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在极其缓慢的加热或冷却的条件下（平衡态），铁碳合金的成分与组织状态、温度三者之间的关系及其变化规律的图解称之为铁碳合金相图。它清楚的反映了铁碳和金的成分、温度、组织之间的关系，是研究钢和铸铁及其加工处理（铸、锻、焊、热处理等加工工艺）的重要理论基础。相图通过实验测绘形成，不同的合金具有不同的相图。由于ωc6.69%的铁碳合金已无实用价值，仅仅研究Fe-Fe3C部分，故又称为Fe-Fe3C相图，一般应用的是铁碳合金状态图的简图，如图3-12所示。 (1)铁碳合金状态图 整个相图实际上是由点、线、面组成。图中任意一点都是对应着两个基本坐标参量：纵坐标是温度，横坐标是成分（含碳量），其位置则反映出所处的组织状态。一系列合金的特性点就组成了特性线，由特性线组成不同的相区，单相区和两相区等。横坐标的左端表示含碳量为零，即100%的纯铁，右端ωc=6.69%，即100%的Fe3C。横坐标上任何一点，均表示一种成分的铁碳合金。 根据对途中主要特征点、线和相区组织的分析，铁碳合金按含碳量及室温组织的不同，可分为以下三大类，并把铁碳合金的平衡组织归纳为表3-3： 1)工业纯铁（α铁） ωc≤0.0218%，成分在相图P点以左，其显微组织为单相铁素体。 2)碳钢 ωc为0.0218%～2.11%，成分在P、E点之间，高温固态组织微奥氏体。根据室温组织的特点，以S点为界分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三类。 3)白口铸铁（生铁） E点和F点之间成分的合金，ωc为2.11%～6.69%。 Lˊd+ Fe3CⅠ 莱氏体+一次渗碳体 ≥6.69 过共晶白口铸铁 Lˊd 莱氏体 4.3～6.69 共晶白口铸铁 P+Fe3CⅡ+ Lˊd 珠光体+二次渗碳体 +莱氏体 2.11～4.3 亚共晶白口铸铁 白口铸铁 （生铁） P+Fe3CⅡ 珠光体+二次渗碳体 0.77～2.11 过共析钢 P 珠光体 0.77 公析钢 F+P 铁素体+珠光体 0.0218～0.77 亚共析钢 碳钢 F 铁素体 ≤0.0218 工业纯铁 符号表示 室温平衡组织 ωc (%) 种类 表3-3 按照相图分类的铁碳合金及室温平衡组织 (2)含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 随着含碳量的增加，合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形态、分布也有变化，因此，合金的力学性能也相应发生变化。铁碳合金的成分、组织、力学性能等变化规律如图3-13所示。 图3-13 铁碳合金的成分、组织及性能的变化规律 当钢中ωc0.9%时，随着含碳量的增加，钢的强度、硬度上升，而塑性、韧性不断降低。这是因为随着钢中含碳量的增加，组织中作为强化相的渗碳体数量增多的缘故。钢中渗碳体的数量越多，分布越均匀，钢的强度越高。当钢中ωc0.9%以后，由于渗碳体呈明显的网状分布于晶界处或以粗大片状存在于基体中，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，同时又具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.3%～1.4%；碳的质量分数大于2.11%的白口铸铁，因组织中存在大量的渗碳体，既硬又脆，难以切削加工，故在一般机械制造工业中应用较少。 (3)Fe-Fe3C相图的应用 1)在选材方面的应用 根据组织（常值室温组织）、性能和成分的变化规律，可作为合理选材的重要依据。例如：建筑工程用钢、冷冲压件、焊接件等需要塑性、韧性良好的材料，应选用低碳范围的钢；受力较复杂的机械结构零件，如轴类零件等，要求强度、塑性和韧性都较好即具有 综合力学性能的材料，应选用中碳范围的钢；而需要高强度、高耐磨性好的各种工具，则应选用高碳范围的钢等。 2)在制定热加工工艺方面的应用 Fe-Fe3C相图反映了铁碳合金成分、组织和温度三者的变化规律，即不同的成分的合金存在不同的温度且有不同的组织状态，这就为在工程上选材和制定铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据。如确定铸造的熔化温度、浇注温度，确定锻造加热温度计始锻、终锻温度范围，、确定热处理的加热温度范围等。 必须指出的是，相图只能作为选材和制定热加工工艺的工具和参考，不能死搬硬套，还必须结合实际材料中的其他元素的影响及实际中温度的影响等。 二、钢的热处理方法简介 1.热处理的概念 钢的热处理是指钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的工艺。其目的在于改善钢材的使用性能和工艺性能。因此，热处理在机械制造中占有十分重要的地位。 根据加热和冷却方法不同，常用的热处理方法大致分类如下： 热处理 普通热处理（整体热处理）：退火、正火、