铁碳合金相图2

合金的性能与相图的关系

一、合金的使用性能与相图的关系

固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关,溶质的溶入量越多,晶格畸变越大,则合金的强度、硬度越高,电阻越大。当溶质原子含量大约为50%时,晶格畸变最大,而上述性能达到极大值,所以性能与成分的关系曲线具有透镜状。

两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化,两相单独的性能已知后,合金的某些性能可按组成相性能依百分含量的关系叠加的办法求出。如硬度：HB=HBαα％＋HBββ％

对组织较敏感的某些性能如强度等,与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密,强度越高。当形成化合物时，则在性能-成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。

二、合金的工艺性能与相图的关系合金的铸造性能与相图的关系：

纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。

单相合金的锻造性能好。合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时，因为它们都很脆。

合金的铸造性能与相图的关系示意图四、铁碳合金的成分—组织—性能关系

1、对平衡组织的影响

按照铁碳相图,铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成,两相的质量分数由杠杆定律确定。

在室温下,碳含量不同时,不仅F和Fe3C的质量分数变化,而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化。随碳含量增大,组织按下列顺序变化：

F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Ld'、Ld'、Ld'+Fe3CI、Fe3C

各个区间的组织组成物的质量分数用杠杆定律求出。成份wC%组织特征0.020.772.114.36.69

高温固体组织为单相A有莱氏体组织工业纯铁钢白口铸铁亚共析过共析亚共晶过共晶组织组成物相对量

%相组成物相对量

%FPLdFe3CFFe3CIIFe3CIwC↑,Fe3C的数量↑当碳的质量分数增高时，不仅其组织中的渗碳体数量增加，而且渗碳体的分布和形态发生如下变化：

Fe3CⅢ（沿铁素体晶界分布的薄片状）→共析Fe3C（分布在铁素体内的片层状）→

Fe3CII（沿奥氏体晶界分布的网状）→共晶Fe3C（为莱氏体的基体）→

Fe3CI（分布在莱氏体上的粗大片状）2、碳对力学性能的影响碳的质量分数对缓冷碳钢力学性能的影响二、合金的工艺性能与相图的关系合金的铸造性能与相图的关系：

纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。

单相合金的锻造性能好。合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时，因为它们都很脆。

合金的铸造性能与相图的关系示意图四、铁碳合金的成分—组织—性能关系

1、对平衡组织的影响

按照铁碳相图,铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成,两相的质量分数由杠杆定律确定。

在室温下,碳含量不同时,不仅F和Fe3C的质量分数变化,而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化。随碳含量增大,组织按下列顺序变化：

F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Ld'、Ld'、Ld'+Fe3CI、Fe3C

各个区间的组织组成物的质量分数用杠杆定律求出。成份wC%组织特征0.020.772.114.36.69

高温固体组织为单相A有莱氏体组织工业纯铁钢白口铸铁亚共析过共析亚共晶过共晶组织组成物相对量

%相组成物相对量

%FPLdFe3CFFe3CIIFe3CIwC↑,Fe3C的数量↑当碳的质量分数增高时，不仅其组织中的渗碳体数量增加，而且渗碳体的分布和形态发生如下变化：

Fe3CⅢ（沿铁素体晶界分布的薄片状）→共析Fe3C（分布在铁素体内的片层状）→

Fe3CII（沿奥氏体晶界分布的网状）→共晶Fe3C（为莱氏体的基体）→

Fe3CI（分布在莱氏体上的粗大片状）2、碳对力学性能的影响碳的质量分数对缓冷碳钢力学性能的影响五、铁碳合金相图的应用1.在钢铁材料选用方面的应用

Fe-Fe3C相图所表明的成分-组织-性能的规律,为钢铁材料的选用提供了根据。

建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料,选用碳含量较低的钢材。

机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料,应选用碳含量适中的中碳钢。

工具要用硬度高和耐磨性好的材料,则选碳含量高的钢种。

纯铁的强度低,不宜用做结构材料,但由于其导磁率高,可作软磁材料使用,例如做电磁铁的铁芯等。

白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。

2.在铸造工艺方面的应用

根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。从相图上可看出,纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好,它们的凝固温度区间最小,因而流动性好,分散缩孔少,可以获得致密的铸件,所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中,碳质量分数在0.15%-0.6%之间,因为这个范围内钢的结晶温度区间较小,铸造性能较好。3.在热锻、热轧工艺方面的应用

钢处于奥氏体状态时强度较低,塑性较好,因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100℃～200℃范围内。一般始锻温度为1150℃～1250℃,终锻温度为750℃～850℃。4.在热处理工艺方面的应用

Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe-Fe3C相图确定的。这将在热处理一节中详细阐述。

在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点：

①Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态,如含有其它元素,相图将发生变化。

②Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态,若冷却或加热速度较快时,其组织转变就不能只用相图来分析了。碳素钢

