内容发布更新时间 : 2025/1/1 6:10:48星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

1铁碳相图分析

Fe-Fe3C相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将Fe-Fe3C相图分成上下两个部分来分析。

1，上半部分——共晶转变

℃

在1148℃，4.3%C的液相发生共晶转变：Lc 1148 γE＋Fe3C，转变的产物称为莱氏体，用符号Ld表示。

存在于1148℃～727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号Ld表示，组织由奥氏体和渗碳体组成；存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号Ldˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。

低温莱氏体是由珠光体，Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上，Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起，一般无法分辨。

2，下半部分 —— 共析转变

℃

在727℃，0.77%的奥氏体发生共析转变：γS 727 αp＋Fe3C，转变的产物称为珠光体。 共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体。 3，相图中的一些特征点

相图中应该掌握的特征点有：A，D，E，C，G（A3点），S（A1点），它们的含义一定要搞清楚。 4， 铁碳相图中的特性线

相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线，PSK线（A1线），GS线（A3线），ES线（Acm线）

水平线ECF为共晶反应线。碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。

水平线PSK为共析反应线。碳质量分数为0.0218%～6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。

℃

水平线HJB为包晶转变线。LB＋δH 1495 γJ。

GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。 ES线是碳在A中的溶解度曲线（固溶线），通常叫做Acm线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%， 而在727℃时仅为0.77%， 因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中， 将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CII）。Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。

PQ线是碳在F中溶解度曲线（固溶线）。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%， 室温时仅为0.0008%， 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中， 将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CIII）。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少，往往予以忽略。

例 根据铁碳合金相图分析亚共析钢的结晶过程及组织转变？

解 以含碳量Wc为0.4%的合金为例。当液相冷却至BC线时，液相中开始析出奥氏体晶粒，在温度不断下降过程中。奥氏体量不断增加，当温度降到JE线时，液相全部变为单一均匀奥氏体。在温度为JE线与GS线之间时仍为奥氏体。当冷却到GS线时，奥氏体中开始析出铁素体。随着温度不断降低，铁素体量逐渐增多，奥氏体量逐渐减少。当温度降到A1线（727℃）时，奥氏体的含碳量Wc升至0.77%则发生共析反应而转变为珠光体。继续冷却至室温合金的组织为铁素体和珠光体。所有的亚共析钢，其室温组织都是由铁素体和珠光体组成的，不同之处在于铁素体和珠光体的相对量不同。含碳量愈高，组织中珠光体量愈多，而铁素体量愈少。因此，可根据亚共析钢缓冷下的室温组织估计其碳含量Wc=Sp30.77%。

式中Wc—钢中C的质量分数；Sp—珠光体在显微组织中所占的面积百分比；0.77%—珠光体的C的质量分数。

三、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响

按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系。

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（分布在铁素体内的层片状） 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．含碳量对机械性能的影响

渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。

低碳钢的组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高。随着含碳量的增加，钢的组织中铁素体量不断减少，而珠光体量不断增加，导致强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，当钢的含碳量增加至0.9%

13

时，其组织大多数为珠光体，且有尚未成为网状的渗碳体作为强化相，使其强度达到最大值。当Wc＞1.0%时，由于网状Fe3CII出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度、硬度和适宜的塑性、韧性，其Wc一般不超过1.3%～1.4%。

3．含碳量对工艺性能的影响

对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。

对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度也不能过低，以免产生裂纹。

对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。

一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。 习题3. 简述低碳钢、中碳钢和高碳钢的划分标准及其各自的性能特点。 答：低碳钢（Wc为0.10％～0.25％），若零件要求塑性、韧性好，焊接性能好，例如建筑结构、容器等，应选用低碳钢；中碳钢（Wc为0.25％～0.60），若零件要求强度、塑性、韧性都较好，具有综合机械性能，便如轴类零件，应选用中碳钢；高碳钢（Wc为0.60％～1.30％），若零件要求强度硬度高、耐磨性好，例如工具等，应选用高碳钢。

习题4. 简述铁碳相图的应用。

（1）为选材提供成份依据 Fe-Fe3C相图描述了铁碳合金的平衡组织随碳的质量分数的变化规律，合金性能和碳的质量分数关系，这就可以根据零件性能要求来选择不同成份的铁碳合金。

（2）为制订热加工工艺提供依据 Fe-Fe3C相图总结了不同成份的铁碳合金在缓慢冷却时组织随温度变化的规律，这就为制订热加工工艺提供了依据。

a. 铸造 根据Fe-Fe3C相图可以找出不同成份的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度。

