鐵碳合金相圖2

合金的性能與相圖的關(guān)系

一、合金的使用性能與相圖的關(guān)系

固溶體的性能與溶質(zhì)元素的溶入量有關(guān),溶質(zhì)的溶入量越多,晶格畸變?cè)酱?則合金的強(qiáng)度、硬度越高,電阻越大。當(dāng)溶質(zhì)原子含量大約為50%時(shí),晶格畸變最大,而上述性能達(dá)到極大值,所以性能與成分的關(guān)系曲線具有透鏡狀。

兩相組織合金的機(jī)械性能和物理性能與成分呈直線關(guān)系變化,兩相單獨(dú)的性能已知后,合金的某些性能可按組成相性能依百分含量的關(guān)系疊加的辦法求出。如硬度：HB=HBαα％＋HBββ％

對(duì)組織較敏感的某些性能如強(qiáng)度等,與組成相或組織組成物的形態(tài)有很大關(guān)系。組成相或組織組成物越細(xì)密,強(qiáng)度越高。當(dāng)形成化合物時(shí)，則在性能-成分曲線上于化合物成分處出現(xiàn)極大值或極小值。

二、合金的工藝性能與相圖的關(guān)系合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系：

純組元和共晶成分的合金的流動(dòng)性最好，縮孔集中，鑄造性能好。相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對(duì)澆注和鑄造質(zhì)量越有利。合金的液、固相線溫度間隔大時(shí)，形成枝晶偏析的傾向性大；同時(shí)先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)，而降低其流動(dòng)性，增多分散縮孔。所以，鑄造合金常選共晶或接近共晶的成分。

單相合金的鍛造性能好。合金為單相組織時(shí)變形抗力小，變形均勻，不易開裂，因而變形能力大。雙相組織的合金變形能力差些，特別是組織中存在有較多的化合物相時(shí)，因?yàn)樗鼈兌己艽唷?/p>

合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系示意圖四、鐵碳合金的成分—組織—性能關(guān)系

1、對(duì)平衡組織的影響

按照鐵碳相圖,鐵碳合金在室溫下的組織都由F和Fe3C兩相組成,兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由杠桿定律確定。

在室溫下,碳含量不同時(shí),不僅F和Fe3C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化,而且兩相相互組合的形態(tài)即合金的組織也在變化。隨碳含量增大,組織按下列順序變化：

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

各個(gè)區(qū)間的組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用杠桿定律求出。成份wC%組織特征0.020.772.114.36.69

高溫固體組織為單相A有萊氏體組織工業(yè)純鐵鋼白口鑄鐵亞共析過共析亞共晶過共晶組織組成物相對(duì)量

%相組成物相對(duì)量

%FPLdFe3CFFe3CIIFe3CIwC↑,Fe3C的數(shù)量↑當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高時(shí)，不僅其組織中的滲碳體數(shù)量增加，而且滲碳體的分布和形態(tài)發(fā)生如下變化：

Fe3CⅢ（沿鐵素體晶界分布的薄片狀）→共析Fe3C（分布在鐵素體內(nèi)的片層狀）→

Fe3CII（沿奧氏體晶界分布的網(wǎng)狀）→共晶Fe3C（為萊氏體的基體）→

Fe3CI（分布在萊氏體上的粗大片狀）2、碳對(duì)力學(xué)性能的影響碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)緩冷碳鋼力學(xué)性能的影響二、合金的工藝性能與相圖的關(guān)系合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系：

純組元和共晶成分的合金的流動(dòng)性最好，縮孔集中，鑄造性能好。相圖中液相線和固相線之間距離越小，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對(duì)澆注和鑄造質(zhì)量越有利。合金的液、固相線溫度間隔大時(shí)，形成枝晶偏析的傾向性大；同時(shí)先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)，而降低其流動(dòng)性，增多分散縮孔。所以，鑄造合金常選共晶或接近共晶的成分。

單相合金的鍛造性能好。合金為單相組織時(shí)變形抗力小，變形均勻，不易開裂，因而變形能力大。雙相組織的合金變形能力差些，特別是組織中存在有較多的化合物相時(shí)，因?yàn)樗鼈兌己艽唷?/p>

合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系示意圖四、鐵碳合金的成分—組織—性能關(guān)系

1、對(duì)平衡組織的影響

按照鐵碳相圖,鐵碳合金在室溫下的組織都由F和Fe3C兩相組成,兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由杠桿定律確定。

在室溫下,碳含量不同時(shí),不僅F和Fe3C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化,而且兩相相互組合的形態(tài)即合金的組織也在變化。隨碳含量增大,組織按下列順序變化：

