5.5 铁碳合金相图的应用
5.5.1 含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律
1、含碳量对平衡组织的影响 综上所述，铁碳合金在室温的组织都是由F和Fe3C两相组成，随着含碳量增加，F不断减小，而Fe3C逐渐增加，并且由于形成条件不同，Fe3C的形态和分布有所变化。如图3-11所示。
2、含碳量对力学性能的影响 图3-12为含碳量对碳钢的力学性能的影响。由图可见，随着钢中含碳量增加，钢的强度、硬度
26 / 104
升高，而塑性和韧性下降，这是由于组织中渗碳体量不断增多，铁素体量不断减少的缘故。但当WC=0.9%时，由于网状二次渗碳体的存在，强度明显下降。
工业上使用的钢含碳量一般不超过1.4%；而含碳量超过2.11%的白口铸铁，组织中大量渗碳体的存在，使性能硬而脆，难以切削加工，一般以铸态使用。
5.5.2 铁碳相图的应用
1、作为选材的主要依据 相图表明了钢铁材料成分、组织的变化规律，据此可判断出力学性能变化特点，从而为选材提供了可靠的依据。例如，要求塑性、韧性好、焊接性能良好的材料，应选低碳钢；而要求硬度高、耐磨性好的各种工具钢，应选用含碳量较高的钢。
2、制定各种热加工工艺的的主要依据。
铁碳合金的基本组织
名称 晶格、组织 符号 性能 说明 铁 素 体 奥 氏 体 铁素体是碳溶入α-Fe中的间隙固溶体,体心立方晶格,碳在α-Fe中溶解度σb ：180～很小，在727℃时溶解度最280MPa 大，为0.0218%，室温时为F或α HBS：50～80 0.0008%，几乎为零。铁素δ：30％～50％ 体的力学性能与工业纯铁AK ：128～160J 接近，其强度和硬度较低，塑性、韧性良好。其显微组织呈明亮白色等轴多边形晶粒。 奥氏体是碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶解度相对较高，在1148℃时其溶解度最大，达2.11％，σb ：400MPa 在727℃时为0.77％。奥A或γ HBS：160～220 氏体的强度和硬度比铁素δ：40％～50％ 体高，具有良好的塑性和低的变形能力，生产中常将钢材加热到奥氏体状态进行压力加工。其显微组织为明亮的多边形晶粒，晶界较铁素体平直。 27 / 104
名称 晶格、组织 符号 性能 说明 滲碳体渗碳体是钢与碳组成的金属化合物，碳含量wc＝6.69%，熔点为1227℃，具有复杂的晶体结构，是铁碳合金的重要的强化硬度高（约相。渗碳体在铁碳合金中800HBW），塑的形态可呈片状、粒状、Fe3C 性、韧性差，δ、网状、板条状。它的数量AK接近于零，和形态对铁碳合金的力学脆性很大 性能有很大影响。渗碳体越细小，并均匀地分布在固溶体基体中，合金的力学性能越好；反之，越粗大或呈网状分布则脆性越大。 珠光体是由铁素体和滲碳体组成的机械混合物。它是奥氏体冷却时，σb ：750～在727℃恒温下发生共析900MPa 转变的产物，平均碳含量HBS ：180～wc＝0.77％，性能介于铁素280 体和滲碳体之间，强度较δ：20％～25％ 高，硬度适中，有一定的塑性。显微组织为铁素体和滲碳体片层状交替排列。 珠 光 体 P 莱氏体莱氏体是由奥氏体和滲碳体组成的机械混合物，是铁碳合金在1148℃硬度高（约时发生共晶转变的产物。Ld 700HBW）、塑性存于1148～727℃的莱氏(Ld′) 很差 体称高温莱氏体（Ld），存于727℃以下的莱氏体称低温莱氏体(Ld′)。其硬度很高，塑性很差。
6 钢的热处理
6.1 概念
钢的热处理：是一种强化钢材的重要工艺，就是将钢在固态范围内施以不同的加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。
热处理的作用：改善材料工艺性能和使用性能，充分挖掘材料的潜力，延长零件的使用奉命，提高产品质量，节约材料和能源。此外，还可以消除材料经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷、细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。
最终热处理：在生产过程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。
预备热处理：热加工后，为随后的冷拔、冷冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备
28 / 104
的热处理，称为预备热处理。
钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界温度以上，使钢部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。