根据相图中液相线和固相线之间的距离估计铸造性能的好坏，距离越小，铸造性能越好，例如纯铁、共晶成分或接近共晶成分的铸铁铸造性能比铸钢好。因此，共晶成分的铸铁常用来浇注铸件，其流动性好，分散缩孔小，显微偏析少。

b. 锻造 根据Fe-Fe3C相图可以确定锻造温度。始轧和始锻温度不能过高，以免钢材氧化严重和发生奥氏体晶界熔化（称为过烧）。一般控制在固相线以下100～200℃。一般对亚共析钢的终轧和终锻温度控制在稍高于GS线（A3线）；过共析钢控制在稍高于PSK线（A1线）。实际生产中各处碳钢的始锻和始轧温度为1150～1250℃，终轧和终锻温度为750～850℃。

c. 焊接 由焊缝到母材在焊接过程中处于不同温度条件，因而整个焊缝区出现不同组织，引起性能不均匀，可根据相图来分析碳钢的焊接组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性和焊接应力。

d. 热处理 热处理的加热温度都以相图上的临界点A1、A3、Acm为依据。

由相图可知，任何成分的钢加热到A1温度以上时，都会发生珠光体向奥氏体的转变。将共析钢、亚共析钢和过共析钢分别加热到A1、A3、Acm以上时，都完全转变为单相奥氏体，通常把这种加热转变称为奥氏体化。显然加热的目的就是为了使钢获得奥氏体组织，并利用加热规范控制奥氏体晶粒大小。钢只有处于奥氏体状况才能通过不同的冷却方式使其转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。

拉力试验是用来测定金属材料的强度、塑性。金属材料试验机可以做抗拉试验，还可进行弯曲、压缩、伸长率、断面收缩率等项目的试验。

材料的抗拉强度（ζb）按下式计算：?b?Fb A0式中Fb—试样拉断前承受的最大外力（N）。A0—试样原始横截面积（mm2）。 为了测定材料在受拉力状态下对缺口的敏感程度，还可做缺口拉伸试验。

对于在服役条件下承受附加弯曲的零件如螺栓等，必要时做缺口偏斜拉伸试验。缺口偏斜拉伸试验是在试验机的拉伸夹具中加一个带一定斜度的垫圈，常用的偏斜角为4°或8°，相应的缺口强度标记为?bN或

4 14

8?bN。

为了测定某些特殊材料在一定高温下的强度指标，在拉伸试验机上加一个电阻加热或感应加热的加热装置即可。低温试验则需安装一个低温箱，用干冰或液氮做为冷却剂。一些先进的材料试验机，本身带有高温和低温拉伸试验装置。

对于脆性材料和低塑材料可进行弯曲试验和压缩试验。 对于检测表面强化试件的力学性能进行扭转试验最为合适。

冲击试验是将冲击试样放在冲击试验机的支座上，使试样的缺口背向摆锤的冲击方向，再将具有一定质量的摆锤，由一定高度自由落下，测得一次冲击试样缺口处单位面积所消耗的功，称为冲击韧度（αk）。

冲击试验主要用于结构钢。对于脆性材料（如铸铁、铸铝等）和塑性很好的材料（如铜、黄铜和奥氏体钢等）一般均不采用冲击试验。

为了测定材料的韧脆转变温度，以判断材料的冷脆性或回火脆性，常常采用系列冲击试验。即通过不同温度下的冲击试验测得一系列的冲击值而得到材料冲击韧度随试验温度变化曲线，然后以（αk max＋αk min）/2相当的温度或50%纤维断口相当的温度确定为韧脆转变温度Tk。

测定金属材料化学成分的常用方法有化学分析法、火花鉴别法、光谱分析法和看谱镜法。 1. 化学分析法

（1）测定钢铁中的含碳量 其原理是首先在高温下将钢铁试样中的碳燃烧生成二氧化碳后再进行测定。较常用的是气体容量定碳法：将试样在高温（1100～1300℃）的氧气流中燃烧，使碳燃烧生成二氧化碳，硫燃烧生成二氧化硫，再把混合气体经除硫后收集于量气管中，用氢氧化钾溶液吸收二氧化碳，以吸收前后的体积之差测出二氧化碳的体积，通过换算确定碳的含量。此方法适用于含碳量约0. 10%～2.00%的碳钢及合金钢试样。

（2）钢铁中含锰量的测定方法 亚砷酸钠—亚硝酸钠容量法（过硫酸铵容量法）是将试样经酸溶解，在硫酸—磷酸混合酸介质中以硝酸银为催化剂，用过硫酸铵将二价锰氧化成七价，再用亚砷酸钠一亚硝酸钠标准液滴定。此方法适用于普通钢、铸铁及含铬质量分数为2%以上、含锰质量分数为3%以下的合金钢与合金铸铁。

