铁碳相图的应用和局限性

5.3.4　铁碳相图的应用和局限性

1．Fe–Fe₃C相图的应用

（1）在钢铁材料选用方面的应用

Fe–Fe₃C相图所表明的成分——组织——性能的规律，为钢铁材料的选用提供了依据。对于建筑结构和各种型钢，其塑性、韧性要求较高，因此应选用碳含量较低的钢材。而对于各种机械零件，需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具的强度、硬度要求高并且耐磨性好，则应选碳含量高的钢种。

纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但由于其磁导率高，矫顽力低，可作为软磁材料使用，例如电磁铁的铁芯等。白口铸铁的硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。

（2）在铸造工艺方面的应用

根据Fe–Fe₃C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中，碳的质量分数往往控制在0.15%～0.6%之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。

（3）在热锻、热轧工艺方面的应用

钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100℃～200℃范围内。温度高时，钢的变形抗力小，节约能源，设备吨位要求低，但也不能过高，以防钢材严重烧损或发生晶界熔化（过烧）。终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生断裂。亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低。过共析钢变形的终止温度应控制在PSK线以上，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。终止温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大，使热加工后的组织也粗大。一般始锻温度为1150℃～1250℃,终锻温度为750℃～850℃。

（4）在焊接工艺方面的应用

随着含碳量的增加，可焊性变差，故焊接用钢主要是低碳钢和低合金钢，铸铁主要是修复和焊补。

（5）在热处理工艺方面的应用

Fe–Fe₃C相图对于制定热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe–Fe₃C相图确定的。这将在热处理一章中详细阐述。

2．Fe–Fe₃C相图的局限性

Fe–Fe₃C相图的应用很广，为了正确掌握它的应用，必须了解其下列局限性。

（1）相图反映的是平衡相，而不是组织。相图能给出平衡条件下的相、相的成分和各相的相对质量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。

（2）相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态。实际生产中应用的钢和铸铁，除了铁和碳以外，往往含有或有意加入其他元素。被加入元素的含量较高时，相图将发生重大变化。严格来说，在这样的条件下铁碳相图已不适用。

（3）相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态。相的平衡只有在非常缓慢的冷却和加热，或者在给定温度长期保温的情况下才能达到。就是说，相图没有反映时间的作用。所以钢铁在实际的生产和加工过程中，当冷却和加热速度较快时，常常不能用相图来分析问题。

必须指出，对于普通的钢和铸铁，在基本上不违背平衡的情况下，例如在炉中冷却，或甚至在空气中冷却时，Fe–Fe₃C相图的应用是有足够的可靠性和准确度的。而对于特殊的钢和铸铁，或在距平衡条件较远的情况下，利用Fe–Fe₃C相图来分析问题是不正确的，但仍可利用它作为考虑问题的依据。