铁碳合金的相图、分类和性质

1.铁碳合金相图

图3-5 纯铁的冷却曲线

(1)纯铁 纯铁的熔点为1538℃。纯铁的冷却曲线如图3-5所示。液态纯铁在1538℃时结晶为具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1394℃时由体心立方晶格的δ-Fe转变为具有面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912℃时又由面心立方晶格γ-Fe转变为具有体心立方晶格α-Fe，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下由于温度的改变而发生晶格类型转变的现象，称为同素异构转变。同素异构转变有热效应产生，故在冷却曲线上，可看出在1394℃和912℃处出现平台。

纯铁在770℃时发生磁性转变，在770℃以下的α-Fe呈磁性，在770℃以上α-Fe的磁性消失。770℃成为居里点，用A₂表示。

工业纯铁虽然塑性好，但强度低，所以很少用它制造零件。工业生产广泛使用的是铁碳合金。

(2)铁碳合金的基本相 铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时根据碳的质量分数不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物，或者形成固溶体与化合物组成的机械混合物。因此铁碳合金在固态下有以下几种基本相。

1)铁素体。碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号F表示。铁素体的力学性能与工业纯铁相似，即塑性、韧性较好，强度、硬度较低。

2)奥氏体。碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体是一个硬度较低、塑性较高的相，适用于锻造。绝大多数钢热成形时要加热到奥氏体状态进行加工。

3)渗碳体。铁与碳形成的金属化合物Fe₃ C称为渗碳体，用Fe₃ C表示。渗碳体中的w_C＝6.69％，熔点为1227℃，是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物。渗碳体的硬度很高，但塑性和韧性几乎等于零。渗碳体是钢中的主要强化相，在铁碳合金中存在形式有:粒状、球状、网状、细片状。其形状、数量、大小及分布对钢的性能有很大影响。

渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会分解，形成石墨状自由碳和铁:Fe₃ C→3Fe＋C(石墨)，这一过程对铸铁具有重要意义。

(3)铁碳合金相图分析 w_C>6.69％的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。另外Fe₃ C中的碳质量分数为6.69％，它是一个稳定的金属化合物，可以作为一个组元。因此，研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe₃ C相图，如图3-6所示。

1)铁碳合金相图分析。相图中的AC和CD线为液相线，AE和ECF线为固相线。相图中有四个单相区:液相区(L)、奥氏体区(A)、铁素体区(F)、渗碳体区(Fe₃ C)。

Fe-Fe₃ C相图主要特征点及含义见表3-1。

表3-1 Fe-Fe₃ C相图中的特征点

图3-6 Fe-Fe₃ C相图

相图由共晶、共析转变组成:

①w_C＝(2.11～6.69)％的铁碳合金，缓冷至1148℃(ECF共晶线)发生共晶转变

LC→AE＋Fe₃ C转变的产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体(Ld)。

②w_C>0.0218％的铁碳合金，缓冷至727℃(PSK共析线)发生共析转变

AS→FP＋Fe₃ C转变的产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体(P)。共析温度以A₁表示。

铁碳合金相图中还有两条重要的特征线:

(a)ES线。它是碳在奥氏体中溶解度曲线。在1148℃时，奥氏体中w_C＝2.11％，而在727℃时，奥氏体中w_C＝0.77％。故凡是w_C>0.77％的铁碳合金自1148℃冷却至727℃时，都会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体(Fe₃ C_Ⅱ)。ES线又称A_cm线。

(b)PQ线:它是碳在铁素体中的溶解度线。在727℃时，铁素体中w_C＝0.0218％，而在室温时，铁素体中w_C＝0.0008％。故一般铁碳合金由727℃冷至室温时，将由铁素体中析出渗碳体称为三次渗碳体(Fe₃ C_Ⅲ)，在碳的质量分数较高的合金中，因其数量极少可忽略不计。

2)铁碳合金分类。按碳的质量分数和显微组织不同，铁碳合金相图中的合金可分为工业纯铁、钢、白口铸铁三大类。

①工业纯铁。w_C＜0.0218％。

②钢。0.0218％＜w_C＜2.11％。钢又可细分为:

