第三章 鐵碳合金相圖

1、第三章 鐵碳合金相圖非合金鋼（GBT 13304-91），將鋼分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三大類(lèi)和鑄鐵是應(yīng)用極其廣泛的重要金屬材料，都是以鐵為基主要由鐵和碳組成的鐵碳合金。了解鐵碳合金成分與組織、性能的關(guān)系，有助于我們更好地研究和使用鋼鐵材料。本章將著重討論鐵碳相圖及其應(yīng)用方面的一些問(wèn)題。鐵與碳可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等。Fe3C的含碳量為6.69，鐵碳合金含碳量超過(guò)6.69，脆性很大，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，所以本章討論的鐵碳相圖，實(shí)際是Fe-Fe3C相圖。相圖的兩個(gè)組元是Fe和Fe3C。3.1 Fe-Fe3C系合金的組元與基本相3.l.l 組元純鐵 Fe是過(guò)渡族元素，1個(gè)大

2、氣壓下的熔點(diǎn)為1538，20時(shí)的密度為7.87´103kg/m2。純鐵在不同的溫度區(qū)間有不同的晶體結(jié)構(gòu)（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變），即：a-Fe（體心） g-Fe（面心）工業(yè)純鐵的力學(xué)性能大致如下：抗拉強(qiáng)度sb=180230MPa，屈服強(qiáng)度s0.2100d-Fe（體心）170MPa，伸長(zhǎng)率d=3050，硬度為5080HBS?？梢?jiàn)，純鐵強(qiáng)度低，硬度低，塑性好，很少做結(jié)構(gòu)材料，由于有高的磁導(dǎo)率，主要作為電工材料用于各種鐵芯。Fe3C Fe3C是鐵和碳形成的間隙化合物，晶體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，通常稱(chēng)滲碳體，可用符號(hào)Cm表示。Fe3C具有很高的硬度但很脆，硬度約為9501050HV，抗拉強(qiáng)度sb=30MPa，

3、伸長(zhǎng)率d=0。3.1.2 基本相Fe-Fe3C相圖中除了高溫時(shí)存在的液相L，和化合物相Fe3C外，還有碳溶于鐵形成的幾種間隙固溶體相：高溫鐵素體 碳溶于d-Fe的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號(hào)d表示。 鐵素體 碳溶于a-Fe的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號(hào)a或F表示。F中碳的固溶度極小，室溫時(shí)約為0.0008,600時(shí)約為0.0057,在727時(shí)溶碳量最大，約為0.0218，但也不大，在后續(xù)的計(jì)算中，如果無(wú)特殊要求可忽略不計(jì)。力學(xué)性能與工業(yè)純鐵相當(dāng)。奧氏體 碳溶于g-Fe的間隙固溶體，面心立方晶格，用符號(hào)g或A表示。奧氏體中碳的固溶度較大，在1148時(shí)最大達(dá)2.11。奧氏體強(qiáng)度較低，硬度不

4、高，易于塑性變形。3.2 Fe-Fe3C相圖3.2.1 Fe-Fe3C相圖中各點(diǎn)的溫度、含碳量及含義Fe-Fe3C相圖及相圖中各點(diǎn)的溫度、含碳量等見(jiàn)圖3.1及表3.1所示。37圖3.1及表3.1中代表符號(hào)屬通用，一般不隨意改變。C, (重量) 圖3.1 Fe-Fe3C相圖表3.1相圖中各點(diǎn)的溫度、含碳量及含義Fe-Fe3C3.2.2.1 三個(gè)重要的特性點(diǎn)J點(diǎn)為包晶點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到1495時(shí)。B點(diǎn)成分的L與H點(diǎn)成分的d 發(fā)生包晶反應(yīng)，生成J點(diǎn)成分的A。包晶反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中L、d、A三AJ 或 L0.53+d0.09A0.17。 相共存，反應(yīng)式為：LB+dHC點(diǎn)為共晶點(diǎn)

