铁碳合金

铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。

铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。钢铁材料适用范围广阔的原因，首先在于可用的成分跨度大，从近于无碳的工业纯铁到含碳4％左右的铸铁，在此范围内合金的相结构和微观组织都发生很大的变化；另外，还在于可采用各种热加工工艺，尤其金属热处理技术，大幅度地改变某一成分合金的组织和性能。铁碳合金是钢和铁的总称，是工业上应用最广泛的合金。铁碳合金是以铁为基本元素，以碳为主加元素组成的合金。在液态时，铁和碳可以无限互溶。在固态时，碳溶于铁中形成固溶体。当含碳量超过碳在铁中的固态溶解度时，则出现金属化合物。此外，还可以形成由固溶体和金属化合物组成的机械混合物。

铁碳合金中合金相的形成，与纯铁的晶体结构及碳在合金中的存在形式有关。纯铁有三种同素异构状态：912℃以下为体心立方晶体结构：称α-Fe；912～1394℃为面心立方晶体结构，称γ-Fe；1394～1538℃(熔点)，又呈体心立方，称δ-Fe。在液态，在低于7％碳范围，碳和铁可完全互溶；在固态，碳在铁中的溶解是有限的，并且溶解度取决于铁(溶剂)的晶体结构。与铁的三种同素异构物相对应，碳在铁中形成的固溶体有三种：α固溶体(铁素体)、γ固溶体(奥氏体)和δ固溶体(8铁素体)。这些固溶体中，铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸远比铁原子为小，在固溶体中它处于点阵的间隙位置，造成点阵畸变。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超过2．11％；碳在α-Fe中的溶解度不超过0.0218％；而在δ6-Fe中不超过0.09％。当铁碳合金的碳含量超过在铁中的溶解度时，多余的碳可以以铁的碳化物形式或以单质状态(石墨)存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C(渗碳体，6．69％C)是亚稳相，它是具有复杂结构的间隙化合物。石墨是铁碳合金的稳定平衡相，具有简单六方结构。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相，但该过程在室温下是极其缓慢的。工业上获得广泛应用的碳钢和铸铁就是铁碳合金，含碳低于2．11％的铁碳合金称为钢，含碳高于2．11％的合金称为铸铁。在碳钢和铸铁中除碳之外，还含有硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等一些杂质，这些杂质是在冶炼过程中由生铁、脱氧剂和燃料等带入的。这些杂质对钢铁性能产生影响。

综述碳素钢有各种分类方法，如按化学成分（即以含碳量）可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。按用途则又可分为碳素结构钢、碳素工具钢。此外，还可以按冶炼方法和所保证的性能要求等来进行分类。普通碳素结构钢又称普通碳素钢，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其它残余元素含量的限制较宽。在中国和某些国家根据交货的保证条件又分为三类：甲类钢（A类钢）是保证力学性能的钢。乙类钢（B类钢）是保证化学成分的钢。特类钢（C类钢）是既保证力学性能又保证化学成分的钢，常用于制造较重要的结构件。中国生产和使用最多的是含碳量在0.20%左右的A3钢（甲类3号钢），主要用于工程结构。有的碳素结构钢还添加微量的铝或铌[ní]（或其它碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒，以限制晶粒长大，使钢强化，节约钢材。在中国和某些国家，为适应专业用钢的特殊要求，对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整，从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢（如桥梁、建筑、钢筋、压力容器用钢等）。按含碳量分类1）小于0.25%C为低碳钢，其中尤以含碳低于0.10%的08F，08Al等，由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车、制罐等，20G则是制造普通锅炉的主要材料，此外，低碳钢也广泛地作为渗碳钢，用于机械制造业。2） 0.25～0.60%C为中碳钢，多在调质状态下使用，制作机械制造工业的零件。3） 大于0.6%C为高碳钢，多用于制造弹簧、齿轮、轧辊[gǔn]等，根据含锰量的不同，又可分为普通含锰量（0.25～0.8%）和较高含锰量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）两钢组。锰能改善钢的淬[cuì]透性，强化铁素体，提高钢的屈服强度、抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”，如15Mn、20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。碳素工具钢含碳量在0.65～1.35%之间，经热处理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各种工具、刃具、模具和量具（见工具钢）。含碳量在2.11%时，作为铸铁和碳钢的黄金分割点。碳含量在2.11%之前为碳钢。碳含量在2.11%之后为铸铁。而碳含量在0.0218%至0.77%之间称为亚共析钢，0.77%至2.11%之间称为过共析钢。含碳量为0.77%为共析钢。碳含量在2.11%至4.3%，称为亚共晶白口铸铁，碳含量在4.3%至6.69%之间称为过共晶白口铸铁。碳含量在4.3%为共晶白口铸铁。按铸铁中存在形式分类根据碳在铸铁中存在的形式不同铸铁可分为：白口铸铁（绝大部分碳以渗碳体形式存在于铸铁中）、灰口铸铁（绝大部分碳以片状石墨形式存在）、可锻铸铁（由白口铸铁经石墨化退火制成，其中碳以团絮状石墨形式存在）和球墨铸铁（在浇注前经球化处理，碳以球状或团状石墨存在。1、按含碳量分类碳钢一般按含碳量、用途、质量和冶炼方法分类。按含碳量可分为：低碳钢(C<0.25％)，中碳钢(0.25％<C<0.6％)，高碳钢(C>0.6％)；按钢的用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢两大类；按钢的质量可分为：普通碳素钢(S≤0.055％，P≤0.45％)，优质碳素钢(S、P≤0.04％)和高级优质碳素钢(s≤0．030％，P≤0．035％)三大类；按冶炼方法可分为沸腾钢和镇静钢、半镇静钢。2、按铸铁中存在形式分类

