基本介紹
- 中文名：鐵碳合金
- 外文名：iron carbon alloy
- 定義：以鐵和碳為組元的二元合金
- 工業純鐵：含碳少於0.0218%的合金
分子構成,碳鋼分類,使用,化學成分影響,碳素鋼的時效,鐵碳合金相圖,
分子構成
鐵碳合金中合金相的形成，與純鐵的晶體結構及碳在合金中的存在形式有關。純鐵有三種同素異構狀態：912℃以下為體心立方晶體結構，稱α-Fe；912～1394℃為面心立方晶體結構，稱γ-Fe；1394℃以上，又呈體心立方結構，稱δ-Fe。在液態，在低於7%碳範圍，碳和鐵可完全互溶；在固態，碳在鐵中的溶解是有限的，並且溶解度取決於鐵（溶劑）的晶體結構。與鐵的三種同素異構物相對應，碳在鐵中形成的固溶體有三種：α固溶體（鐵素體）、γ固溶體（奧氏體）和δ固溶體（8鐵素體）。這些固溶體中，鐵原子的空間分布與α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸遠比鐵原子為小，在固溶體中它處於點陣的間隙位置，造成點陣畸變。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超過2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超過0.0218%；而在δ6-Fe中不超過0.09%。當鐵碳合金的碳含量超過在鐵中的溶解度時，多餘的碳可以以鐵的碳化物形式或以單質狀態（石墨）存在於合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C（滲碳體，6.69%C）是亞穩相，它是具有複雜結構的間隙化合物。石墨是鐵碳合金的穩定平衡相，具有簡單六方結構。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩定相，但該過程在室溫下是極其緩慢的。
碳鋼分類
綜述
碳素鋼有各種分類方法﹐如按化學成分（即以含碳量）可分為低碳鋼﹑中碳鋼和高碳鋼。按鋼的品質可分為普通碳素鋼和優質碳素鋼。按用途則又可分為碳素結構鋼﹑碳素工具鋼。此外﹐還可以按冶煉方法和所保證的性能要求等來進行分類。
普通碳素結構鋼又稱普通碳素鋼﹐對含碳量﹑性能範圍以及磷﹑硫和其它殘餘元素含量的限制較寬。在中國和某些國家根據交貨的保證條件又分為三類﹕甲類鋼（A類鋼）是保證力學性能的鋼。乙類鋼（B類鋼）是保證化學成分的鋼。特類鋼（C類鋼）是既保證力學性能又保證化學成分的鋼﹐常用於製造較重要的結構件。中國目前生產和使用最多的是含碳量在0.20%左右的A3鋼（甲類3號鋼）﹐主要用於工程結構。
有的碳素結構鋼還添加微量的鋁或鈮（或其它碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒﹐以限制晶粒長大﹐使鋼強化﹐節約鋼材。在中國和某些國家﹐為適應專業用鋼的特殊要求﹐對普通碳素結構鋼的化學成分和性能進行調整﹐從而發展了一系列普通碳素結構鋼的專業用鋼（如橋樑﹑建築﹑鋼筋﹑壓力容器用鋼等）。
按含碳量分類
1）小於0.25%C為低碳鋼﹐其中尤以含碳低於0.10%的08F﹐08Al等﹐由於具有很好的深沖性和焊接性而被廣泛地用作深沖件如汽車﹑制罐等﹐20G則是製造普通鍋爐的主要材料﹐此外﹐低碳鋼也廣泛地作為滲碳鋼﹐用於機械製造業﹐
2） 0.25～0.60%C為中碳鋼﹐多在調質狀態下使用﹐製作機械製造工業的零件。
3） 大於0.6%C為高碳鋼﹐多用於製造彈簧﹑齒輪﹑軋輥等﹐根據含錳量的不同﹐又可分為普通含錳量（0.25～0.8%）和較高含錳量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）兩鋼組。錳能改善鋼的淬透性﹐強化鐵素體﹐提高鋼的屈服強度﹑抗拉強度和耐磨性。通常在含錳高的鋼的牌號後附加標記“Mn”﹐如15Mn﹑20Mn以區別於正常含錳量的碳素鋼。
