基于工作过程的铁碳合金相图应用

田欣+肖志勇+孔庆玲+刘春玲

摘要铁碳合金相图是机械制造应用过程中的重点。本文根据铁碳合金相图的原理简单介绍了在工作过程中铁碳合金相图的一些应用方法。

关键词铁碳合金相图应用材料

Abstract：Iron carbon alloy phase diagram is the focus in the application process of mechanical manufacturing. According to the principle of the iron carbon alloy phase diagram and introduces some methods in the process of iron carbon alloy phase diagram.

Keyword: Iron carbon alloy phase diagram；application；material

0引言

铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。

1利用相图求材料各相的相对量

例：如图所示Pb-Sn合金相图，已知含Sn量40%的合金冷却至200 ℃时L相与α相的相对量。

图1Pb-Sn合金相图解: 利用杠杆定理:

如图以40%Sn为支点(O1 点) , 以L含Sn量60% (B1点) 及α含Sn 量18% (C1 点) 为两端点得:

α%×C1O1=L%×O1B1(1)

α%+L%=1(2)

合并（1）、（2）方程得：

L%=C1O1/C1B1

=(40-18)/(60-18)

≈524%

α%=476%

但是需要注意的是，杠杆定理只适用于相图中的两相区。如液—固, 固—固两相区, 三相共存区无法用, 单相区无需用。那么, 有三种组织组成物的典型合金求相对含量则需两次应用杠杆定理即可。

2在选材方面的应用

铁碳合金相图总结了组织成分的变化规律。根据组织就可以大致判断出力学性能，从而可以合理地选择材料。如表1所示。

表1不同工作条件的选材范围

工作条件选材（含碳量）塑性高、韧性好的各种型材和建筑结构小于0.25%的钢承受冲击载荷，以及要求较高强度、塑性和韧性的机器零件025%～055%的钢耐磨性好、硬度高的各种工模具大于055%的钢形状复杂、不受冲击，要求耐磨的铸件白口铸铁3制定加工工艺方面的应用

铁碳合金相图总结了不同成分合金在缓慢加热和冷却时组织变化的规律，这就为制定热加工工艺提供了依据。

（1）铸造方面的应用

按铁碳合金相图可确定合适的浇注温度，一般在液相线以上50～100 ℃。另外由相图可知，共晶成分的合金结晶温度最低，结晶区间最小，故可推知它们的流动性好，分散缩孔少，可得到致密的铸件。因此，在铸造生产中，接近于共晶成分的铸铁就能得到较广泛的应用。

（2）锻、轧方面的应用

室温时碳钢是由铁素体和渗碳体组成的双相组织，塑性较差，变形也不均匀，只有将其加热到单相奥氏体状态，才能有较好的塑性，易于塑性变形。温度越高，塑性愈好，愈易产生塑性变形。因此，钢材在进行锻造和轧制时，要将坯料加热到单相奥氏体温度范围。一般始锻轧温度控制在固相线以下100～200 ℃范围内，温度不宜过高，以免钢材氧化严重；而终锻轧温度,对于亚共析钢应控制在稍高于GS线以上；对于过共析钢应控制在稍高于PSK线以上，温度不能过低，以免使钢材产生加工硬化，塑性变形，导致产生裂纹。

（3）焊接方面的应用

焊接过程，焊缝处在熔融状态，从焊缝到母材各区域温度变化是不同的，把它与相图上的相应温度区域对照比较，就可知道其组织状态和性能情况，在随后的冷却中，也可出现不同的组织和性能变化，这就常需要在焊接后采用热处理方法加以改善。相图为焊接和焊后的热处理工艺提供了依据。