5、合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到1148時(shí)。C點(diǎn)成分的L發(fā)生共晶反應(yīng)，生成E點(diǎn)成分的A和Fe3C。共晶反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中L、A、Fe3C三相共AE+Fe3C 或 L4.3A2.11+Fe3C。 存，反應(yīng)式為：LC共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是A與Fe3C的共晶混合物，稱(chēng)萊氏體，用符號(hào)Le表示，所以共晶反應(yīng)Le4.3。 式也可表達(dá)為： L4.3萊氏體組織中的滲碳體稱(chēng)為共晶滲碳體。在顯微鏡下萊氏體的形態(tài)是塊狀或粒狀A(yù)（727時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w）分布在滲碳體基體上。38S點(diǎn)為共析點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到727時(shí)S點(diǎn)成分的A發(fā)生共析反應(yīng)，生成P點(diǎn)成分的F和Fe3C。共析反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中A、F、Fe

6、3C三相共存，反應(yīng)式為：ASFP+Fe3C 或 A0.77F0.0218+Fe3C共析反應(yīng)的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱(chēng)珠光體，用符號(hào)P表示，因而共析反應(yīng)可簡(jiǎn)單表示為：A0.77P0.77P中的滲碳體稱(chēng)為共析滲碳體。在顯微鏡下P的形態(tài)呈層片狀。在放大倍數(shù)很高時(shí)，可清楚看到相間分布的滲碳體片（窄條）與鐵素體片（寬條）。P的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間，其機(jī)械性能如下：抗拉強(qiáng)度（sb） 770MPa延伸率（d） 2035沖擊韌性（ak） 3040J/cm2硬度（HB） 180kgf/mm2 3.2.2.2 相圖中的特性線相圖中的ABCD為液相線；AHJECF為固相線。水

7、平線HJB為包晶反應(yīng)線。碳含量0.090.53的鐵碳含金在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。水平線ECF為共晶反應(yīng)線。碳含量在2.116.69之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。水平線PSK為共析反應(yīng)線。碳含量0.02186.69之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK線在熱處理中亦稱(chēng)A1線。GS線是合金冷卻時(shí)自A中開(kāi)始析出F的臨界溫度線，通常稱(chēng)A3線。ES線是碳在A中的固溶線，通常稱(chēng)Acm線。由于在1148時(shí)A中溶碳量最大可達(dá)2.11，而在727時(shí)僅為0.77，因此碳含量大于0.77的鐵碳合金自1148冷至727的過(guò)程中，將從A中析出Fe3C。析出的滲碳體稱(chēng)為二次滲碳體

8、（Fe3CII）。Acm線亦是從A中開(kāi)始析出Fe3CII的臨界溫度線。PQ線是碳在F中的固溶線。在727時(shí)F中溶碳量最大可達(dá)0.0218，室溫時(shí)僅為0.0008，因此碳含量大于0.0008的鐵碳合金自727冷至室溫的過(guò)程中，將從F中析出Fe3C。析出的滲碳體稱(chēng)為三次滲碳體（Fe3CIII）。PQ線亦為從F中開(kāi)始析出Fe3CIII的臨界溫度線。Fe3CIII數(shù)量極少，往往可以忽略。下面分析鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程時(shí)，均忽略這一析出過(guò)程。3.3 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程根據(jù)Fe-Fe3C相圖，鐵碳含金可分為三類(lèi)： 工業(yè)純鐵(C£0.0218%)áCá0.77%)

9、6;ï亞共析鋼(0.0218%áC£2.11%)í共析鋼(C=0.77%) 鋼(0.0218%()ïî過(guò)共析鋼0.77áC£2.11ìï亞共晶白口鑄鐵(2.11%áCá4.3%) 白口鑄鐵(2.11%áCá6.69%)í共晶白口鑄鐵(C=4.3%) ïî過(guò)共晶白口鑄鐵(4.3%áCá6.69%)下面分別對(duì)以上七種典型鐵碳含金的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行分析。3.3.1 工業(yè)純鐵以含碳0.01的鐵碳合金為例，其冷卻曲線（如