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

各個(gè)區(qū)間的組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用杠桿定律求出。成份wC%組織特征0.020.772.114.36.69

高溫固體組織為單相A有萊氏體組織工業(yè)純鐵鋼白口鑄鐵亞共析過共析亞共晶過共晶組織組成物相對(duì)量

%相組成物相對(duì)量

%FPLdFe3CFFe3CIIFe3CIwC↑,Fe3C的數(shù)量↑當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高時(shí)，不僅其組織中的滲碳體數(shù)量增加，而且滲碳體的分布和形態(tài)發(fā)生如下變化：

Fe3CⅢ（沿鐵素體晶界分布的薄片狀）→共析Fe3C（分布在鐵素體內(nèi)的片層狀）→

Fe3CII（沿奧氏體晶界分布的網(wǎng)狀）→共晶Fe3C（為萊氏體的基體）→

Fe3CI（分布在萊氏體上的粗大片狀）2、碳對(duì)力學(xué)性能的影響碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)緩冷碳鋼力學(xué)性能的影響五、鐵碳合金相圖的應(yīng)用1.在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用

Fe-Fe3C相圖所表明的成分-組織-性能的規(guī)律,為鋼鐵材料的選用提供了根據(jù)。

建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料,選用碳含量較低的鋼材。

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。

工具要用硬度高和耐磨性好的材料,則選碳含量高的鋼種。

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,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、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。

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50℃～100℃。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,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%-0.6%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.在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用

鋼處于奧氏體狀態(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)進(jìn)行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100℃～200℃范圍內(nèi)。一般始鍛溫度為1150℃～1250℃,終鍛溫度為750℃～850℃。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。這將在熱處理一節(jié)中詳細(xì)闡述。

在運(yùn)用Fe-Fe3C相圖時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

①Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài),如含有其它元素,相圖將發(fā)生變化。

②Fe-Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài),若冷卻或加熱速度較快時(shí),其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來分析了。碳素鋼

金屬材料是最重要的工程材料。常用碳鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都小于1.3%，其強(qiáng)度和韌性均較好，工程性能比較優(yōu)越。碳鋼冶煉簡便，加工容易，價(jià)格便宜，而且在一般情況下能滿足使用性能的要求，是應(yīng)用最多的工程金屬材料。鋼鐵材料的生產(chǎn)過程鐵礦石生鐵鋼錠型材

鑄鐵（鋼板、型鋼、鋼管）軋制、擠壓、拉拔、鍛造等壓力加工方法1、生鐵的冶煉原料：鐵礦石燃料：焦炭熔劑：石灰石設(shè)備：高爐2、鋼的冶煉原料：生鐵、廢鋼燃料：焦炭熔劑：石灰石；氧化劑，脫氧劑設(shè)備：電弧爐一、碳鋼中的長存雜質(zhì)元素及其作用碳鋼中除鐵以外的主要元素是碳，其它長存的雜質(zhì)元素有硅、錳、硫、磷等，還有熔煉中夾雜進(jìn)入的氧、氫、氮等氣體元素。1、有益元素錳——能溶于F，使F強(qiáng)化，也能溶于滲碳體，提高其硬度；能增加并細(xì)化P，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度；可與S形成MnS，以消除硫的有害作用。硅——能溶于F使之強(qiáng)化，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性都得到提高。2.有害元素:硫

——形成低熔點(diǎn)的FeS，使鋼產(chǎn)生熱脆。熱脆：

FeS與Fe形成的熔點(diǎn)（985℃）共晶體分布在晶界上當(dāng)鋼加熱到1000-1200℃進(jìn)行鍛壓或軋制時(shí)，由于晶界上的共晶體已經(jīng)熔化，使鋼在晶界開裂。這種現(xiàn)象稱熱脆。磷——部分溶于F形成固溶體，部分在結(jié)晶時(shí)形成脆性很大的Fe3P，使鋼在室溫下的塑、韌性急劇下降。冷脆：低溫時(shí)由磷導(dǎo)致鋼嚴(yán)重變形的現(xiàn)象稱鋼的冷脆通常鋼材的質(zhì)量等級(jí)以硫磷含量的控制來劃分3.氣體元素（鋼中有害元素）:N：鋼中過飽和N在常溫放置過程中會(huì)發(fā)生時(shí)效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除時(shí)效傾向。O：鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源。H：原子態(tài)的過飽和氫時(shí)將降低韌性,引起氫脆。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱白點(diǎn)或發(fā)裂。

