铁碳合金相图与碳钢

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1、第4章铁碳合金相图与碳钢以铁碳合金为基础的碳钢、铸铁是应用最为广泛的金属材料。通过铁碳合金相图可以确定碳钢、铸铁的熔炼、铸造、锻造和热处理工艺参数。4.1铁碳合金相图铁和碳的合金称为铁碳合金。在二元合金中铁碳合金应用最为广泛。根据碳的质量分数不同，可分为碳钢和铸铁两大类。碳钢是指碳的质量分数为0.02%~2.11%的铁碳合金；铸铁是指碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金；铁碳合金相图是研究铁碳合金成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工艺都有重要指导作用。铁碳合金相图诞生已一百多年，经过越来越精确的

2、测定，形成了目前通用的图样。铁碳合金相图较复杂，由多种基本类型相图组成，本节介绍铁碳合金相图中具有实用价值部分的Fe—Fe3C相图。4.1.1.铁碳合金的基本相及组织铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体。(1)铁素体碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体，以符号“F”或“α”表示。铁素体中溶解碳的能力很小，最大溶解度在727℃时，为0.0218%，随着温度的降低，其溶解度逐渐减小，室温时铁素体中只能溶解0.0008%的碳。铁素体的力学性能以及物理、化学性能与纯铁极相近，塑性、韧性很好，强度、硬度很低。(2)奥氏体碳溶

3、解在γ-Fe形成的间隙固溶体，以符号“A”或“γ”表示。奥氏体的溶碳能力比铁素体大，在1148℃时，碳在γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，随着温度降低，其溶解度也减小，在727℃时，为0.77%。奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性高，易于塑性变形。在铁碳合金平衡状态时，奥氏体为高温下存在的基本相，也是绝大多数钢种进行锻压、轧制等加工变形所要求的组织。（3）渗碳体渗碳体是具有复杂晶格的铁与碳的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子。渗碳体一般以“Fe3C”表示，其含碳量为6.69%。渗碳体的硬度很高，为800HB，塑性、韧性很差，几乎等

4、于零，所以渗碳体的性能特点是硬而脆。渗碳体在钢与铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。渗碳体是钢中重要的硬化相，它的数量、形状、大小和分布对钢的性能有很大的影响。渗碳体是一个亚稳定化合物，它在一定的条件下，可以分解而形成石墨状态的自由碳：Fe3C→3Fe+C（石墨），这种反应在铸铁中有重要意义。（4）珠光体珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，用符号“P”表示。其含碳量为0.77%。珠光体是共析反应的产物，由渗碳体片和铁素体片相间组成，其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度较好、脆性不大。（5）莱氏体高温莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符

5、号“Ld”表示，其含碳量为4.3%莱氏体是共晶反应的产物，由含碳量为4.3%的金属液体在1148℃时发生共晶反应时生成。冷却到在727℃以下高温莱氏体中奥氏体又发生共析转变变成珠光体，这时的莱氏体转变为珠光体和渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号“Ld′”表示。莱氏体中渗碳体较多，硬度很高，塑性很差，属脆性组织。4.1.2.Fe—Fe3C相图分析铁和碳两个组元能形成各种固溶体及一系列化合物。如：Fe3C、Fe2C、FeC等。则铁碳二元合金相图可以看成由Fe—Fe3C、Fe3C—Fe2C、Fe2C—FeC、FeC—C四个相图组成。但对于含

6、碳量大于6.69%的铁碳合金，因其力学性能差，在工程中没有实用价值。因此我们只讨论Fe—Fe3C相图。四、刀具角度对加工过程的影响1.前角（γ0）作用①减小切屑的变形；②减小前刀面与切屑之间的摩擦力。所以：γ0增大a.减小切削力和切削热；b.减小刀具的磨损；c.提高工件的加工精度和表面质量。选择：加工塑性材料和精加工—取大前角（γ0增大）加工脆性材料和粗加工—取小前角（γ0减小）前角（α0）可正、可负、也可以为零。2.后角（α0）作用：减小工件加工表面与主后刀面之间的摩擦力。所以aα0增大a.减小切削力和切削热；b.减小刀具的磨损；c.提高工

7、件的加工精度和表面质量。选择：加工塑性材料和精加工—取大后角（α0增大）加工脆性材料和粗加工—取小后角（α0减小）3.主偏角（kr）作用：改善切削条件，提高刀具寿命。减小kr：当ap、f不变时，则aw增大、ac减小，使切削条件得到改善，提高了刀具寿命。但减小krFy增大、Fx减小，加大工件的变形挠度，使工件精度降低。同时，容易引起系统振动。选择：系统刚性好：取较小的kr。100~300、450。系统刚性差：取较大的kr。600、750、900。4.副偏角（kr’）作用：最终形成已加工表面。Kr’减小：使已加工表面残留密集的高度减小，降低工件的

8、表面粗糙度。选择：在不产生振动的前提下，取小值。5.刃倾角（γS）作用：①影响切削刃的锋利程度；②影响切屑流出方向；③影响刀头强度和散热条件；④影响切削力的大小和方