10、圖3.2）和平衡結(jié)晶過(guò)程如下。合金在1點(diǎn)以上為液相L。冷卻至稍低于1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從L中結(jié)晶出d，至2點(diǎn)合金全 部結(jié)晶為d。從3點(diǎn)起，d逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳，至4點(diǎn)全部轉(zhuǎn)變完了。4-5點(diǎn)間A冷卻不變。自5點(diǎn)始，從A中析出F。F在A晶界處生核并長(zhǎng)大，至6點(diǎn)時(shí)A全部轉(zhuǎn)變?yōu)镕。在6-7點(diǎn)39間F冷卻不變。在7-8點(diǎn)間，從F晶界析出Fe3CIII。因此合金的室溫平衡組織為F+Fe3CIII。呈小白片狀分布于F晶界處。若忽略Fe3CIII，則組織全為F。 F呈白色塊狀；Fe3CIII量極少，圖3.2工業(yè)純鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖3.3.2 共析鋼其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過(guò)程如圖3.3所示。合金冷卻時(shí)，于1點(diǎn)起從L中結(jié)晶出A，至

11、2點(diǎn)全部結(jié)晶完了。在2-3點(diǎn)間A冷卻不變。至3點(diǎn)時(shí)，A發(fā)生共析反應(yīng)生成P。從3繼續(xù)冷卻至4點(diǎn)，P皆不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此共析鋼的室溫平衡組織全部為P，P呈層片狀。共析鋼的室溫組織組成物也全部是P，而組成相為F和Fe3C，它們的相對(duì)質(zhì)量為：6.69-0.77F%=´100%=88%;Fe3C%=1-F%=12% 6.69圖3.3 共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖3.3.3 亞共析鋼以含碳0.4的鐵碳含金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過(guò)程如圖3.4所示。d變?yōu)?.09合金冷卻時(shí)，從1點(diǎn)起自L中結(jié)晶出d，至2點(diǎn)時(shí)，L成分變?yōu)?.53C，C，發(fā)生包晶反應(yīng)生成A0.17，反應(yīng)結(jié)束后尚有多余的L。2點(diǎn)以下，自L中不斷

12、結(jié)晶出A，至3點(diǎn)合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳。在3-4點(diǎn)間A冷卻不變。從4點(diǎn)起，冷卻時(shí)由A中析出F，F(xiàn)在A晶界處優(yōu)先生核并長(zhǎng)大，而A和F的成分分別沿GS和GP線變化。至5點(diǎn)時(shí)，A的成分變?yōu)?.77C，F(xiàn)的成分變?yōu)?.0218C。此時(shí)A發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)镻，F(xiàn)不變化。從5繼續(xù)冷卻至6點(diǎn)，合金組織不發(fā)生變化，因此室溫平衡組織為F+P。F呈白色塊狀；P呈層片狀，放大倍數(shù)不高時(shí)呈黑色塊狀。碳含量大于0.6的亞共析鋼，室溫平衡組織中40的F常呈白色網(wǎng)狀，包圍在P周?chē)?。圖3.4 亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖含0.4C的亞共析鋼的組織組成物（F和P）的相對(duì)質(zhì)量為：0.4-0.02P%=´100%=51%；F%=1

13、-51%=49% 0.77-0.02組成相（F和Fe3C）的相對(duì)質(zhì)量為：6.69-0.4F%=´100%=94%;Fe3C%=1-94%=6% 6.69由于室溫下F的含碳量極微，若將F中的含碳量忽略不計(jì)，則鋼中的含碳量全部在P中，所以亞共析鋼的含碳量可由其室溫平衡組織來(lái)估算。即根據(jù)P的含量可求出鋼的含碳量為：C%=P%´0.77%。由于P和F的密度相近，鋼中P和F的含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）可以近似用對(duì)應(yīng)的面積百分?jǐn)?shù)來(lái)估算。圖3.5 過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖3.3.4 過(guò)共析鋼以碳含量為1.2的鐵碳合金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過(guò)程如圖3.5所示。 合金冷卻時(shí)，從1點(diǎn)起自L中結(jié)晶出A

