工程材料/Fe-C相圖

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鐵碳相圖
鐵碳相圖

Fe-C相圖上的各種合金[編輯]

  • 工業純鐵 [ω(C)≤0.0218%]
  • 碳素鋼 [0.0218%<ω(C)≤2.11%] 按含碳量又可分為三類:
  • 亞共析鋼[0.0218%<ω(C)<0.77%]
  • 共析鋼[ω(C)=0.77%]
  • 過共析鋼[0.77%<ω(C)≤2.11%]
  • 白口鑄鐵 [2.11%<ω(C)<6.69%] 按含碳量又可分為三類:
  • 亞共晶白口鑄鐵[2.11%<ω(C)<4.3%]
  • 共晶白口鑄鐵[ω(C)=4.3%]
  • 過共晶白口鑄鐵[4.3%<ω(C)≤6.69%]


Fe-C相圖中的點和線[編輯]

Fe-C相圖中的特性點[編輯]

符號 溫度(攝氏度) ω(C)(%) 含義
溫度 ω(C)
A 1538 0 純鐵的熔點
B 1495 0.53 包晶轉變時液態合金的成分
C 1148 4.30 共晶點
D 1227 6.69 滲碳體的熔點 滲碳體的含碳量
E 1148 2.11 共晶轉變溫度 碳在γ-Fe中的最大溶解度
F 1148 6.69 滲碳體的含碳量
G 912 0 γ-Fe⇌α-Fe同素異構轉變溫度
H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度
J 1495 0.17 包晶點
K 727 6.69 共析轉變溫度 滲碳體的含碳量
M 770 0 α-Fe的磁性轉變溫度
N 1394 0 δ-Fe⇌γ-Fe同素異構轉變溫度
O 770 0.5
P 727 0.0218 共析轉變溫度 碳在α-Fe中的最大溶解度
S 727 0.77 共析點
Q 室溫 0.008 室溫時碳在α-Fe中的溶解度

Fe-C相圖中的線[編輯]

  • ABCD——液相線,鐵碳合金冷卻時開始結晶/加熱時完全融化的理論溫度連線,此線以上全部為液相。
  • AHJECF——固相線,鐵碳合金加熱時開始融化/冷卻時完全結晶的理論溫度連線,此線以下全部為固相。
  • HJB——包晶線,該線所在溫度為1495℃。凡0.09%≤ωC≤0.53%(即ωC值落在H點和B點橫坐標間的的鐵碳合金)在此溫度下均會發生包晶轉變,反應式為LBH⇌AJ,包晶轉變的產物是單相奧氏體。
  • ECF——共晶線,該線所在溫度為1148℃。凡2.11%≤ωC≤6.69%(即ωC值落在E點和F點橫坐標間的的鐵碳合金)在此溫度下均會發生共晶轉變,反應式為LC⇌(AE+Fe3C),共晶轉變的產物是由奧氏體和滲碳體組成的共晶體,稱為萊氏體,用符號Ld表示。
  • PSK——共析線,該線所在溫度為727℃。凡0.0218%≤ωC≤6.69%(即ωC值落在P點和K點橫坐標間的的鐵碳合金)在此溫度下均會發生共析轉變,反應式為AS⇌(FP+Fe3C),共析轉變的產物是由鐵素體與滲碳體組成的共析體,稱為珠光體,用符號P表示。
  • ES——碳在奧氏體中的溶解曲線,又稱Acm線。在1148℃(E點處)時,碳在奧氏體中溶解度最大,為2.11%;在727℃(S點處)時,碳在奧氏體中溶解度最小,為0.77% 。所以凡是ωC≥0.77%的鐵碳合金,在由1148℃緩冷至727℃時都會沿奧氏體晶界析出滲碳體,稱為二次滲碳體,用符號Fe3CII表示。
  • PQ——碳在鐵素體中的溶解度曲線。在727℃(P點)時,碳在鐵素體中的溶解度最大,為0.0218%;溫度越低溶解度越小,室溫下(Q點)處溶解的只有0.0008% 。因此凡是ωC≥0.0008%的鐵碳合金,在由727℃緩冷至室溫時都會沿著鐵素體晶界析出滲碳體,稱為三次滲碳體,用符號Fe3CIII表示。但三次滲碳體析出量很少,一般不予考慮。
  • GS——奧氏體與鐵素體之間的轉變曲線,又稱A3線。此線以上全部為奧氏體。

Fe-C相圖的應用[編輯]

Fe-C相圖在選材方面的應用[編輯]

建築結構用鋼材要求塑性、韌性好,宜選用低碳鋼;
機械零件設計,由於要求強度、塑性和韌性具有良好的配合,宜選用中碳鋼;
模具或工具要求材料硬度高、耐磨性好,宜選用高碳鋼。
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,鑄造性能優良,適用於作要求耐磨、不受衝擊、形狀複雜的鑄件,例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機的磨球等。

Fe-C相圖在鑄造工藝方面的應用[編輯]

根據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,它們的凝固溫度區間最小,因而流動性好,分散縮孔少,可以獲得緻密的鑄件,所以鑄鐵在生產上總是選在共晶成分附近。
在鑄鋼生產中, 碳質量分數在0.15%-0.6%之間, 因為這個範圍內鋼的結晶溫度區間較小, 鑄造性能較好。

Fe-C相圖在熱鍛、熱軋工藝方面的應用[編輯]

鋼處於奧氏體狀態時強度較低,塑性較好,因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區進行。
一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100℃~200℃範圍內。一般始鍛溫度為1150℃~1250℃,終鍛溫度為750℃~850℃。

Fe-C相圖在熱處理工藝方面的應用[編輯]

Fe-Fe3C相圖對於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、回火的加熱溫度都是依據Fe-Fe3C相圖確定的。這將在熱處理一節中詳細闡述。