（4）热处理方面的应用

由铁碳合金相图可知，在固态加热或冷却过程中均有相的变化，故钢和铸铁可以进行退火、正火、淬火和回火等热处理。如表2所示。表2不同热处理方法的应用

热处理加热温度冷却方法应用范围退火完全退火加热到Accm冷却至600 ℃左右时将工件出炉空冷亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件等温退火加热到Ac3（或Ac1）温度以上较快的冷却到Ar1以下的某个温度并在此温度等温停留，然后在空气中冷却处理高碳钢、合金工具钢和高合金钢球化退火加热到Ac1以上20～40 ℃随炉冷却至室温降低硬度，如T10钢经球化退火后，硬度由HBS255~321降到小于HBS197均匀化退火加热到Ac3以上150～250 ℃缓慢冷却质量要求高的优质合金钢铸锭和铸件去应力退火500～650 ℃随炉缓慢冷却至300~200 ℃出炉空冷消除铸件、锻件、焊件的内应力，稳定尺寸正火加热到Ac3（或Ac1）温度以上30～50 ℃空气中冷却细化晶粒，调整硬度，消除网状渗碳体，为后续加工、球化退火及淬火等做好组织准备淬火加热到Ac3以上30～50 ℃快速冷却回火低温回火150~250 ℃冷却到室温高碳钢和合金钢制作的刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳以及表面淬火的零件中温回火350~500 ℃冷却到室温各种弹簧和模具高温回火500~650 ℃冷却到室温各种重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等，也可作为某些精密零件的预先热处理4结语

铁碳合金相图内容理论性较强而且比较抽象，但是在实际工作中应用比较广泛，本文在求相对量、选材和制定加工工艺方面介绍了铁碳合金相图的应用，希望能为制造也提供一定的依据。

参考文献：

[1]史美堂.金属材料及热处理［M］.上海：上海科学技术出版社，1980：42-45，66-67.

[2]朱莉.机械工程材料［M］.北京：机械工业出版社，2008：45-48.

[3]许德珠.机械工程材料［M］.北京：高等教育出版社，1992：64-76.

[4]张至丰.金属工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2005：34-56.（05）

endprint

摘要铁碳合金相图是机械制造应用过程中的重点。本文根据铁碳合金相图的原理简单介绍了在工作过程中铁碳合金相图的一些应用方法。

关键词铁碳合金相图应用材料

Abstract：Iron carbon alloy phase diagram is the focus in the application process of mechanical manufacturing. According to the principle of the iron carbon alloy phase diagram and introduces some methods in the process of iron carbon alloy phase diagram.

Keyword: Iron carbon alloy phase diagram；application；material

0引言

铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。

1利用相图求材料各相的相对量

例：如图所示Pb-Sn合金相图，已知含Sn量40%的合金冷却至200 ℃时L相与α相的相对量。

图1Pb-Sn合金相图解: 利用杠杆定理:

如图以40%Sn为支点(O1 点) , 以L含Sn量60% (B1点) 及α含Sn 量18% (C1 点) 为两端点得:

α%×C1O1=L%×O1B1(1)

α%+L%=1(2)

合并（1）、（2）方程得：

L%=C1O1/C1B1

=(40-18)/(60-18)

≈524%

α%=476%

但是需要注意的是，杠杆定理只适用于相图中的两相区。如液—固, 固—固两相区, 三相共存区无法用, 单相区无需用。那么, 有三种组织组成物的典型合金求相对含量则需两次应用杠杆定理即可。

2在选材方面的应用

铁碳合金相图总结了组织成分的变化规律。根据组织就可以大致判断出力学性能，从而可以合理地选择材料。如表1所示。

表1不同工作条件的选材范围

工作条件选材（含碳量）塑性高、韧性好的各种型材和建筑结构小于0.25%的钢承受冲击载荷，以及要求较高强度、塑性和韧性的机器零件025%～055%的钢耐磨性好、硬度高的各种工模具大于055%的钢形状复杂、不受冲击，要求耐磨的铸件白口铸铁3制定加工工艺方面的应用

铁碳合金相图总结了不同成分合金在缓慢加热和冷却时组织变化的规律，这就为制定热加工工艺提供了依据。

（1）铸造方面的应用

按铁碳合金相图可确定合适的浇注温度，一般在液相线以上50～100 ℃。另外由相图可知，共晶成分的合金结晶温度最低，结晶区间最小，故可推知它们的流动性好，分散缩孔少，可得到致密的铸件。因此，在铸造生产中，接近于共晶成分的铸铁就能得到较广泛的应用。

（2）锻、轧方面的应用

室温时碳钢是由铁素体和渗碳体组成的双相组织，塑性较差，变形也不均匀，只有将其加热到单相奥氏体状态，才能有较好的塑性，易于塑性变形。温度越高，塑性愈好，愈易产生塑性变形。因此，钢材在进行锻造和轧制时，要将坯料加热到单相奥氏体温度范围。一般始锻轧温度控制在固相线以下100～200 ℃范围内，温度不宜过高，以免钢材氧化严重；而终锻轧温度,对于亚共析钢应控制在稍高于GS线以上；对于过共析钢应控制在稍高于PSK线以上，温度不能过低，以免使钢材产生加工硬化，塑性变形，导致产生裂纹。