14、，至2點(diǎn)全部結(jié)晶完了。在2-3點(diǎn)間A冷卻不變，從3點(diǎn)起，由A中析出Fe3CII，F(xiàn)e3CII呈網(wǎng)狀分布在A晶界上。至4點(diǎn)時(shí)A的碳含量降為0.77，4-4發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻，而 Fe3CII不變化。在4-5點(diǎn)間冷卻時(shí)組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為Fe3CII+P。在顯微鏡下，F(xiàn)e3CII呈網(wǎng)狀分布在層片狀P周?chē)?1含1.2C的過(guò)共析鋼的組成相為F和Fe3C；組織組成物為Fe3CII和P，它們的相對(duì)質(zhì)1.2-0.77量為：Fe3CII%=´100%=7%;P%=1-7%=93%6.69-0.773.3.5 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵的冷卻曲線和平衡結(jié)晶過(guò)程如圖3.6所示。圖3.6

15、共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖合金在1點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)，由L轉(zhuǎn)變?yōu)椋ǜ邷兀┤R氏體Le（A+Fe3C）。在1-2點(diǎn)間，Le中的A不斷析出Fe3CII。Fe3CII與共晶Fe3C無(wú)界線相連，在顯微鏡下無(wú)法分辨，但此時(shí)的萊氏體由A+Fe3CII+Fe3C組成。由于Fe3CII的析出，至2點(diǎn)時(shí)A的碳含量降為0.77，并發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻；高溫萊氏體Le轉(zhuǎn)變成低溫萊氏體Le(P+Fe3CII+Fe3C)。從2至3點(diǎn)組織不變化。所以室溫平衡組織仍為L(zhǎng)e，由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成（見(jiàn)圖3.12）。共晶白口鑄鐵的組織組成物全為L(zhǎng)e，而組成相還是F和Fe3C，它們的相對(duì)重量可用杠桿定律求出。3.3.

16、6 亞共晶白口鑄鐵以碳含量為3的鐵碳合金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶討程如圖3.7所示。圖3.7 亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖合金自1點(diǎn)起，從L中結(jié)晶出初生A，至2點(diǎn)時(shí)L的成分變?yōu)楹?.3C（A的成分變?yōu)楹?.11），發(fā)生共晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e，而A不參與反應(yīng)。在2-3點(diǎn)間繼續(xù)冷卻時(shí)，初生A不斷在其外圍或晶界上析出Fe3CII，同時(shí)Le中的A也析出Fe3CII。至3點(diǎn)溫度時(shí)，所42有A的成分均變?yōu)?.77，初生A發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻；高溫萊氏體Le也轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體Le。在3以下到4點(diǎn)，冷卻不引起轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為P+Fe3CII+Le。網(wǎng)狀Fe3CII分布在粗大塊狀P的周?chē)?，Le則由條狀或粒

17、狀P和Fe3C基體組成。 亞共晶白口鑄鐵的組成相為F和Fe3C。組織組成物為P、Fe3CII、和Le。它們的相對(duì)質(zhì)量可以?xún)纱卫酶軛U定律求出。先求合金鋼冷卻到2點(diǎn)溫度時(shí)初生A2.11和L4.3的相對(duì)質(zhì)量：4.3-3A2.11%=´100%=59%;L4.3%=1-59%=41%4.3-2.11并隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體Le，所以Le = Le L4.3通過(guò)共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e，= L4.3 = 41。再求3點(diǎn)溫度時(shí)（共析轉(zhuǎn)變前）由初生A2.11析出的Fe3CII及共析成分的A0.77的相對(duì)質(zhì)量：2.11-0.776.69-2.11Fe3CII%=´59%=13%;A0.77%