金属材料是最重要的工程材料。常用碳钢的碳质量分数一般都小于1.3%，其强度和韧性均较好，工程性能比较优越。碳钢冶炼简便，加工容易，价格便宜，而且在一般情况下能满足使用性能的要求，是应用最多的工程金属材料。钢铁材料的生产过程铁矿石生铁钢锭型材

铸铁（钢板、型钢、钢管）轧制、挤压、拉拔、锻造等压力加工方法1、生铁的冶炼原料：铁矿石燃料：焦炭熔剂：石灰石设备：高炉2、钢的冶炼原料：生铁、废钢燃料：焦炭熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂设备：电弧炉一、碳钢中的长存杂质元素及其作用碳钢中除铁以外的主要元素是碳，其它长存的杂质元素有硅、锰、硫、磷等，还有熔炼中夹杂进入的氧、氢、氮等气体元素。1、有益元素锰——能溶于F，使F强化，也能溶于渗碳体，提高其硬度；能增加并细化P，从而提高钢的强度和硬度；可与S形成MnS，以消除硫的有害作用。硅——能溶于F使之强化，从而使钢的强度、硬度、弹性都得到提高。2.有害元素:硫

——形成低熔点的FeS，使钢产生热脆。热脆：

FeS与Fe形成的熔点（985℃）共晶体分布在晶界上当钢加热到1000-1200℃进行锻压或轧制时，由于晶界上的共晶体已经熔化，使钢在晶界开裂。这种现象称热脆。磷——部分溶于F形成固溶体，部分在结晶时形成脆性很大的Fe3P，使钢在室温下的塑、韧性急剧下降。冷脆：低温时由磷导致钢严重变形的现象称钢的冷脆通常钢材的质量等级以硫磷含量的控制来划分3.气体元素（钢中有害元素）:N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。

钢中白点O、H、N三种气体元素在高温时融入钢液，而在固态钢中溶解度极小，冷却时来不及溢出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断，是必须严格控制的有害元素。二、碳钢的分类、牌号和用途

1、按碳的含量分类：

（1）低碳钢wc＜0.25%，

塑性好，多用作冲压、焊接和渗碳工件。

（2）中碳钢wc=0.25%～0.6%，

强渡和韧度均较高，热处理后有良好的综合力

学性能，多用作要求良好强韧度的各种重要结

构零件。

（3）高碳钢wc＞0.60%

硬度较高，多用作工具、模具和量具等工件。2、按质量分类：

（1）普通钢钢中S≤0.050%，P≤0.045%

（2）优质钢钢中S≤0.035%，P≤0.035%

（3）高级优质钢S≤0.030%，P≤0.030%

3、按用途分类

（1）碳素结构钢主要用于建筑、桥梁等工程结构和各种机械零件（如齿轮、轴、螺柱、弹簧等）

（2）碳素工具钢主要用于锅各类刀具、量具和模具，如丝锥、扳牙、刮刀、锯条、冲模等。

（3）专用钢包括锅炉钢、船用钢、易切钢等。

4、按钢液脱氧程度分类

（1）沸腾钢（F）沸腾钢脱氧不完全，组织不致密，成分不均匀，性能较差。

（2）镇静钢（Z）镇静钢脱氧完全，组织致密，成分较均匀，性能较好。优质钢和高级优质钢多为镇静钢，通常不再标注镇静钢代号。

（3）半镇静钢（b）半镇静钢脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。三、 碳钢的牌号性能及主要用途1、碳素结构钢：用途：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。化学成分：ωc=0.09%--0.33%ωMn=0.37%--0.65%ωsi=0.30%ωs≤0.035--0.05%ωp≤0.035%--0.045%牌号：Q+屈服点数值+质量等级符号+脱氧方法符号质量等级：用A、B、C、D、E表示硫磷含量不同例：Q235AF代表屈服点σS=235MPa，质量为A级的沸腾碳素结构钢组织：较多的F+较少的P性能：因为碳低，焊接性能好常用碳素结构钢：

Q195、Q215、Q235A、Q235B

塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。

Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。

Q255、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。

2、优质碳素结构钢：化学成分：Wc=0.08%--0.85%Wsi=0.17%--0.37%Wsp≤0.035%

牌号：两位数字+符号表示数字表示含碳量万分之几，40表示钢中平均含碳量为0.40%。若钢中锰的含量较高时，在数字后面附化学元素符号Mn60Mn表示钢中平均含碳量为0.60%，Mn的含量为0.70%～1.00%的优质碳素结构钢。符号如果是F则表示是沸腾钢。例：08F15F常用优质碳素结构钢：

08F

塑性好，可制造冷冲压零件；

10、20钢

冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；

35、40、45、50钢

经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；

60、65钢

主要用来制造弹簧

齿轮

螺栓

曲轴弹簧（模具）优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。

1)低碳钢化学成分：WC≤0.15%组织：退火状态下，组织为较多的F和较少P性能：σ和HBS低，而δ.ak好，焊接性好。用途：08F、10F、15F冷变形加工成型件机壳、容器。