根据碳在铸铁中存在的形式不同铸铁可分为：白口铸铁：绝大部分碳以渗碳体形式存在于铸铁中；灰口铸铁：绝大部分碳以片状石墨形式存在；可锻铸铁：由白口铸铁经石墨化退火制成，其中碳以团絮状石墨形式存在；球墨铸铁：在浇注前经球化处理，碳以球状或团状石墨存在。

1、铁素体铁素体是碳溶解在a－Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示。它仍保持的体心立方晶格，其溶碳能力很小，常温下仅能溶解为0.0008％的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02％。由于铁素体含碳量很低，其性能与纯铁相似，塑性、韧性很好，伸长率δ＝45％～50％。强度、硬度较低，σb≈250MPa，而HBS＝80。2、奥氏体奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727℃时溶碳为ωc＝0.77％,1148℃时可溶碳2.11％。奥氏体是在大于727℃高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。3、渗碳体渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为ωc＝6.69％，熔点为1227℃。其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。4、珠光体珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片装珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc＝0.77％。其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，决定于珠光体片层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。5、莱氏体莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。使用碳素钢是指通常含碳量小于1.35％的铁碳合金﹐其中还含有限量以内的硅﹑锰和磷﹑硫等杂质及其它微量的残余元素。碳素钢是近代工业中使用最早﹑用量最大的基本材料﹐世界各工业国家﹐在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时﹐也非常注意改进碳素钢质量﹐扩大品种和使用范围。特别是20世纪50年代以来﹐氧气转炉炼钢﹑炉外喷吹﹑连续铸钢和连续轧制等新技术被普遍采用﹐进一步改善了碳素钢的质量﹐扩大了使用范围。目前碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重﹐约保持在80％左右﹐它不仅广泛应用于建筑﹑桥梁﹑铁道﹑车辆﹑船舶和各种机械制造工业﹐而且在近代的石油化学工业﹑海洋开发等方面﹐也得到大量使用。1、碳素钢的分类 碳素钢有各种分类方法﹐如按化学成分(即以含碳量)可分为低碳钢﹑中碳钢和高碳钢。按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。按用途则又可分为碳素结构钢﹑碳素工具钢。此外﹐还可以按冶炼方法和所保证的性能要求等来进行分类。普通碳素结构钢又称普通碳素钢﹐对含碳量﹑性能范围以及磷﹑硫和其它残余元素含量的限制较宽。在中国和某些国家根据交货的保证条件又分为三类﹕甲类钢(A类钢)是保证力学性能的钢。乙类钢(B类钢)是保证化学成分的钢。特类钢 (C类钢)是既保证力学性能又保证化学成分的钢﹐常用于制造较重要的结构件。中国目前生产和使用最多的是含碳量在0.20％左右的A3钢(甲类3号钢)﹐主要用于工程结构。有的碳素结构钢还添加微量的铝或铌(或其它碳化物形成元素)形成氮化物或碳化物微粒﹐以限制晶粒长大﹐使钢强化﹐节约钢材。在中国和某些国家﹐为适应专业用钢的特殊要求﹐对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整﹐从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢(如桥梁﹑建筑﹑钢筋﹑压力容器用钢等)。优质碳素结构钢和普通碳素结构钢相比﹐硫﹑磷及其它非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同﹐这类钢大致又分为三类﹕ 1）小于0.25％C为低碳钢﹐其中尤以含碳低于0.10%的08F﹐08Al等﹐由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车﹑制罐……等﹐20G则是制造普通锅炉的主要材料﹐此外﹐低碳钢也广泛地作为渗碳钢﹐用于机械制造业﹐ 2） 0.25～0.60％C为中碳钢﹐多在调质状态下使用﹐制作机械制造工业的零件。