铁碳合金相图

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铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。它是研究铁碳合金的成分、温度和组织结构之间关系的图形。铁碳合金相图是人类经过长期实践并进行大量科学实验总结出来的。由于C>6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因此相图成粉轴仅标出含碳量小于6.69%的合金部分， 如图所示是简化了的铁碳合金相图。
0 g  c( T* b7 ~, K4 G& z
4 H( F% f* m2 x" o% e, y7 r; a- e; C       
) R6 M  l# G; s0 E; y" \
　　一、铁碳合金相图的主要点、线、区
% f" @1 j/ }& y6 \6 n: {) d　　1、主要特性点
　　Fe-C相图中主要特性点的温度、含碳量及其含义见下表。


　　2、主要特性线
+ P* I8 E+ L* t3 j7 T
　　ACD线：液相线，在此线以上的区域为液相， 当合金液冷却到此线时开始结晶。
+ q0 d( W1 x- [; h　　AECF线：固相线，合金熔液冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固相区。
2 h; h, C8 `5 G3 r　　ECF线：共晶线，它是一条重要的水平线，温度为1148℃，液态合金冷却到此线时，在恒温条件下，将从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即发生共晶反应：

8 l- A( Y+ K- }$ d9 `: U所形成的共晶体为莱氏体。
6 {( U! ^$ m* v4 e8 p& j　　PSK线：共析线，代号A1。也是一条重要的水平线，温度为727℃，当合金冷却到此线时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即共析反应：
3 `' S4 l1 P5 n  m( H8 ^( A
8 G# f9 T3 b/ d: K所形成的共析体为珠光体。
' S3 p9 c' s0 b6 H: ^: j# P1 Z　　ES线 ：代号Acm。是碳在奥氏体中的溶解度线。在1148℃时奥氏体中的溶碳能力最大为2.11%，随着温度降低溶解度沿此线降低，而在727℃时仅为0.77%C，所以含碳量大于0.77%的铁碳合金，自1148℃冷至727℃的过程中，由于奥氏体含碳量的减少， 将从奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII)，以区别于自液体中结晶出的一次渗碳体(Fe3CI)。
- m3 S- l8 I. _　　GS线 ：代号A3，奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体，使奥氏体含碳量沿此线向0.77%递增。
　　3、相图中的主要相区
　　Fe-C相图中的主要相区见下表。
0 j8 ?8 q" {& n: X  M
3 d" l; W3 i9 M; x  v0 L1 S1 m
- Z& {  S, w- s3 S1 u7 S　　二、钢和生铁的划分
+ Y5 Y* |+ b' W! }: l2 n1 Q5 y% S　　E点成分是钢与生铁的分界线，E点左边的铁碳合金称为钢( 含碳量小于0.0218%的称为纯铁)。E点右边的称为生铁。

　　1.工业纯铁（C<0.0218%）
　　常温组织为F，Fe3CIII数量极少，经常忽略。
0 G1 ~% c) A' J5 K　　2.钢(0.0218～2.11) %C
　　钢的共同特点是在AESG区域中全是A组织，当温度下降时A发生如下的转变：若钢的含碳量等于0.77%时，A在727 ℃时全部转变为珠光体，即A →P；若含碳量小于0.77%时，则A在GS线首先析出F，冷却到PSK线时剩余的A发生共析反应转变为P，最后的组织为F+P；若含碳量大于0. 77%时，则A在ES线首先析出二次渗碳体， 冷却到PSK线时，A发生共析反应变成P，最后的组织为P+Fe3CII，所以根据A析出的情况，钢可分为三种：
        亚共析钢：(0.0218～0.77) %C,常温组织为F+P。
        共析钢：C=0.77%，常温组织为P。
        过共析钢：(0.77～2.11) %C，常温组织为P+Fe3CII。
, H. t8 |8 B5 P9 p; m8 b$ O　　3.生铁(白口铁)  (2.11～6.69) %C
　　生铁的共同特点是在ECF线上都有共晶反应，都有莱氏体的组织存在。生铁也分为三种：
" |5 X$ ^$ T! ]& @　　亚共晶生铁：(2.11～4.3)%C，常温组织为：P+Fe3CII+Ld′ 。
　　共晶生铁：C=4.3%，常温组织为Ld′ 。
0 ?" {, f  O0 f5 A) y　　过共晶生铁：(4.3～6.69)%C，常温组织为Ld′+Fe3CI 。
2 S- m) E6 K9 v  {# _　　在1148～727℃之间的莱氏体是A 与渗碳体组成的混合物，在727℃以下的莱氏体是P与渗碳体组成的混合物，莱氏体的性能基本上与渗碳体相同，因此，上述这三种不同的组织的铸铁统称为白口铸铁。
　　三、典型铁碳合金的结晶过程分析
　　(一)钢的组织转变
　　1.共析钢的组织转变
　　含碳量0.77%的共析钢冷却过程中的组织转变如图所示。