（3）焊接方面的应用

焊接过程，焊缝处在熔融状态，从焊缝到母材各区域温度变化是不同的，把它与相图上的相应温度区域对照比较，就可知道其组织状态和性能情况，在随后的冷却中，也可出现不同的组织和性能变化，这就常需要在焊接后采用热处理方法加以改善。相图为焊接和焊后的热处理工艺提供了依据。

（4）热处理方面的应用

由铁碳合金相图可知，在固态加热或冷却过程中均有相的变化，故钢和铸铁可以进行退火、正火、淬火和回火等热处理。如表2所示。表2不同热处理方法的应用

热处理加热温度冷却方法应用范围退火完全退火加热到Accm冷却至600 ℃左右时将工件出炉空冷亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件等温退火加热到Ac3（或Ac1）温度以上较快的冷却到Ar1以下的某个温度并在此温度等温停留，然后在空气中冷却处理高碳钢、合金工具钢和高合金钢球化退火加热到Ac1以上20～40 ℃随炉冷却至室温降低硬度，如T10钢经球化退火后，硬度由HBS255~321降到小于HBS197均匀化退火加热到Ac3以上150～250 ℃缓慢冷却质量要求高的优质合金钢铸锭和铸件去应力退火500～650 ℃随炉缓慢冷却至300~200 ℃出炉空冷消除铸件、锻件、焊件的内应力，稳定尺寸正火加热到Ac3（或Ac1）温度以上30～50 ℃空气中冷却细化晶粒，调整硬度，消除网状渗碳体，为后续加工、球化退火及淬火等做好组织准备淬火加热到Ac3以上30～50 ℃快速冷却回火低温回火150~250 ℃冷却到室温高碳钢和合金钢制作的刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳以及表面淬火的零件中温回火350~500 ℃冷却到室温各种弹簧和模具高温回火500~650 ℃冷却到室温各种重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等，也可作为某些精密零件的预先热处理4结语

铁碳合金相图内容理论性较强而且比较抽象，但是在实际工作中应用比较广泛，本文在求相对量、选材和制定加工工艺方面介绍了铁碳合金相图的应用，希望能为制造也提供一定的依据。

参考文献：

[1]史美堂.金属材料及热处理［M］.上海：上海科学技术出版社，1980：42-45，66-67.

[2]朱莉.机械工程材料［M］.北京：机械工业出版社，2008：45-48.

[3]许德珠.机械工程材料［M］.北京：高等教育出版社，1992：64-76.

[4]张至丰.金属工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2005：34-56.（05）

endprint

摘要铁碳合金相图是机械制造应用过程中的重点。本文根据铁碳合金相图的原理简单介绍了在工作过程中铁碳合金相图的一些应用方法。

关键词铁碳合金相图应用材料

Abstract：Iron carbon alloy phase diagram is the focus in the application process of mechanical manufacturing. According to the principle of the iron carbon alloy phase diagram and introduces some methods in the process of iron carbon alloy phase diagram.

Keyword: Iron carbon alloy phase diagram；application；material

0引言

铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。

1利用相图求材料各相的相对量

例：如图所示Pb-Sn合金相图，已知含Sn量40%的合金冷却至200 ℃时L相与α相的相对量。

图1Pb-Sn合金相图解: 利用杠杆定理:

如图以40%Sn为支点(O1 点) , 以L含Sn量60% (B1点) 及α含Sn 量18% (C1 点) 为两端点得:

α%×C1O1=L%×O1B1(1)

α%+L%=1(2)

合并（1）、（2）方程得：

L%=C1O1/C1B1

=(40-18)/(60-18)

≈524%

α%=476%

但是需要注意的是，杠杆定理只适用于相图中的两相区。如液—固, 固—固两相区, 三相共存区无法用, 单相区无需用。那么, 有三种组织组成物的典型合金求相对含量则需两次应用杠杆定理即可。