碳素工具鋼含碳量在0.65～1.35%之間﹐經熱處理後可得到高硬度和高耐磨性﹐主要用於製造各種工具﹑刃具﹑模具和量具（見工具鋼）。
含碳量在2.11%時，作為鑄鐵和碳鋼的黃金分割點。碳含量在2.11%之前為碳鋼。碳含量在2.11%之後為 鑄鐵。而碳含量在0.0218%至0.77%之間稱為亞共析鋼，0.77%至2.11%之間稱為過共析鋼。含碳量為2.11%為共析鋼。碳含量在2.11%至4.3%，稱為亞共晶白口鑄鐵，碳含量在4.3%至6.69%之間稱為過共晶白口鑄鐵。碳含量在4.3%為共晶白口鑄鐵。
按鑄鐵中存在形式分類
根據碳在鑄鐵中存在的形式不同鑄鐵可分為：白口鑄鐵（絕大部分碳以滲碳體形式存在於鑄鐵中）、灰口鑄鐵（絕大部分碳以片狀石墨形式存在）、可鍛鑄鐵（由白口鑄鐵經石墨化退火製成，其中碳以團絮狀石墨形式存在）和球墨鑄鐵（在澆注前經球化處理，碳以球狀或團狀石墨存在。
使用
碳素鋼是指通常含碳量小於1.35%的鐵碳合金﹐其中還含有限量以內的矽﹑錳和磷﹑硫等雜質及其它微量的殘餘元素。碳素鋼是近代工業中使用最早﹑用量最大的基本材料﹐世界各工業國家﹐在努力增加低合金高強度鋼和合金鋼產量的同時﹐也非常注意改進碳素鋼質量﹐擴大品種和使用範圍。特別是20世紀50年代以來﹐氧氣轉爐煉鋼﹑爐外噴吹﹑連續鑄鋼和連續軋制等新技術被普遍採用﹐進一步改善了碳素鋼的質量﹐擴大了使用範圍。目前碳素鋼的產量在各國鋼總產量中的比重﹐約保持在80%左右﹐它不僅廣泛套用於建築﹑橋樑﹑鐵道﹑車輛﹑船舶和各種機械製造工業﹐而且在近代的石油化學工業﹑海洋開發等方面﹐也得到大量使用。
化學成分影響
碳素鋼的性能主要取決於鋼的含碳量和顯微組織。在退火或熱軋狀態下﹐隨含碳量的增加﹐鋼的強度和硬度升高﹐而塑性和衝擊韌性下降。焊接性和冷彎性變差。所以工程結構用鋼﹐常限制含碳量。
碳素鋼中的殘餘元素和雜質元素如錳﹑矽﹑鎳﹑磷﹑硫﹑氧﹑氮等﹐對碳素鋼的性能也有影響。這和影響有時互相加強﹐有時互相抵銷。例如﹕硫﹑氧﹑氮都能增加鋼的熱脆性﹐而適量的錳可減少或部分抵銷其熱脆性。殘餘元素除錳﹑鎳外都降低鋼的衝擊韌性﹐增加冷脆性。除硫和氧降低強度外﹐其它雜質元素均在不同程度上提高鋼的強度。幾乎所有的雜質元素都能降低鋼的塑性和焊接性。
氫在鋼中能造成很多嚴重缺陷﹐如產生白點﹑點狀偏析﹑氫脆﹑表面鼓泡和焊縫熱影響區內的裂縫等。為保證鋼的質量﹐必須儘可能降低鋼中氫的含量。脫氧帶入的殘餘元素如鋁﹐可減小低碳鋼的時效傾向﹐還可以細化晶粒﹐提高鋼在低溫下的韌性﹐但餘量不宜過多。由爐料中帶入的殘餘元素如鎳﹑鉻﹑鉬﹑銅等﹐含量高時可提高鋼的淬透性﹐但對要求具有高塑性的專用鋼﹐如深沖用鋼板﹐則是不利的。
冶煉﹑加工對碳素鋼性能的影響碳素鋼目前大都採用氧氣轉爐和平爐冶煉﹐優質碳素鋼也採用電弧爐生產。根據煉鋼過程脫氧程度的不同﹐碳素鋼可分為鎮靜鋼﹑沸騰鋼和介於兩者之間的半鎮靜鋼。冶煉方法對鋼的性能影響﹐主要是通過鋼的純淨度而起作用的。近年來人們通過真空處理﹑爐外精煉和噴吹技術等﹐都可獲得更高純淨度的鋼﹐從而顯著改善了碳素鋼的品質。
碳素鋼的塑性加工工藝通常分熱加工和冷加工。經過熱加工﹐鋼錠中的小氣泡﹑疏鬆等缺陷被焊合起來﹐使鋼的組織緻密。同時﹐熱加工可破壞鑄態組織﹑細化晶粒。使鍛軋的鋼材比鑄態具有更好的力學性能。經冷加工的鋼﹐隨著冷塑性變形程度增大﹐強度和硬度增加﹐塑性和韌性降低。為提高成材率﹐廣泛套用連續鑄鋼工藝。
碳素鋼的時效