18、=´59%=46%。6.69-0.776.69-0.77由于A0.77發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻，所以P的相對(duì)質(zhì)量就是46。3.3.7 過(guò)共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與亞共晶白口鑄鐵大同小異，唯一的區(qū)別是：其先析出相是一次滲碳體（Fe3CI）而不是A，而且因?yàn)闆](méi)有先析出A，進(jìn)而其室溫組織中除Le中的P以外再?zèng)]有P，即室溫下組織為L(zhǎng)eFe3CI，組成相也同樣為F和Fe3C，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算仍然用杠桿定律，方法同上。3.4 含碳量與鐵碳合金平衡組織、機(jī)械性能的關(guān)系3.4.1 按組織劃分的Fe-Fe3C相圖由Fe-Fe3C相圖，可知鐵碳合金室溫平衡組織都由F和Fe3C兩相組成，隨含碳

19、量增高，；Fe3C含量相應(yīng)增加，由0按直F含量下降，由100按直線關(guān)系變至0（含6.69C時(shí)）線關(guān)系變至100（含6.69C時(shí)）。改變含碳量，不僅引起組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，而且產(chǎn)生不同結(jié)晶過(guò)程，從而導(dǎo)致組成相的形態(tài)、分布變化，也即改變了鐵碳合金的組織。由圖3.8，可見(jiàn)隨著含碳量增加，室溫組織變化如下：F（+Fe3CIII）F+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LeLeLe+Fe3CI。組成相的相對(duì)含量及組織形態(tài)的變化，會(huì)對(duì)鐵碳合金性能產(chǎn)生很大影響。3.4.2 碳鋼的機(jī)械性能與碳含量的關(guān)系對(duì)圖3.8進(jìn)行分析，得知鐵碳合金的含碳量: 小于0.0218時(shí)組織全部為F；等于0.77時(shí)全部為P；等于

20、4.3時(shí)全部為L(zhǎng)e；等于6.69時(shí)全部為Fe3C；在它們之間的組織則為相應(yīng)組織的混合物。利用杠桿定律對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算可得如圖3.9所示的含碳量與組織（F、P、Fe3CII、Le、Fe3CI）的數(shù)量關(guān)系。 C,% 43硬度（HB）主要決定于組織中組 圖3.8 標(biāo)注組織分區(qū)的Fe-Fe3C合金相圖成相或組織組成物的硬度和相對(duì)數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對(duì)較小。隨碳含量的增加，由于硬度高的Fe3C增多，硬度低的F減少，所以合金的硬度呈直線關(guān)系增大，由全部為F的硬度約80HB增大到全部為Fe3C時(shí)的約800HB。強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)組織形態(tài)很敏感的性能。隨碳含量的增加，亞共析鋼中P增多而F減少。P的強(qiáng)度比較高

21、，其大小與細(xì)密程度有關(guān)。組織越細(xì)密，則強(qiáng)度值越高。F的強(qiáng)度較低。所以亞共析鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增大而增大；但當(dāng)碳含量超過(guò)共析成分之后，由于強(qiáng)度很低的Fe3CII沿晶界析出，合金強(qiáng)度的增高變慢；到約0.9時(shí)，F(xiàn)e3CII沿晶界形成完整的網(wǎng)，強(qiáng)度迅速降低；隨著碳含量的增加，強(qiáng)度不斷下降，到2.11后，合金中出現(xiàn)Le時(shí)，強(qiáng)度已降到很低的值。再增加碳含量時(shí)，由于合金基體都為脆性很高的Fe3C，強(qiáng)度變化不大且值很低，趨近于Fe3C的強(qiáng)度（約2030MPa）。 圖3.9 含碳量與組織的關(guān)系鐵碳含金中Fe3C是極脆的相，沒(méi)有塑性，不能為合金的塑性作出貢獻(xiàn)，合金的塑性全部由F提供，所以隨碳含量的增大，F(xiàn)量不斷減