(a)亚共析钢。0.0218％＜w_C＜0.77％；

(b)共析钢。w_C＝0.77％；

(c)过共析钢。0.77％＜w_C＜2.11％。

③白口铸铁。2.11％＜w_C＜6.69％。白口铸铁又分为:

(a)亚共晶白口铸铁。2.11％＜w_C＜4.3％；

(b)共晶白口铸铁。w_C＝4.3％；

(c)过共晶白口铸铁。4.3％＜w_C＜6.69％。

(4)碳的质量分数对其工艺性能的影响

1)切削加工性。金属的切削加工性能是指切削加工工件的难易程度。低碳钢中铁素体(F)较多，塑性好，切削加工时切削热大，易粘刀，不易断屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。高碳钢中渗碳体(Fe₃ C)多，刀具磨损严重，故切削加工性也差。中碳钢中铁素体、渗碳体的比例适当，切削加工性好。在高碳钢中，当Fe₃ C呈球状时，可改善切削加工性。

2)可锻性。金属可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。当钢加热到高温得到单相奥氏体(A)组织时，可锻性好。低碳钢中铁素体多可锻性好，随着碳的质量分数增加金属可锻性下降。白口铸铁无论在高温或低温，因组织中是以硬而脆的渗碳体为基体，所以不能锻造。

3)铸造性能。合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平和垂直距离。距离越大，合金铸造性能越差。低碳钢的液相线与固相线距离小，具有较好的铸造性能，但其液相线温度较高，使钢液过热度较小，流动性较差。随着碳的质量分数增加，钢的结晶温度间隔增大，铸造性能变差。共晶成分附近的铸铁，不仅液相线与固相线的距离最小，而且液相线温度也最低，其流动性好，铸造性能好。

4)焊接性。随着钢中碳的质量分数增加，钢的塑性下降，焊接性下降。

2.碳素钢、铸铁

(1)碳素钢

1)碳素钢的分类。按碳的质量分数可分为低碳钢(w_C＜0.25％)、中碳钢(w_C＝0.25％～0.60％)、高碳钢(w_C>0.60％)。按钢的冶金质量和钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数分为普通质量钢(w_S＝0.035％～0.050％，w_P＝0.035～0.045％)；优质钢(w_S、w_P均≤0.035％)；高级优质钢(w_S＝0.020％～0.030％，w_P＝0.025～0.030％)。按用途分为结构钢和工具钢。

2)碳素结构钢。碳素结构钢牌号由代表屈服点屈子的汉语拼音字母、屈服极限数值、质量等级符号及脱氧方法符号四个部分组成。排号中Q表示“屈”；A、B、C、D表示质量，C、D级硫、磷质量分数最低，质量好。例如Q235AF，即表示屈服点为235MPa、A等级质量的沸腾钢。

碳素结构钢的硫、磷含量较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，在力学性能上一般可满足普通机械零件及工程结构件的要求，因此用量大，约占钢材的70％。

3)优质碳素结构钢。其牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。例如45钢，表示平均w_C＝0.45％。优质碳素结构钢按锰的质量分数不同，分为普通锰钢(w_Mn＝0.25％～0.80％)和较高锰钢(w_Mn＝0.70％～1.20％)两组。较高锰的优质碳素结构钢牌号数字后加“Mn”例如45Mn。

优质碳素结构钢中S、P含量较低，非金属夹杂少，因此力学性能比碳素结构钢优良，被广泛用于制造机械产品中较重要的结构件。为了充分发挥其性能潜力，一般是在热处理后使用。

4)碳素工具钢。其牌号用字母“T”，再在后面加数字表示，后面的数字表示平均碳质量分数的千倍。碳素工具钢分优质和高级优质两类。若为高级优质钢，则在数字后面加“A”字。例如T8A钢，表示平均w_C＝0.8％的高级优质碳素工具钢。对含锰较高的碳素工具钢，则在数字后加“Mn”，如T8Mn、T8MnA等。

碳素工具钢一般用于刃具制造，此类钢在机械加工前一般进行球化退火，组织为铁素体＋细小均匀分布的粒状渗碳体，硬度≤217HBW。作为刃具，最终热处理为淬火＋低温回火，组织为回火马氏体＋粒状渗碳体＋少量参与奥氏体。其硬度可达60～65HRC，耐磨性和加工性都较好，价格又便宜，生产上得到了广泛应用。