3）大于0.6％C为高碳钢﹐多用于制造弹簧﹑齿轮﹑轧辊等﹐根据含锰量的不同﹐又可分为普通含锰量(0.25～0.8％)和较高含锰量(0.7～1.0％和0.9～1.2％)两钢组。锰能改善钢的淬透性﹐强化铁素体﹐提高钢的屈服强度﹑抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”﹐如15Mn﹑20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。碳素工具钢含碳量在0.65～1.35％之间﹐经热处理后可得到高硬度和高耐磨性﹐主要用于制造各种工具﹑刃具﹑模具和量具(见工具钢)。2、化学成分对碳素钢性能的影响 碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下﹐随含碳量的增加﹐钢的强度和硬度升高﹐而塑性和冲击韧性下降。焊接性和冷弯性变差。所以工程结构用钢﹐常限制含碳量。碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰﹑硅﹑镍[niè]﹑磷﹑硫﹑氧﹑氮等﹐对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强﹐有时互相抵销。例如﹕硫﹑氧﹑氮都能增加钢的热脆性﹐而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。残余元素除锰﹑镍外都降低钢的冲击韧性﹐增加冷脆性。除硫和氧降低强度外﹐其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。氢在钢中能造成很多严重缺陷﹐如产生白点﹑点状偏析﹑氢脆﹑表面鼓泡和焊缝热影响区内的裂缝等。为保证钢的质量﹐必须尽可能降低钢中氢的含量。脱氧带入的残余元素如铝﹐可减小低碳钢的时效倾向﹐还可以细化晶粒﹐提高钢在低温下的韧性﹐但余量不宜过多。由炉料中带入的残余元素如镍﹑铬﹑钼[mù]﹑铜等﹐含量高时可提高钢的淬透性﹐但对要求具有高塑性的专用钢﹐如深冲用钢板﹐则是不利的。冶炼﹑加工对碳素钢性能的影响 碳素钢目前大都采用氧气转炉和平炉冶炼﹐优质碳素钢也采用电弧炉生产。根据炼钢过程脱氧程度的不同﹐碳素钢可分为镇静钢﹑沸腾钢和介于两者之间的半镇静钢。冶炼方法对钢的性能影响﹐主要是通过钢的纯净度而起作用的。近年来人们通过真空处理﹑炉外精炼和喷吹技术等﹐都可获得更高纯净度的钢﹐从而显著改善了碳素钢的品质。碳素钢的塑性加工工艺通常分热加工和冷加工。经过热加工﹐钢锭中的小气泡﹑疏松等缺陷被焊合起来﹐使钢的组织致密。同时﹐热加工可破坏铸态组织﹑细化晶粒。使锻轧的钢材比铸态具有更好的力学性能。经冷加工的钢﹐随着冷塑性变形程度增大﹐强度和硬度增加﹐塑性和韧性降低。为提高成材率﹐广泛应用连续铸钢工艺。3、碳素钢的时效 低碳钢的时效通常有淬火时效和应变时效两种﹐都是由间隙元素作用引起的﹐主要是由于碳﹑氮﹑氧的重新分布所造成。淬火时效 即钢由高温快速冷却后性能随时间而变化的现象。钢中含碳量﹑脱氧程度和含氮量对淬火时效都有很大影响﹐低碳钢﹑脱氧不充分的沸腾钢和含氮量较高的钢发生淬火时效最显著﹐含碳约0.3％的中碳钢﹐由淬火时效所引起的性能变化已大为减弱﹐含碳约0.6％的高碳钢﹐实际上不起时效硬化作用。应变时效 经冷加工变形后的性能随时间而变化的现象。碳和氮对应变时效的影响﹐与对淬火时效的影响相似﹐磷也促进应变时效。低碳钢因冷变形而消失的屈服点﹐随时间的延长而逐渐恢复。应变时效比淬火时效更为复杂。如钢材经淬火后再进行冷加工﹐无论在室温或稍高温度下﹐均将加速其应变时效。碳素钢的时效常给工业生产带来很大危害﹐例如沸腾钢焊接后﹐由于时效使焊接接头热影响区出现细小裂纹﹐严重影响焊接结构的安全性。但由于近代冶金技术的发展﹐和在工业生产中的应用﹐尤其是氧气转炉炼钢能获得更低的氮﹑氧含量﹐因此时效问题有所减轻。

碳素钢是指通常含碳量小于1.35%的铁碳合金，其中还含有限量以内的硅、锰和磷、硫等杂质及其它微量的残余元素。碳素钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料，世界各工业国家，在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也非常注意改进碳素钢质量，扩大品种和使用范围。特别是20世纪50年代以来，氧气转炉炼钢、炉外喷吹、连续铸钢和连续轧制等新技术被普遍采用，进一步改善了碳素钢的质量，扩大了使用范围。碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重，约保持在80%左右，它不仅广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业，而且在近代的石油化学工业、海洋开发等方面，也得到大量使用。

碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下，随含碳量的增加，钢的强度和硬度升高，而塑性和冲击韧性下降。焊接性和冷弯性变差。所以工程结构用钢，常限制含碳量。碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等，对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强，有时互相抵销。例如：硫、氧、氮都能增加钢的热脆性，而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性，增加冷脆性。除硫和氧降低强度外，其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。氢在钢中能造成很多严重缺陷，如产生白点、点状偏析、氢脆、表面鼓泡和焊缝热影响区内的裂缝等。为保证钢的质量，必须尽可能降低钢中氢的含量。脱氧带入的残余元素如铝，可减小低碳钢的时效倾向，还可以细化晶粒，提高钢在低温下的韧性，但余量不宜过多。由炉料中带入的残余元素如镍、铬、钼、铜等，含量高时可提高钢的淬透性，但对要求具有高塑性的专用钢，如深冲用钢板，则是不利的。冶炼、加工对碳素钢性能的影响碳素钢大都采用氧气转炉和平炉冶炼，优质碳素钢也采用电弧炉生产。根据炼钢过程脱氧程度的不同，碳素钢可分为镇静钢、沸腾钢和介于两者之间的半镇静钢。冶炼方法对钢的性能影响，主要是通过钢的纯净度而起作用的。近年来人们通过真空处理、炉外精炼和喷吹技术等，都可获得更高纯净度的钢，从而显著改善了碳素钢的品质。碳素钢的塑性加工工艺通常分热加工和冷加工。经过热加工，钢锭中的小气泡、疏松等缺陷被焊合起来，使钢的组织致密。同时，热加工可破坏铸态组织、细化晶粒。使锻轧的钢材比铸态具有更好的力学性能。经冷加工的钢，随着冷塑性变形程度增大，强度和硬度增加，塑性和韧性降低。为提高成材率，广泛应用连续铸钢工艺。

铁碳合金的结晶过程分析从图可以得出以下结论：

（1）当碳含量C=4.3%时，随温度的降低，铁碳合金的结晶过程为：L→Ld（1148℃）→ Ld'（727℃以下） ；（2）当碳含量0.0218%～0.77%时，随着温度降低，铁碳合金结晶过程为：L→L+A→A→A +F→F + P；（3）当碳含量0.77%～2.11%时，随着温度降低，铁碳合金结晶过程为：L→L+A→A→A+Fe3C→P+ Fe3C；（4）当碳含量2.11%～4.3%时，随着温度降低，铁碳合金结晶过程为：L→L + A→A + Fe3C +Ld→P + Fe3C + Ld；（5）当碳含量C=0.77%时，随着温度降低，铁碳合金结晶过程为：L→L + A→A →P；（6）当碳含量4.3%～6.69%时，随着温度降低，铁碳合金结晶过程为：L→L+Fe3C →L+Ld→L+Ld' 。铁碳合金相图的应用毛坯成型方法有：铸造、焊接、锻压。其中锻压是这三种毛坯成型中综合力学性能最好的一种。锻压工艺是将坯料加热至奥氏体区域，使其有良好的塑性和低的抗变形性能，在施加外力的情况下改变其尺寸、结构、力学性能的加工方法。在这里可以知道，锻压是碳钢在完全奥氏体化的情况下，其塑性好，有较低的抗变形能力。因此，要使其完全奥氏体化，其温度控制合理，才能够达到要求。从图看线1、线3，分别代表的是亚共析钢、过共析钢组织随温度变化其性能会改变的情况。当亚共析钢加热到727℃时，P开始向A转变。当继续加热至GS的交点a时，F完全转变成A了。此时，塑性变形能力较好，抗变形能力小。温度继续上升，其塑性变形会有提高，但是温度过高，施加压力过程中，会使坯料表面产生加工硬化，同时会伴随有脱碳现象。因此，一般将始锻温度控制在固相线以下200℃左右。终端温度控制在PSK线以上60℃左右。合理控制好锻压温度，既可以保证坯料有良好的锻压性能，能够满足预期形状、尺寸精度要求。同时，可以避免加工硬化带来的内应力裂纹、脱碳现象。铁碳合金由含碳量不同被分为碳钢、铸铁两大类材料，铸铁的铸造性能好，强度硬度高属脆性材料。碳钢铸造性能一般，但综合力学性能较铸铁好。因此，对于结构复杂又承受静载荷零件选择铸铁。对于形状复杂而又要求有一定力学性能承受一定量动载荷的零件，可以考虑用碳钢，或者合金钢。