3.1 热处理基本原理

铸铁、钢都是铁和碳的合金。改善其性能，主要有两个途径：①调整化学成分，称为合金化方法；②进行热处理或结合变形的方法，这也称为改善组织方法。通常是将两者有机结合以达到改善性能的目的。

1.铁碳合金平衡图

铁碳合金平衡图（又称为铁碳合金状态图）表示的是：一定成分的铁碳合金在某个温度下，当所有的变化（如相变、反应、扩散等）都充分彻底地完成（简称为达到平衡状态）以后，会出现什么样的组织结构。它非常简明地表明了铁碳合金在平衡状态下，它的成分、温度、组织三者之间的关系，因而成为分析钢及铸铁性能和讨论热处理工艺问题的最基本的出发点。它是钢铁材料及其热处理的重要基础知识。

铁碳合金平衡图在实用上并不讨论合金成分的全体。含碳量＞6%的铁碳合金，在工业上还没有使用价值，铁碳状态图只标出100%Fe（0%C）～6.69%C（100%Fe ₃ C）的成分区间，因此有时它也标成铁和渗碳体（Fe ₃ C）平衡图。图3-1为铁碳合金平衡图。表3-1、表3-2、表3-3分别是图中各点、线的特性及图中出现的各基本组织的特性，表3-4、表3-5分别为临界点的符号、意义及铁碳合金按平衡组织的分类。

铁碳合金平衡图与金相组织见图3-2，其组织特性见表3-3。

2.铁碳合金状态图的应用

（1）钢铁材料的选用

铁碳合金平衡图表示了铁碳合金的组织和性能随成分变化的规律，因而在依据工件的性能要求进行选材时，铁碳合金状态图就成为重要的依据。

在实际选材中，若需要塑性和韧性高的材料，应选用低碳钢（C＜0.25%）；需要强度、塑性和韧性都较好的材料，应选用中碳钢（C＝0.25%～0.60%）；需要硬度高和耐磨性好的材料，应选用高碳钢（C＝0.6%～1.4%）。一般各种金属构件可以选用碳质量分数较低的钢，各种机器零件可以选用碳质量分数适中的钢，各种工具则一般选用碳的质量分数较高的钢。白口铁可用作需要耐磨但不受冲击载荷的工件。

（2）热加工工艺的制定

① 铸造。依据铁碳合金平衡图的液相线，可以找出不同成分铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化和浇注温度。

② 锻造。钢经过加热后，获得了奥氏体组织，它的强度低巨塑性好，有利于塑性变形。因而钢材在轧制或锻造的温度范围内，一般应选择在单一奥氏体组织范围内进行。

③ 焊接。在焊接时，焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，由铁碳合金平衡图可知，在不同的加热温度下会得到不同的组织，在随后的冷却过程中，可能会出现不同的组织和性能，这就需要在焊接后采用热处理的方法来加以改善。

④ 热处理。铁碳合金平衡图与热处理有着较为直接的联系，依据工件材料性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度都是参考铁碳合金平衡图来选用的。

铁碳合金平衡图与热加工温度的关系如图3-3所示。图3-4是铁碳合金成分、组织、性能关系综合示意图。

3.合金元素对钢铁性能的影响

合金元素在钢中的存在形式见表3-6，主要合金元素对钢性能的影响见表3-7，合金元素对钢组织的影响见表3-8，合金元素对热处理工艺的影响见表3-9。

（Fe ₃ C）Ⅰ：一次渗碳体 （Fe ₃ C）Ⅱ：二次渗碳体

注：各成分的含量皆指质量分数。