热处理的种类：根据其加热、冷却方法的不同及钢组织和性能变化的特点可分为普通热处理和表面热处理。普通热处理有：退火、正火、淬火、回火；表面热处理有：表面淬火——感应加热、火焰加热、激光加热，化学热处理——渗碳、氮化、碳氮共渗。
晶粒度：表示晶粒大小的程度。金属平均晶粒度分为1—10级，一般认为，1-4级晶粒为粗晶粒，5-8级晶粒为细晶粒，8级以上为超细晶粒。
贝氏体：奥氏体过冷至550—230℃温度范围内等温时，将得到贝氏体组织，以符号B表示。
马氏体：过冷奥氏体快速冷却至230℃以下，将得到马氏体组织，以符号M表示。 索氏体：钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物，以符号S表示。属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。将淬火钢在450-600℃进行回火，所得到的索氏体称为回火索氏体。
屈氏体：通过奥氏体等温转变所得到的由铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物，以符号T表示。是一种最细的珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细。钢经淬火后在300~450℃回火所得到的屈氏体称为回火屈氏体。 6.2 钢的加热转变：
6.2.1 钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变成奥氏体化过程。由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。
一般以共析钢作为研究对象，了解等温转变奥氏体化的规律。其他钢类似。
共析钢中，珠光体向奥氏体转变包括铁原子的点阵改组，碳原子的扩散和渗碳体的溶解。实验证明珠光体向奥氏体转变符合一般的相变规律，是一个晶核的形成和晶核长大过程。共析珠光体向奥氏体转变包括奥氏体晶核的形成、晶核的长大、残余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化等四个阶段。
29 / 104
连续加热时奥氏体形成的基本过程和等温转变相似，也是由这几个阶段组成。但在相变动力学及相变机理上常会出现若干等温转变所没有的特点。
对于亚共析钢与过共析钢，若加热温度没有超过Ac3或Accm，而在稍高于Ac1停留，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，而共析铁素体或二次渗碳体仍将保留。只有进一步加热至Ac3或Accm以上并保温足够时间，才能得到单相的奥氏体。
6.2.2 奥氏体晶粒度。晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。对钢来说，如果不特别指明，一般是指奥氏体后的实际晶粒大小。奥氏体晶粒度有以下三个不同的概念。
起始晶粒度：指临界温度以上奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚互相接触时的晶粒大小。
实际晶粒度：指在某一热处理加热条件下，所得到的晶粒尺寸。
本质晶粒度：是根据标准实验条件，在930±10℃，保温足够时间（3~8小时）后，测定的钢中奥氏体晶粒的大小。按此法，晶粒度在5~8级者称为本质细晶粒钢，在1~4级者称为本质粗晶粒钢。本质晶粒度并不是实际晶粒大小，它只是描述了晶粒长大的趋势，它说明本质细晶粒钢加热时，奥氏体晶粒长大的倾向小，而本质粗晶粒钢加热量奥氏体晶粒长大的倾向大。实际加热条件下，本质粗晶粒钢的晶粒不一定粗，而本质细晶粒钢的晶粒不一定细。
晶粒长大是一种自发的热力学过程，它是由大晶粒吞并小晶粒的不均匀长大和大晶粒进一步长大的均匀长大两个联合体组成。晶粒的长大主要表现为晶界的移动，高度弥散的、难熔的非金属或金属化合物颗粒对晶粒长大起很大的抑制作用，为了获得细小的奥氏体晶粒，必须保证钢中有足够数量和足够细小难熔的第二相颗粒。
影响因素：加热温度、速度，成分，原始组织等等。 6.3 钢在冷却时的组织转变。
相图只适用于缓慢冷却（平衡状态下的等温转变，在每一个温度都充分转变），而实际热处理则是以一定的冷却速度来进行的。这样，就会得到一些与缓慢冷却时不同的组织。
热处理冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却。
仍然以共析钢作为研究对象，了解等温冷却组织转变的规律。其他钢类似。
过冷奥氏体：是指在相变温度A1以下，未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体（A’）。在不同的过冷度下，反映过冷奥氏体转变产物与时间关系的曲线称为过冷奥氏体等温转变的曲线。由于曲线形状像字母C，故又称为C曲线。
30 / 104