握鐵碳合金相圖，為學生將來走上熱處理行業(yè)有著深遠影響。

一、如何迅速繪制鐵碳合金相圖

運用學生現(xiàn)已學習過的AutoCAD軟件技術繪制，粗實線條設置邊框內部實線，虛線對應碳含量。

X水平線代表碳含量，Y1縱坐標代表純鐵溫度，Y2縱坐標代表滲碳體(Fe3C)溫度。

1.五個特殊點

如圖1，A點是純鐵熔點溫度1 538℃。D點代表滲碳體(Fe3C)熔點溫度1 227℃。C點代表Fe與Fe3C的共晶溫度1 148℃。在此點溫度處，鐵碳合金液開始從液體狀態(tài)結晶成固體，結晶組織為高溫萊氏體(Ld)。S點代表奧氏體到共析溫度727℃ ，共析出珠光體(P)。G點代表同素異構轉變點，在G點隨著溫度的降低由原來γ-Fe的面心立方晶格的奧氏體A轉換成α-Fe的體心立方晶格的鐵素體F。如表1：

圖　1

A點D點C點S點G點153812271148727912

2.特殊線

圖2連接ECF線，共晶溫度線，溫度降低到1 148℃時，在ECF線以下結晶出高溫萊氏體Ld。由原來的液體或者液固共存體轉換成機械混合物高溫萊氏體Ld。連接FSK線，共析溫度線，溫度降低到727℃時，奧氏體A轉換成珠光體P。此時，固體組織晶粒更細，晶界更多，力學性能有了很大的提高。連接ACD線，其是液相線，在ACD以上鐵碳合金是液體狀態(tài)。隨著溫度的降低，連接GS線，由奧氏體A轉換成鐵素體F的開始線，連接GP線，由奧氏體A轉換成鐵素體F的終了線。連接ES線，為碳在奧氏體中溶解度曲線。E點為碳C在奧氏體A中最大溶解度點。如表2：

圖　2

ECF線共晶溫度線FSK線共析溫度線ACD線液相線GS線奧氏體A轉換成鐵素體F的開始線GP線奧氏體A轉換成鐵素體F的終了線

3.在各相區(qū)填上相關組織

圖　3

從圖3可以看出，溫度降低到室溫如下：F→F+P→P→P+Fe3C→P+ Fe3C+Ld′→Ld′Fe3C； 室溫組織隨著含碳量的增加，室溫組織在不斷變化，其力學性能也有所不同。因此，在實際生產中，可以根據(jù)實際生產要求，來獲得不同組織，以滿足不同力學性能、物理性能、化學性能、加工性能等不同需求。

二、鐵碳合金分類

含碳量在2.11%時，作為鑄鐵和碳鋼的黃金分割點。 碳含量在2.11%之前為碳鋼。碳含量在2.11%之后為鑄鐵。而碳含量在0.0218%至0.77%之間稱為亞共析鋼，0.77%至2.11%之間稱為過共析鋼。含碳量為2.11%為共析鋼。碳含量在2.11%至4.3%，稱為亞共晶白口鑄鐵，碳含量在4.3%至6.69%之間稱為過共晶白口鑄鐵。碳含量在4.3%為共晶白口鑄鐵。如表3：

表3　鐵碳合金分類

三、鐵碳合金的結晶過程分析

圖　4

從圖4可以得出以下結論：

(1)當碳含量C=4.3%時，隨溫度的降低，鐵碳合金的結晶過程為：L→Ld(1 148℃)→Ld′(727℃以下)；

(2)當碳含量0.021 8%～0.77%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L+ A→A→A+F→F+P；

(3)當碳含量0.77%～2.11%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L+ A→A→A+ Fe3C →P+ Fe3C ；

(4)當碳含量2.11%～4.3%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L+ A→A+ Fe3C + Ld→P+ Fe3C + Ld；

(5)當碳含量C=0.77%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L+ A→A →P；

(6)當碳含量4.3%～6.69%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為： L→L+ Fe3C→L+ Ld→L+ Ld′ 。

四、鐵碳合金相圖的應用

毛坯成型方法有：鑄造、焊接、鍛壓。其中鍛壓是這三種毛坯成型中綜合力學性能最好的一種。鍛壓工藝是將坯料加熱至奧氏體區(qū)域，使其有良好的塑性和低的抗變形性能，在施加外力的情況下改變其尺寸、結構、力學性能的加工方法。在這里可以知道，鍛壓是碳鋼在完全奧氏體化的情況下，其塑性好，有較低的抗變形能力。因此，要使其完全奧氏體化，其溫度控制合理，才能夠達到要求。從圖4看線1、線3，分別代表的是亞共析鋼、過共析鋼組織隨溫度變化其性能會改變的情況。當亞共析鋼加熱到727℃時，P開始向A轉變。當繼續(xù)加熱至GS的交點a時，F(xiàn)完全轉變成A了。此時，塑性變形能力較好，抗變形能力小。溫度繼續(xù)上升，其塑性變形會有提高，但是溫度過高，施加壓力過程中，會使坯料表面產生加工硬化，同時會伴隨有脫碳現(xiàn)象。因此，一般將始鍛溫度控制在固相線以下200℃左右。終端溫度控制在PSK線以上60℃左右。合理控制好鍛壓溫度，既可以保證坯料有良好的鍛壓性能，能夠滿足預期形狀、尺寸精度要求。同時，可以避免加工硬化帶來的內應力裂紋、脫碳現(xiàn)象。

從圖3可看出，鐵碳合金由含碳量不同被分為碳鋼、鑄鐵兩大類材料，鑄鐵的鑄造性能好，強度硬度高屬脆性材料。碳鋼鑄造性能一般，但綜合力學性能較鑄鐵好。因此，對于結構復雜又承受靜載荷零件選擇鑄鐵。對于形狀復雜而又要求有一定力學性能承受一定量動載荷的零件，可以考慮用碳鋼，或者合金鋼。

五、結語

通過對鐵碳合金相圖的熟練繪制，對理解熱處理及三種毛坯成型有著深遠的指導意義。從圖1可以看出不同溫度范圍、不同碳含量適合不同加工方法。在室溫下，所得到的組織也隨含碳量的不同其力學性能也有所改變。掌握繪制并能熟練分析各種熱處理問題及三種毛坯成型方法對學生今后走上工作崗位有著重要意義。同時，熟練掌握鐵碳合金相圖對其他合金熱處理分析有類似理論指導作用。例如建筑材料、食品加工金屬材料、機械工程材料等各種性能改變的熱處理技術都有著指導大綱的作用。

參考文獻：

[1]孫志強.機械制造基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]王堯杰.修淑英鐵碳合金的繪制[J] .新技術新工藝，2011,(8).

文獻標識碼：A

中圖分類號：TH142.1

基金項目：湖北省咸寧職業(yè)技術學院院級指導性課題“合理安排熱處理改變材料sk5、sks51力學性能的研究”階段性成果(2015D007)

收稿日期：2015-10-17

文章編號：2095-4654(2016)01-0015-03