22、少時(shí)，合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時(shí)，塑性就降到近于零值了。見(jiàn)圖3.10。對(duì)于應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料亞共析鋼，其硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下估算: 圖3.10 性能隨含碳量的變化 硬度（HB）80´F%+180´P%或（HB）80´F%+800´Fe3C%；強(qiáng)度（sb）230´F%+770´P%(MPa)；延伸率（d）50´F%+20´P%。式中的數(shù)字相應(yīng)為F、P或Fe3C的近似硬度、強(qiáng)度和延伸率；符號(hào)相應(yīng)表示組織中F、P或Fe3C的含量。3.5 Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用和局限性3.5.1 Fe-F

23、e3C相圖的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖在生產(chǎn)中具有重大的實(shí)際意義，主要應(yīng)用在鋼鐵材料的選用和加工工藝的制訂兩個(gè)方面。3.5.1.1 在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖所表明的某些成分-組織-性能的規(guī)律，為鋼鐵材料選用提供了根據(jù)；建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳含量較低的鋼材；各種機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼；各種工具要用硬度高和耐磨性好的材料，則選用含碳量高的鋼種；純鐵的強(qiáng)度低，不宜用做結(jié)構(gòu)材料，但由于其導(dǎo)磁率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵芯等；白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性

24、能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車(chē)輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。3.5.1.2 在鑄造工藝方面的應(yīng)用根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50100。從相圖上可看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好。它們的凝固溫度區(qū)間最小，因而流動(dòng)性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳含量規(guī)定在0.150.6之間，因?yàn)檫@個(gè)范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。3.5.1.3 在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用44鋼處于馬氏體狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較低，塑性較好，因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進(jìn)行。 一

25、般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100200范圍內(nèi)。溫度高時(shí)，鋼的變形抗力小，節(jié)約能源，設(shè)備要求的噸位低，但溫度不能過(guò)高，防止鋼材嚴(yán)重?zé)龘p或發(fā)生晶界熔化（過(guò)燒）。終鍛、終軋溫度不能過(guò)低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂。亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在GS線以上一點(diǎn)，避免變形時(shí)出現(xiàn)大量鐵素體，形成帶狀組織而使韌性降低。過(guò)共析鋼變形終止溫度應(yīng)控制在PSK線以上一點(diǎn)，以便把呈網(wǎng)狀析出的二次滲碳體打碎。終止溫度不能太高，否則再結(jié)晶后奧氏體晶粒粗大，使熱加工后的組織也粗大。一般始鍛溫度為11501250，終鍛溫度為750850。3.5.1.4 在熱處理工藝方面的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖對(duì)于制訂熱處理工藝有

26、著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe-Fe3C相圖確定的。這將在下一章中詳細(xì)闡述。3.5.2 Fe-Fe3C相圖的局限性Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用很廣，為了正確掌握它的應(yīng)用，必須了解其下列局限性。Fe-Fe3C相圖反映的是平衡相，而不是組織。相圖能給出平衡條件下的相、相的成分和各相的相對(duì)質(zhì)量，但不能給出相的形狀、大小和空間相互配置的關(guān)系。Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的鋼和鑄鐵，除了鐵和碳以外，往往含有或有意加入其它元素。被加入元素的含量較高時(shí)，相圖將發(fā)生重大變化。嚴(yán)格說(shuō)，在這樣的條件下鐵碳相圖已不適用。Fe-Fe3C相圖反