低碳鋼的時效通常有淬火時效和應變時效兩種﹐都是由間隙元素作用引起的﹐主要是由於碳﹑氮﹑氧的重新分布所造成。
淬火時效即鋼由高溫快速冷卻後性能隨時間而變化的現象。鋼中含碳量﹑脫氧程度和含氮量對淬火時效都有很大影響﹐低碳鋼﹑脫氧不充分的沸騰鋼和含氮量較高的鋼發生淬火時效最顯著﹐含碳約0.3%的中碳鋼﹐由淬火時效所引起的性能變化已大為減弱﹐含碳約0.6%的高碳鋼﹐實際上不起時效硬化作用。
應變時效經冷加工變形後的性能隨時間而變化的現象。碳和氮對應變時效的影響﹐與對淬火時效的影響相似﹐磷也促進應變時效。低碳鋼因冷變形而消失的屈服點﹐隨時間的延長而逐漸恢復。應變時效比淬火時效更為複雜。如鋼材經淬火後再進行冷加工﹐無論在室溫或稍高溫度下﹐均將加速其應變時效。
碳素鋼的時效常給工業生產帶來很大危害﹐例如沸騰鋼焊接後﹐由於時效使焊接接頭熱影響區出現細小裂紋﹐嚴重影響焊接結構的安全性。但由於近代冶金技術的發展﹐和在工業生產中的套用﹐尤其是氧氣轉爐煉鋼能獲得更低的氮﹑氧含量﹐因此時效問題有所減輕。
鐵碳合金相圖
鐵碳合金的結晶過程分析
從圖可以得出以下結論：
（1）當碳含量C=4.3%時，隨溫度的降低，鐵碳合金的結晶過程為：L→Ld（1148℃）→ Ld'（727℃以下） ；
（2）當碳含量0.0218%～0.77%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L+A→A→A +F→F + P；
（3）當碳含量0.77%～2.11%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L+A→A→A+Fe3C→P+ Fe3C；
（4）當碳含量2.11% ～ 4.3%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L + A→A + Fe3C +Ld→P + Fe3C + Ld；
（5）當碳含量C = 0.77%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L + A→A →P；
（6） 當碳含量4.3% ～ 6.69%時，隨著溫度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L+Fe3C →L+Ld→L+Ld' 。
鐵碳合金相圖的套用
毛坯成型方法有： 鑄造、焊接、鍛壓。其中鍛壓是這三種毛坯成型中綜合力學性能最好的一種。鍛壓工藝是將坯料加熱至奧氏體區域，使其有良好的塑性和低的抗變形性能，在施加外力的情況下改變其尺寸、結構、力學性能的加工方法。在這裡可以知道，鍛壓是碳鋼在完全奧氏體化的情況下，其塑性好，有較低的抗變形能力。因此，要使其完全奧氏體化，其溫度控制合理，才能夠達到要求。從圖看線1、線3，分別代表的是亞共析鋼、過共析鋼組織隨溫度變化其性能會改變的情況。當亞共析鋼加熱到727℃時，P開始向A轉變。當繼續加熱至GS的交點a時，F完全轉變成A了。此時，塑性變形能力較好，抗變形能力小。溫度繼續上升，其塑性變形會有提高，但是溫度過高，施加壓力過程中，會使坯料表面產生加工硬化，同時會伴隨有脫碳現象。因此，一般將始鍛溫度控制在固相線以下200℃左右。終端溫度控制在PSK線以上60℃左右。合理控制好鍛壓溫度，既可以保證坯料有良好的鍛壓性能，能夠滿足預期形狀、尺寸精度要求。同時，可以避免加工硬化帶來的內應力裂紋、脫碳現象。鐵碳合金由含碳量不同被分為碳鋼、鑄鐵兩大類材料，鑄鐵的鑄造性能好，強度硬度高屬脆性材料。碳鋼鑄造性能一般，但綜合力學性能較鑄鐵好。因此，對於結構複雜又承受靜載荷零件選擇鑄鐵。對於形狀複雜而又要求有一定力學性能承受一定量動載荷的零件，可以考慮用碳鋼，或者合金鋼。