2在选材方面的应用

铁碳合金相图总结了组织成分的变化规律。根据组织就可以大致判断出力学性能，从而可以合理地选择材料。如表1所示。

表1不同工作条件的选材范围

工作条件选材（含碳量）塑性高、韧性好的各种型材和建筑结构小于0.25%的钢承受冲击载荷，以及要求较高强度、塑性和韧性的机器零件025%～055%的钢耐磨性好、硬度高的各种工模具大于055%的钢形状复杂、不受冲击，要求耐磨的铸件白口铸铁3制定加工工艺方面的应用

铁碳合金相图总结了不同成分合金在缓慢加热和冷却时组织变化的规律，这就为制定热加工工艺提供了依据。

（1）铸造方面的应用

按铁碳合金相图可确定合适的浇注温度，一般在液相线以上50～100 ℃。另外由相图可知，共晶成分的合金结晶温度最低，结晶区间最小，故可推知它们的流动性好，分散缩孔少，可得到致密的铸件。因此，在铸造生产中，接近于共晶成分的铸铁就能得到较广泛的应用。

（2）锻、轧方面的应用

室温时碳钢是由铁素体和渗碳体组成的双相组织，塑性较差，变形也不均匀，只有将其加热到单相奥氏体状态，才能有较好的塑性，易于塑性变形。温度越高，塑性愈好，愈易产生塑性变形。因此，钢材在进行锻造和轧制时，要将坯料加热到单相奥氏体温度范围。一般始锻轧温度控制在固相线以下100～200 ℃范围内，温度不宜过高，以免钢材氧化严重；而终锻轧温度,对于亚共析钢应控制在稍高于GS线以上；对于过共析钢应控制在稍高于PSK线以上，温度不能过低，以免使钢材产生加工硬化，塑性变形，导致产生裂纹。

（3）焊接方面的应用

焊接过程，焊缝处在熔融状态，从焊缝到母材各区域温度变化是不同的，把它与相图上的相应温度区域对照比较，就可知道其组织状态和性能情况，在随后的冷却中，也可出现不同的组织和性能变化，这就常需要在焊接后采用热处理方法加以改善。相图为焊接和焊后的热处理工艺提供了依据。

（4）热处理方面的应用

由铁碳合金相图可知，在固态加热或冷却过程中均有相的变化，故钢和铸铁可以进行退火、正火、淬火和回火等热处理。如表2所示。表2不同热处理方法的应用

热处理加热温度冷却方法应用范围退火完全退火加热到Accm冷却至600 ℃左右时将工件出炉空冷亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件等温退火加热到Ac3（或Ac1）温度以上较快的冷却到Ar1以下的某个温度并在此温度等温停留，然后在空气中冷却处理高碳钢、合金工具钢和高合金钢球化退火加热到Ac1以上20～40 ℃随炉冷却至室温降低硬度，如T10钢经球化退火后，硬度由HBS255~321降到小于HBS197均匀化退火加热到Ac3以上150～250 ℃缓慢冷却质量要求高的优质合金钢铸锭和铸件去应力退火500～650 ℃随炉缓慢冷却至300~200 ℃出炉空冷消除铸件、锻件、焊件的内应力，稳定尺寸正火加热到Ac3（或Ac1）温度以上30～50 ℃空气中冷却细化晶粒，调整硬度，消除网状渗碳体，为后续加工、球化退火及淬火等做好组织准备淬火加热到Ac3以上30～50 ℃快速冷却回火低温回火150~250 ℃冷却到室温高碳钢和合金钢制作的刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳以及表面淬火的零件中温回火350~500 ℃冷却到室温各种弹簧和模具高温回火500~650 ℃冷却到室温各种重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等，也可作为某些精密零件的预先热处理4结语

铁碳合金相图内容理论性较强而且比较抽象，但是在实际工作中应用比较广泛，本文在求相对量、选材和制定加工工艺方面介绍了铁碳合金相图的应用，希望能为制造也提供一定的依据。

参考文献：

[1]史美堂.金属材料及热处理［M］.上海：上海科学技术出版社，1980：42-45，66-67.

[2]朱莉.机械工程材料［M］.北京：机械工业出版社，2008：45-48.

[3]许德珠.机械工程材料［M］.北京：高等教育出版社，1992：64-76.

[4]张至丰.金属工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2005：34-56.（05）

endprint