铁碳合金相图与热处理

1 铁碳合金的基本组织

1.1. 铁素体：碳与α-F e 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F 表示。强度和硬度低，塑性和韧性好。纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变。同素异构转变伴有热效应产生，因此在

纯铁的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现

平台。铁的同素异晶转变如下：温度低于912

℃的铁为体心立方晶格，称为α-F e ；温度在912~1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-F e ；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-F e 。

1.2. 奥氏体：碳与γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C ，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe 均具有顺磁性，高温组织，在大于727℃时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A ，提高塑性，易于加工。碳的原子半径较小，在α-Fe 和γ-Fe 中均可进入Fe 原子间的空隙而形成间隙固溶体。碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferri te ），常用符号F 或α表示，其最大溶解度为0.0218wt %C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-F e 在居里点770℃以下均具有铁磁性。

2 铁碳合金状态图

1.3. 渗碳体：铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。用Fe 3C 表示 A1

1.4. 珠光体：F与F e3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。

1.5. 莱氏体：A与F e3C混合物硬度高，塑性差。

在HJ B 水平线（1495℃）发生包晶转变：转变产物是γ。此转变仅发生在含碳0.09~0.53%的铁碳合金中。

ECF 水平线（1148℃）发生共晶转变：转变产物是γ和Fe3C 的机械混合物，称为莱氏体（le deb uri te），用符号L d或L e表示。含碳2.11~6.69%的铁碳合金都发生此转变。

在PSK 水平线（727℃）发生共析转变：转变产物是α和F e3C 的机械混合物，称为珠光体（pea rli te），用符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度（727℃）。

ABCD线：液相线，液相冷却至此开始析出，固相加热至此全部转化为液体。

AHJEC F线：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相至此开始转化。

GS 线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为A3（727℃~912℃）温度。A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A。

ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为A c m（727℃~1148℃）温度。低于此温度时，γ中将析出F e3C，称为二次渗碳体F e3C II，以区别于从液体中经C D 线结晶出的一次渗碳体F e3C I。

PQ 线：碳在α中的溶解度线。α从727℃冷却下来时，也将析出F e3C，称为三次渗碳体F e3C I I。

ECF线：共晶线，含C量 2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C

混合物，莱氏体。

2.1 状态图主要点线、主要点

2.2 铁碳合金分类

2.2.1 钢含C量0.0218～2.11%：共析钢含C量0.77%；亚共析钢0.0218-0.77%；

过共析钢0.77-2.11%。

2.2.2 白口铸铁 2.11-6.69%；共晶白口铸铁 4.3%，亚共晶白口铸铁 2.11-4.3%；过共晶白口铸铁 4.3-6.69%。

2.3 铁碳合金相图的作用：

2.3.1在铸造方面：选择合适的浇铸温度，流动性好。

2.3.2在煅造方面：选择合适的温度区，奥氏体区。

2.3.3在热处理方面：退火，正火，淬火等。

2.4 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响。

一、含碳量对平衡组织的影响。室温下，铁碳合金均由 + Fe3C两相组成。 随含碳量不同，可分为七个典型组织区。

二、含碳量对机械性能的影响

珠光体P：为 F + Fe3C的混合物，呈层片状，由于F e3C的强化作用，珠光体性能较好。

亚共析钢：由 F + P组成，随碳量增加，珠光体量增加，强度性能提高；

过共析钢：P+ Fe3C(II)组成，当含碳量<1%，Fe3C(II)断续分布在晶界处，强度提高；当含碳量>1%， F e3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性能下降。

莱氏体：硬而脆。Fe3C 称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳 6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。

3 热处理

热处理可以改善锻、轧、铸毛坯组织的退火或正火，齿轮箱体消除焊接应力退火和降低工件硬度改善切削加工性能的退火等。也可以是使机械零件性能达到规定技术指标的最终工序，如经淬火加高温回火，使机械零件获得极为良好综合力学性能，例如渗碳齿轮的整个加工工序是：锻造-退火-粗加工-探伤-正火-精加工-渗碳、淬火、回火-喷丸-（磨齿）。由此可见，热处理同其他工艺过程密切，在机械零件加工制造过程中具有十分重要的地位和作用。

1.1 钢的退火和正火的定义和目的：退火是一般是将钢件加热到临界温度以上适当温度，保温适当时间后缓慢冷却，以获得接近平衡的珠光体组织的热处理工艺。图2 为GC r15钢等温球化退火典型工艺。正火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acm

（过供析钢）以上40~60℃或更高温度，保温适当时间达到完全奥氏体和奥氏体均匀化后，一般在自然通风的自然环境下以较快冷却速度冷却，亚共析钢正火处理后的组织是细珠光体和铁素体，共析钢和过供析钢正火后是单一细珠光体。焊接件通