鋼中白點(diǎn)O、H、N三種氣體元素在高溫時(shí)融入鋼液，而在固態(tài)鋼中溶解度極小，冷卻時(shí)來不及溢出而積聚在組織中形成高壓細(xì)微氣孔，使鋼的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成裂紋、脆斷，是必須嚴(yán)格控制的有害元素。二、碳鋼的分類、牌號(hào)和用途

1、按碳的含量分類：

（1）低碳鋼wc＜0.25%，

塑性好，多用作沖壓、焊接和滲碳工件。

（2）中碳鋼wc=0.25%～0.6%，

強(qiáng)渡和韌度均較高，熱處理后有良好的綜合力

學(xué)性能，多用作要求良好強(qiáng)韌度的各種重要結(jié)

構(gòu)零件。

（3）高碳鋼wc＞0.60%

硬度較高，多用作工具、模具和量具等工件。2、按質(zhì)量分類：

（1）普通鋼鋼中S≤0.050%，P≤0.045%

（2）優(yōu)質(zhì)鋼鋼中S≤0.035%，P≤0.035%

（3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼S≤0.030%，P≤0.030%

3、按用途分類

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于建筑、橋梁等工程結(jié)構(gòu)和各種機(jī)械零件（如齒輪、軸、螺柱、彈簧等）

（2）碳素工具鋼主要用于鍋各類刀具、量具和模具，如絲錐、扳牙、刮刀、鋸條、沖模等。

（3）專用鋼包括鍋爐鋼、船用鋼、易切鋼等。

4、按鋼液脫氧程度分類

（1）沸騰鋼（F）沸騰鋼脫氧不完全，組織不致密，成分不均勻，性能較差。

（2）鎮(zhèn)靜鋼（Z）鎮(zhèn)靜鋼脫氧完全，組織致密，成分較均勻，性能較好。優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼多為鎮(zhèn)靜鋼，通常不再標(biāo)注鎮(zhèn)靜鋼代號(hào)。

（3）半鎮(zhèn)靜鋼（b）半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。三、 碳鋼的牌號(hào)性能及主要用途1、碳素結(jié)構(gòu)鋼：用途：薄板，鐵絲，釘，小軸，螺栓等?；瘜W(xué)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%牌號(hào)：Q+屈服點(diǎn)數(shù)值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)質(zhì)量等級(jí)：用A、B、C、D、E表示硫磷含量不同例：Q235AF代表屈服點(diǎn)σS=235MPa，質(zhì)量為A級(jí)的沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼組織：較多的F+較少的P性能：因?yàn)樘嫉停附有阅芎贸Ｓ锰妓亟Y(jié)構(gòu)鋼：

Q195、Q215、Q235A、Q235B

塑性較好，有一定的強(qiáng)度，通常軋制成鋼筋、鋼板、鋼管等，可用于做橋梁、建筑物等構(gòu)件，也可用做普通螺釘、螺帽、鉚釘?shù)取?/p>

Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。

Q255、Q275強(qiáng)度較高，可軋制成型鋼、鋼板作構(gòu)件用。這類鋼常在熱軋狀態(tài)下使用，不再進(jìn)行熱處理。但對(duì)某些件，也可以進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)、滲碳等處理，以提高其使用性能。

2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：化學(xué)成分：Wc=0.08%--0.85%Wsi=0.17%--0.37%Wsp≤0.035%

牌號(hào)：兩位數(shù)字+符號(hào)表示數(shù)字表示含碳量萬分之幾，40表示鋼中平均含碳量為0.40%。若鋼中錳的含量較高時(shí)，在數(shù)字后面附化學(xué)元素符號(hào)Mn60Mn表示鋼中平均含碳量為0.60%，Mn的含量為0.70%～1.00%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。符號(hào)如果是F則表示是沸騰鋼。例：08F15F常用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：

08F

塑性好，可制造冷沖壓零件；

10、20鋼

冷沖壓性與焊接性能良好，可用作沖壓件及焊接件，經(jīng)過熱處理（如滲碳）也可以制造軸、銷等零件；

35、40、45、50鋼

經(jīng)熱處理后，可獲得良好的綜合機(jī)械性能，用來制造齒輪、軸類、套筒等零件；

60、65鋼

主要用來制造彈簧

齒輪

螺栓

曲軸彈簧（模具）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼使用前一般都要經(jīng)過熱處理。

1)低碳鋼化學(xué)成分：WC≤0.15%組織：退火狀態(tài)下，組織為較多的F和較少P性能：σ和HBS低，而δ.ak好，焊接性好。用途：08F、10F、15F冷變形加工成型件機(jī)殼、容器。