任务3 铁碳合金的性能与组织、成分间的关系及其状态图的应用
一、碳对平衡组织的影响
根据铁碳合金状态图，随着碳的质量分数增加，其组织的变化过程是F↑F＋P↑P↑P＋Fe3CⅡ↑P＋Fe3CⅡ＋L′d↑L′d＋P＋Fe3CI↑Fe3CI，如图4－11（a）所示。wC＝0．021 8%时，组织全部为铁素体F；wC＝0．77%时，全部为珠光体P；wC＝4．3%时，全部为低温莱氏体L′d；wC ＝6．69%时，全部为渗碳体Fe3C，在这些碳的质量分数间的组织如图4－11（b）所示。
铁碳合金在室温下的组织由铁素体F和渗碳体Fe3C两相组成，随着碳的质量分数的增加铁素体F逐渐减少，由（wC＝0．021 8%）从100%按直线减少至0%（wC＝6．69%）；渗碳体Fe3C不断增加，相应地由0%按直线增至100%，如图4－11（c）所示。
二、碳对力学性能的影响
碳的质量分数不同的铁碳合金，其组成相和组织也不同，而其力学性能是由铁碳合金的组成相和组织决定的。碳的质量分数对铁碳合金力学性能的影响如图4－11（d）所示。
硬度随着铁碳合金中碳的质量分数的增加即渗碳体Fe3C的增加呈直线增加，而受到组成相的形态影响较小，由全部铁素体F的硬度80HBS增大到全部渗碳体Fe3C的硬度800HBW。
强度对组织形态很敏感，随着碳的质量分数的增加，铁素体F减少，珠光体P增加，直至全部呈珠光体P，此时强度不断增加，过共析钢中由于强度低的渗碳体Fe3C的出现，铁碳合金强度增长变慢。当碳的质量分数超过1．0%时，会出现硬、脆的网状二次渗碳体Fe3CⅡ，因此，强度急剧下降。到wC为2．11%时出现L′d，强度已降低很多。
4－11 铁碳合金的成分、组织、性能的对应关系
塑性全部依靠铁素体F。由于渗碳体Fe3C极脆，没有塑性，随着碳的质量分数的增加，铁素体F逐渐减少，渗碳体Fe3C逐渐增加，铁碳合金的塑性持续下降。
为了确保钢具有足够的强度和一定的塑性和韧性，工业上应用的碳钢，其碳的质量分数一般不超过1．3%～1．4%。
碳的质量分数大于2．11%的白口铸铁，由于组织中存在大量的渗碳体Fe3C，其性能表现为硬而脆，无法进行压力加工，也很难进行切削加工，因而在工业上很少使用。
三、铁碳合金状态图的应用
铁碳合金状态图综合归纳了组织成分随温度变化而变化的规律，对指导生产实践有重要意义，为工程上钢铁的选材和各种热加工工艺提供了理论依据。
1．合理选材的依据
图4－11所示的是随着碳的质量分数的变化，铁碳合金力学性能变化的情况。碳的质量分数低时，其塑性和韧性好，适用于生产成型性好的各种型材、板材、管材、带材等；而碳的质量分数低的工业纯铁，因强度和韧性过低，不适宜制作受力构件，但它是一种较好的软磁材料；碳的质量分数中等时，其强度、硬度较高，塑性、韧性较好，性能较全面，可制作各种性能要求较高的、能承受冲击的机器零件。共析成分左右的钢，其强度、弹性极限最高，可制作韧性较好的加工工具和弹簧。过共析钢的强度较高，可制作具有高强度、高硬度、耐磨的各种工具。白口铸铁硬度高、脆性大，可制作不受冲击且耐磨的铸件，如冷轧棍、拔丝模、犁铧等。
2．制定铸、锻、热处理工艺的重要依据
（1）在铸造工艺方面的应用。根据铁碳合金状态图可以确定合适的浇注温度，浇注温度一般在液相线以上。铸铁由于具有共晶反应，铸造性能比凝固温度范围大的铸钢好，其中，以共晶成分的合金铸造性能最好，由于其凝固温度范围为零，所以它流动性好，分散缩孔少，且共晶成分合金的熔点最低。
（2）在锻造工艺方面的应用。碳钢进行锻轧时，要求加热到高温呈单相的奥氏体状态。一般始锻温度应在固相线以下100～200℃，过高的加热温度会导致碳钢严重氧化，甚至引起过烧（或称为烧毁，即晶界熔化）。变形工件的组织由终锻温度决定，一般亚共析钢的终锻温度控制在GS线以上，过共析钢的终锻温度应控制在PSK线以上。终锻温度过低，钢材塑性较差，内应力增加，韧性下降，甚至会产生锻造裂缝。
（3）在热处理工艺方面的应用。热处理工艺与铁碳合金状态图的关系就更加密切了，这将在项目5详细论述。
复习思考题4
1．名词解释。
α相 γ相 渗碳体 工业纯铁 共析钢 亚共析钢
过共析钢 共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
2．试绘出简化后铁碳合金状态图，并说明各主要点、线的意义。
3．试从成分、晶格类型及组织形态等来比较一次、二次渗碳体和共晶渗碳体的异同。
4．根据铁碳合金状态图找出碳的质量分数为0．4%和1．2%碳钢的A3或Acm和A1点，并分析从1 000℃高温缓慢冷却至室温的组织变化过程，画出室温时的组织示意图。
5．观察一碳钢显微组织，其珠光体占40%，铁素体占60%，问该碳钢中碳的质量分数是多少？
6．已知铁素体的硬度为80HBS，渗碳体的硬度800HBW，试计算珠光体的硬度，并分析为什么计算值比实际硬度低？
7．计算碳的质量分数为0．3%的碳钢，在平衡状态下铁素体和珠光体的相对量。若平衡状态下珠光体的硬度是180HBS，试估算该钢的HBS。
8．根据铁碳合金状态图填写下表。
9．填写下表，归纳铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和低温莱氏体的特点。
10．试分析在平衡状态下的工业纯铁到碳的质量分数为1．35%的碳素钢，随碳的质量分数的增加其组织和性能变化的规律。
11．试从20、45、T8三种钢的显微组织来说明它们力学性能的不同。
12．根据铁碳合金状态图说明产生下列现象的原因。
（1）wC＝1．0%的钢比wC＝0．5%的钢硬度高。
（2）在室温下，wC＝0．8%的钢其强度比wC＝1．2%的钢高。
（3）在1 100℃时，wC＝0．4%的钢能进行锻造，wC＝4．0%的生铁不能锻造。
（4）钢材一般在1 000～1 250℃高温下进行热轧或锻造。
（5）铆钉一般用低碳钢制造，而切削刀具要用高碳钢制造。
（6）绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（60、65、70、75等钢制成）。
（7）钳工锯T8、T10、T12等钢材时比锯10、20钢费力，锯条容易磨钝。
（8）钢适宜于压力加工成形，而铸铁适宜于铸造成形。
13．铁碳合金状态图在生产实践中有何指导意义？有何局限性？
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