（3）含铬量的测定方法 一般测试含铬质量分数为1%以下的低合金钢多采用二苯卡巴肼比色法，而对于高含铬量的合金钢则采用过硫酸铵银盐容量法。

（4）含钼量的测定方法 硫氰酸盐直接比色法可适用于含钼质量分数为0.1%～2.0%的钢和合金铸铁。 （5）含钨量的测定方法 硫氰酸盐直接比色法可适用于含钨质量分数为0.05%～1.0%的碳钢和合金钢。

2. 火花鉴别法

依靠观察材料被砂轮磨削时产生的流线、节点、苞花、爆花和尾花及色泽特征、形态来鉴别钢铁牌号。 砂轮片宜采用中硬度46～60号普通氧化铝砂轮，不宜使用碳化硅或白色氧化铝砂轮。火花鉴别法只能定性和半定量地对碳钢和合金元素含量较高的合金钢进行鉴别，适宜于生产现场初步判断钢种。

3. 光谱分析法

大型精密光谱仪适用中央实验室，对于热处理现场，一般可使用台式光谱仪或便携式光谱仪。 4. 看谱镜法

通常的化学分析法、光谱分析法和火花鉴别法只能测出材料的平均成分，无法测定微观尺度上元素分布不均或沉淀相及夹杂物的化学成分。目前微区化学成分分析的主要方法有电子探针X射线分析、离子探针显微分析、俄歇电子能谱分析以及激光显微光谱分析等。

金相分析包含以下三个方面：原材料缺陷的低倍检验、断口分析和显微组织检验。

钢的低倍检验通常是用肉眼或低倍放大后观察判断的，因此也称为宏观检验。钢材进厂前或使用前必须进行缺陷检查。低倍检验的内容一般包括疏松、缩孔、偏析、白点、夹杂和裂纹等。低倍检验的一般方法有：酸浸蚀方法，包括冷浸蚀、热浸蚀和电解浸蚀。评级标准参照《结构钢低倍组织缺陷评级图》。钢中若硫化物和磷化物偏析严重，最方便的检验方法是印痕法（硫印法和磷印法）。

断口分析主要用于失效分析、原材料缺陷分析、零件加工缺陷分析、热处理质量分析、使用环境分析。常用的断口分析方法有：宏观观察分析、光学显微镜分析、电子显微镜分析。典型的断口形貌特征可分为：韧性断口、解理型和准解理型脆性断口、沿晶开裂的脆性断口、疲劳断口、氢脆断口、应力腐蚀断口等。

显微组织检验：光学显微镜分析方法、定量金相分析方法、晶粒度测定方法、电子显微镜分析方法。 采用X射线探伤法可检验焊缝和铸钢件的内部缺陷，如焊缝中较宽的裂缝未熔合、未焊透、夹渣、气孔

15

及铸钢件中的冷隔和缩孔等，但对于零件内部的裂纹不宜采用此法。对于焊缝中的裂纹、未熔合、未焊透，锻件及轧材中的白点、夹渣、缩孔等采用超声波探伤法其灵敏度和穿透深度都超过射线探伤法。

检查截面均一的型材、管材、棒材和线材等金属材料表面和内部的缺陷采用涡流探伤法，检验速度快。该方法多用于流水生产线上自动进行探伤。

磁粉探伤和莹光探伤多用于检验材料零件表面上的缺陷（如裂纹）；莹光及着色探伤多用于不锈钢及有色金属等非磁性材料的表面缺陷探伤。

钢按用途分类：碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 碳素结构钢 普通碳素结构钢如Q195、Q215，Q235，Q255，Q275等。一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。优质碳素结构钢主要用于制造机器零件，一般都要经过热处理以提高力学性能。15、20、25钢用于制做尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理调质后用于制做（受力不大的）轴类零件；50、55、65钢经淬火＋中温回火后具有高的弹性极限，常用于制做负荷不大、尺寸较小（截面尺寸小于12mm）的弹簧。

碳素工具钢 T7、T7A钢经淬火＋低温回火热处理后制造承受振动与冲击载荷、要求较高韧性的工具，如凿子、打铁用模、各种锤子、木工工具等；T8、T8A钢经热处理后制造承受振动与冲击载荷、要求足够韧性和较高硬度的各种工具，如简单模子、冲头、剪切金属用剪刀、木工工具、煤矿用凿等；T10、T10A钢用于制造不受突然振动、在刃口上要求有少许韧性的工具、如刨刀、冲模、丝锥、板牙、手锯锯条、卡尺等；T12、T12A钢等用于制造不受振动，要求极高硬度的工具，如钻头、丝锥、锉刀、刮刀等。