27、映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)。相的平衡只有在非常緩慢的冷卻和加熱，或者在給定溫度長(zhǎng)期保溫的情況下才能達(dá)到。就是說(shuō)，相圖沒(méi)有反映時(shí)間的作用。所以鋼鐵在實(shí)際的生產(chǎn)和加工過(guò)程中，當(dāng)冷卻和加熱速度較快時(shí)，常常不能用相圖來(lái)分析問(wèn)題。3.6 碳鋼及其常存雜質(zhì)碳鋼被廣泛使用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。它們不僅價(jià)格低廉、容易加工，而且在一般情況下能滿(mǎn)足使用性能的要求。為了掌握碳鋼的正確選擇和合理使用、必須熟悉它的牌號(hào)和用途。3.6.1 碳鋼中雜質(zhì)元素由于原料和冶煉工藝的原因，碳鋼中除鐵與碳兩種元素外，還含有少量Mn、Si、S、P以及微量的氣體元素O、H、N等非特意加入的雜質(zhì)元素。Si和Mn是煉鋼時(shí)作為脫氧劑（錳鐵、

28、硅鐵）加入而殘留在鋼中的，其余的元素則是從原料或大氣中帶入鋼中而冶煉時(shí)不能清除盡的有害雜質(zhì)。它們對(duì)鋼的性能有一定影響。3.6.1.1 錳和硅的影響Si、Mn加入鋼中，可將鋼液中的FeO還原成Fe，并形成SiO2和MnO。Mn還與鋼液中的S形成MnS而大大減輕S的有害作用。這些反應(yīng)產(chǎn)物大部分進(jìn)入爐渣，小部分殘留鋼中成為非金屬夾雜。鋼中含Mn量約為0.250.80。鋼中含Si量約為0.030.40。脫氧劑中的Si與Mn總會(huì)有一部分溶于鋼液，凝固后溶于鐵素體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用。在含量不高(1)時(shí)，可以提高鋼的強(qiáng)度，而不降低鋼的塑性和韌性，一般認(rèn)為Si、Mn是鋼中有益元素。3.6.1.2 其它雜質(zhì)的影

29、響S的影響 S在固態(tài)鐵中幾乎不溶解，它與鐵形成熔點(diǎn)為1190的FeS，F(xiàn)eS又與g-Fe形成熔點(diǎn)更低的（985）共晶體。即使鋼中含S量不高，由于嚴(yán)重偏析，凝固快完成時(shí)，鋼中的S幾乎全部殘留在枝晶間的鋼液中，最后形成低熔點(diǎn)的（Fe+FeS）共晶。含有硫化物共晶的鋼材進(jìn)行熱壓力加工（加熱溫度一般在11501250之間），分布在晶界處的共晶體處于熔融狀態(tài)，一經(jīng)軋制或鍛打，鋼材就會(huì)沿晶界開(kāi)裂。這種現(xiàn)象稱(chēng)為鋼的熱脆。 45如果鋼水脫氧不良，含有較多的FeO，還會(huì)形成（Fe+FeO+FeS）三相共晶體，熔點(diǎn)更低（940），危害性更大。對(duì)于鑄鋼件，含硫過(guò)高，易使鑄件發(fā)生熱裂；S也使焊件的焊縫處易發(fā)生熱裂。P

30、的影響 P在鐵中固溶度較大，鋼中的P一般都固溶于鐵中。P溶人鐵素體后，有較之其他元素更強(qiáng)的固溶強(qiáng)化能力，尤其是較高的含P量，使鋼顯著提高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，劇烈地降低鋼的塑、韌性，并且還提高了鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度，使得低溫工作的零件沖擊韌性很低，脆性很大，這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為鋼的冷脆。S、P在鋼中是有害元素，在普通質(zhì)量非合金鋼中，其含量被限制在0.045以下。如果要求更好的質(zhì)量，則含量限制更嚴(yán)格。在一定條件下S、P也被用于提高鋼的切削加工性能。炮彈鋼中加入較多的P，可使炮彈爆炸時(shí)產(chǎn)生更多彈片，使之有更大的殺傷力。P與Cu共存可以提高鋼的抗大氣腐蝕能力。N的影響 O在鋼中溶解度很小，O、幾乎全部以氧化物夾