5)铸造碳钢。其牌号用“ZG”代表铸钢二字的汉语拼音首字母，后面的第一组数字为屈服强度(单位为MPa)，第二组数字为抗拉强度(单位为MPa)。例如ZG200-400，表示屈服强度σ_s≥200MPa，抗拉强度R_m≥400MPa的铸造碳钢件。

铸造碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求比铸铁高的零件，例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等。这种机件，用锻造方法难以生产，用铸铁又无法满足性能要求，只能用碳钢采用铸造方法生产。

(2)铸铁 铸铁是w_C≥2.11％的铁碳合金，合金中含有较多的硅、锰等元素，使碳在铸铁中大多数以石墨形式存在。铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性、减磨性、消振性和低的缺口敏感性，而且熔炼铸铁的工艺和设备简单、成本低。

根据铸铁中石墨的形态，铸铁可分为:灰铸铁(石墨以片状形式存在)、球墨铸铁(石墨以球状形式存在)、蠕墨铸铁(石墨以蠕虫状形式存在)、可锻铸铁(石墨以团絮状形式存在)。

1)灰铸铁。灰铸铁化学成分的一般范围:w_C＝2.5％～4.0％，w_Si＝1.0％～2.2％，w_Mn＝0.5％～1.3％，w_S≤0.15％，w_P≤0.3％。灰铸铁的牌号用“灰铁”二字的汉语拼音的字首“HT”加三位数字表示，这三位数字表示其最小抗拉强度值，例如HT150等。

灰铸铁的力学性能主要取决于基体组织和石墨存在的形式，一般灰铸铁基体的强度与硬度不低于相应的钢，但由于片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零，所以灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性比钢低。灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性，由于石墨存在对其影响不大，故灰铸铁的抗压强度较好。灰铸铁具有良好的铸造性能、切削加工性、减磨性和消振性，另外灰铸铁对缺口的敏感性较低。

2)球墨铸铁。球墨铸铁的化学成分与灰铸铁相比，其特点是碳、硅的质量分数高，而锰的质量分数较低，对硫、磷限制较严，并含有一定量的稀土镁。一般w_C＝3.6％～4.0％，w_Si＝2.0％～3.2％，w_Mn＝0.5％～0.7％，w_S≤0.07％，w_P≤0.1％。

球墨铸铁的牌号由QT与两组数字组成，其中QT表示“球铁”二字汉语拼音的字首，第一组数字代表最低抗拉强度值，第二组数字代表最低伸长率，例如QT400-18等。

由于球墨铸铁的组织是在钢的基体上分布着球状石墨，对金属基体的割裂作用较小，使球墨铸铁的抗拉强度、韧性和塑性、疲劳强度高于其他铸铁，球墨铸铁一个突出优点是其屈服强度比较高，因此对于承受静载荷的零件，可用球墨铸铁代替铸钢。

3)可锻铸铁。可锻铸铁俗称马铁，它因具有一定的塑性与韧性，因此得名可锻铸铁，但实际上是不能锻造的。可锻铸铁组织是钢的基体上分布着团絮状的石墨，分铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁两种。

其牌号由“KTH”或“KTZ”与两组数字表示。其中“KT”表示“可铁”二字的汉语拼音字首；“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的汉语拼音的字首；牌号后边第一组数字表示最小抗拉强度值；第二组数字表示最小伸长率。例如KTH300-06等。

可锻铸铁的力学性能优于灰铸铁，并接近同类基体的球墨铸铁。但与球墨铸铁相比，具有铁水处理简易、质量稳定、废品率低等优点。所以在生产中常用可锻铸铁制造一些截面较薄、形状较复杂、工作时受振动而强度、韧性要求较高的零件。

4)蠕墨铸铁。蠕墨铸铁因其石墨像蠕虫而命名。蠕墨铸铁的力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间，它的抗拉强度、屈服点、伸长率、疲劳强度均优于灰铸铁，接近于铁素体球墨铸铁；而铸造性能、减振性能、导热性、切削加工性均优于球墨铸铁，与灰铸铁接近。

蠕墨铸铁的牌号由RuT与一组数字表示。其中RuT表示“蠕铁”二字汉语拼音的字首，后面的三位数字表示最小抗拉强度值。例如RuT260等。