低合金结构钢 16Mn钢经热轧空冷后ζs≥325MPa，广泛用于制做桥梁、船舶及车辆等结构件；14CrMnMoVB钢经调质处理后ζs≥650MPa，用于制做中温高压容器（＜560℃）。

合金渗碳钢 经过渗碳热处理后使用的低合金钢主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击条件下工作的零件，表面要求高的硬度及高的接触疲劳强度，心部则要求有良好的韧性。低淬透性合金渗碳钢

（ζb=800～1000MPa）如20MnZ、20MnV、20Cr、20CrV钢等，用于制造尺寸较小的零件，如小齿轮、活塞销等；中淬透性合金渗碳钢（ζb=1000～1200MPa）如20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB、20CrMnMo钢等，应用最广泛的是20CrMnTi钢，用于制造受高速、中速、冲击和在剧烈摩擦条件下工作的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等；高淬透性合金渗碳钢（ζb＞1200MPa）如18Cr2Ni4WA钢等，用于制造大截面、高负荷以及要求高耐磨性及良好韧性的重要零件，如飞机、坦克的曲轴、齿轮及内燃机车的主动牵引齿轮等。

合金调质钢 主要用于制造受力复杂，要求综合力学性能的重要零件。这些零件在工作过程中承受弯曲、扭转或拉—压交变载荷与冲击载荷的复合作用，它们既要有高强度，又要有高的塑性、韧性、良好的综合力学性能。低淬透性合金调质钢如40Cr、40MnB钢等，用于制造截面尺寸较小或载荷较小的连杆螺栓、机床主轴等零件；中淬透性合金调质钢，如35CrMo、38CrSi钢等，用于制造截面尺寸较大的火车发动机曲轴、连杆等；高淬透性合金调质钢，如38CrMoA1A、40CrNiMoA钢等，用于制造截面尺寸大，载荷大的零件，如精密机床主轴、汽轮机主轴、航空发动机曲轴、连杆等。

合金弹簧钢 弹簧应具有高的弹性极限和屈服强度，以保证其吸收大量的弹性能而不发生塑性变形。此外，还应具有较高的疲劳强度和足够的塑性、韧性，以防止弹簧发生疲劳断裂和冲击断裂。合金弹簧钢65、65Mn、60Si2Mn、70Si3MnA钢主要用于制造截面＜25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧；50CrVA、50CrMnA、60SiZMnWA、55SiMnMoVNb、60Si2MnBRe、65Si2MnWA钢等用于制造截面尺寸≤30mm，并在350～400℃工作的重载弹簧，如阀门弹簧、内烧机的汽阀弹簧等。

滚珠轴承钢 主要用于制造滚珠、滚针和套圈等，也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠及精密偶件如针阀体、柱塞、柱塞套等。滚珠轴承在工作时，承受高达3000～5000MPa的交变接触压应力及很大的摩擦力，还会受到大气、润滑油的浸蚀。因此，滚珠轴承应具有高的接触疲劳强度和高而均匀的硬度和耐磨性及一定的韧性和耐腐蚀性能。GCr9、GCr15淬透性较低，用于制做中、小型滚动轴承及冷冲模、量具、丝杠等；GCr9SiMn、GCr15SiMn钢用于制做大型滚动轴承。

合金工具钢 各类工具大多数在工作中既要承受很大的局部压力与磨损，又要承受冲击、振动与热的作用。因此，工具既要有高的硬度和耐磨性，又要有足够的韧性，对于刃口或型腔温度高的工具还应有高的热稳定性或耐疲劳性。9Mn2V、9CrSi、Cr2、CrWMn等高碳低合金工具钢，主要用于制做低速、中速切削刀具（板牙、丝锥、钻头、铰刀等）、中等负荷的冷成形模具（冷冲模冷轧辊、冷压模、冷轧辊等）及量具；5CrMnMo钢、5CrNiMo钢用于制做热锻模；3Cr2W8V钢用于制做高应力压模、铆钉或螺钉热压模、压铸模等；Cr12MoV钢用于制做冷切剪刀、圆锯、切边模、滚边模、标准工具与量规、拉丝模、螺纹滚模等。高速钢W18Cr4、W6Mn5Cr4V2等主要用于制造车刀、刨刀、钻头、铣刀等，还广泛应用于冷、热变形模具。

16