31、雜形式存在，如 FeO、H、Al2O3、SiO2、MnO等，這些非金屬夾雜使鋼的力學(xué)性能降低，尤其是對(duì)鋼的塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等危害很大。H在鋼中含量盡管很少，但溶解于固態(tài)鋼中時(shí)，劇烈地降低鋼的塑、韌性，增大鋼的脆性，這種現(xiàn)象稱(chēng)為氫脆。少量N存在于鋼中，會(huì)起強(qiáng)化作用。N的有害作用表現(xiàn)為造成低碳鋼的時(shí)效現(xiàn)象，即含N的低碳鋼自高溫快速冷卻或冷加工變形后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼的強(qiáng)度、硬度上升，塑、韌性下降，脆性增大，同時(shí)脆性轉(zhuǎn)變溫度也提高了，造成了許多焊接工程結(jié)構(gòu)和容器突然斷裂事故。3.6.2 非合金鋼（碳鋼）的分類(lèi)根據(jù)GB/T 13304-91第一部分：鋼按化學(xué)成分分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼。其中

32、非合金鋼即為原國(guó)標(biāo)中的碳鋼。下面將原碳鋼分類(lèi)方法及新國(guó)標(biāo)非合金鋼的分類(lèi)分列如下：3.6.2.1 碳鋼分類(lèi)方法碳鋼主要有下列幾種分類(lèi)方法：ìï低碳鋼-C£0.25%按鋼的碳含量分í中碳鋼-0.25%<C£0.6%ïî高碳鋼-C>0.6%P£0.045%ìï普通碳素鋼-S£0.055%;P£0.040%按鋼的質(zhì)量分í優(yōu)質(zhì)碳素鋼-S£0.040%;ïP£0.035%î高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼-S£0.030%;ì

33、;ï碳素結(jié)構(gòu)鋼-用于制造各種工程構(gòu)件（如橋梁、船舶、按用途分í建筑構(gòu)件等）和機(jī)器零件（如齒輪、軸、連桿等）ïî碳素工具鋼-用于制造各種工具（如刃具、量具、模具等）ì平爐鋼（用平爐冶煉）ïìïï堿性轉(zhuǎn)爐鋼-冶煉時(shí)造堿性渣按鋼的冶煉方法分í轉(zhuǎn)爐鋼（用轉(zhuǎn)爐冶煉）í酸性轉(zhuǎn)爐鋼-冶煉時(shí)造酸性渣ïïî頂吹轉(zhuǎn)爐鋼-冶煉時(shí)吹氧ïî電爐鋼3.6.2.2 非合金鋼的分類(lèi)方法非合金鋼主要按主要質(zhì)量等級(jí)和主要性能或使用特性分類(lèi)。按主要質(zhì)量等級(jí)分為：普通質(zhì)量非合

34、金鋼 普通質(zhì)量非合金鋼是指不規(guī)定生產(chǎn)過(guò)程中需要特別控制質(zhì)量要求的并應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足四種條件的所有鋼種（條件見(jiàn)GB/T 13304-91）。46普通質(zhì)量非合金鋼主要包括：一般用途碳素結(jié)構(gòu)鋼（如 GB 700規(guī)定的A、B級(jí)鋼）、碳素鋼筋鋼（如 GB 13031規(guī)定的Q235鋼）、鐵道用一般碳素鋼（如 GB 11264、GB 11265、GB 2826規(guī)定的輕軌和墊板用碳素鋼）及一般鋼板樁型鋼。優(yōu)質(zhì)非合金鋼 優(yōu)質(zhì)非合金鋼是指除普通質(zhì)量非合金鋼和特殊質(zhì)量非合金鋼以外的非合金鋼，在生產(chǎn)過(guò)程中需要特別控制質(zhì)量（例如控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面質(zhì)量或增加工藝控制等），以達(dá)到比普通質(zhì)量非合金鋼特殊的質(zhì)量要求（例如良好的抗脆斷性能，良好的冷成型性等），但這