+ U: b5 ^8 g. M1 e1 o
: y; m- s$ H9 }! {  C$ Y5 ~: m* J
, `5 {0 ~' E  n. R7 X/ j+ X9 W共析钢的结晶过程
1 l. W! O, G4 P* B4 L/ l" u  x当液态合金温度降到1点以后，开始结晶出奥氏体，直至2点结晶完毕，在2-3点间是单相奥氏体的冷却，当温度降到3点(S点)，奥氏体在恒温下发生共析反应，形成珠光体。温度继续下降至室温，珠光体不再发生组织变化。所以，共析钢室温时的平衡组织为珠光体。如图为共析钢的显微组织示意图。

　　2.亚共析钢的组织转变
2 P+ w8 ?! k* u) V. M) z　　亚共析钢冷却过程中的组织转变如图所示。

6 |1 B7 {- W0 S
, V% R( ?1 i' r* c! Q+ O亚共析钢的结晶过程（点击观看动画）
　　当温度降到1点以后，开始从合金液中结晶出奥氏体，奥氏体的数量随温度的降低而逐渐增多，温度降到2点，合金液全部凝固，在2-3点之间是单一奥氏体冷却。温度降到3点后，从奥氏体中不断析出铁素体。温度降到4点，剩余的奥氏体在恒温下转变成珠光体。4点以下不再发生组织变化， 所以亚共析钢的室温平衡组织是由铁素体和珠光体组成的。其显微组织如图所示。亚共析钢中含碳量愈高，铁素体愈少，而珠光体量则愈多，反之亦然。
/ c4 O" ?1 k! ?$ X3 i5 F. {7 U   
# o& \" t/ j$ l1 l9 l　　3.过共析钢的组织转变
　　过共析钢冷却过程中的组织转变如图所示。
3 r6 P2 C) Q7 w0 k) ^

  k, f. j2 h' |6 C4 W# M& h过共析钢的结晶过程（点击观看动画）
; A9 d# S; J0 W3 a' k* j9 b' P, e当温度降到1点以后，开始从合金液中结晶出奥氏体，直到2点结晶完毕。在2-3点之间为单相奥氏体。到3点时从奥氏体中析出二次渗碳体。随着温度的下降，析出的二次渗碳体不断增加，奥氏体的数量与含碳量却逐渐减少，4点时，剩余的奥氏体的数量进行共析反应，生成珠光体。4点以后组织不再发生变化，所以过共析钢的室温平衡组织是由珠光体和呈网状的二次渗碳体组成，其显微组织如图所示。
! t" ]# t: d4 A, C
. W! P# s1 v3 @, C3 ?　
　　(二)生铁的组织转变
　　可用分析钢的同样方法来分析生铁的组织转变。这里仅以共晶生铁为例。
　　1.共晶生铁的组织转变
　　共晶生铁冷却过程中的组织转变如图所示。

" \1 c+ I# t% l6 A. f　　当温度降到1点(C点)时，在恒温下发生共晶反应，全部液体均转变为莱氏体，即共晶渗碳体基体上分布着奥氏体的共晶体。在1-2点之间从奥氏体中不断析出二次渗碳体，但因它混合于基体之中而无法分辨，当冷却到2点时，剩余的奥氏体在恒温下发生共析反应，转变成珠光体。因此，共晶白口铁的平衡组织是由珠光体和渗碳体组成的低温莱氏体。共晶生铁的显微组织 如图。

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标准直齿圆柱齿轮参数计算                                                        计算结果               
4 w, s3 h+ _/ j! ~                                                        齿轮1        齿顶高        ha        2.5
  p$ K+ m% s9 t* |                                                                齿根高        hf        3.125
" ], h3 U& P( I, _% p3 Z6 |                                                                齿全高        h        5.625
                                                                分度圆直径        d        50
, g! M; M" W! n1 m7 Y                                                                基圆直径        db        46.98462848
                                                                齿顶圆直径        da        55
                                                                齿根圆直径        df        43.75
                                                                齿距        p        7.853975
                                                                齿厚        s        3.9269875
                                                                齿槽宽        e        3.9269875
                                                                齿顶圆压力角        aa        0.546659166
                                                        配合参数        重合度        εa        1.605177114
                                                                顶隙        C        0.625
  A/ [/ c+ d' G; Z" t* k; I; `! R0 ]                                                                中心距        a        62.5
" P  n3 N5 Z& C% y% v  V1 ]4 m                                                        齿轮2        齿顶高        ha        2.5
                                                                齿根高        hf        3.125
                                                                齿全高        h        5.625
% o7 V7 t! x) q6 W7 I                                                                分度圆直径        d        75
                                                                基圆直径        db        70.47694272
                                                                齿顶圆直径        da        80
; a+ {: j6 f2 ^1 N已知参数                                                                齿根圆直径        df        68.75
) @  d& s; a1 M' N                                                                齿距        p        7.853975
6 B3 T: s, z% r) G6 b模数        压力角        齿轮1        齿顶高系数        顶隙系数        齿轮2                        齿厚        s        3.9269875
. j! a" _9 ^9 |$ Xm        a        Z1        ha*        C*        Z2                        齿槽宽        e        3.9269875
, S2 s5 s% a/ I2.5        0.349066        20        1        0.25        30                        齿顶圆压力角        aa        0.492905392