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机械工程材料 A卷标准答案
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机械工程材料课程 第三章 铁碳合金
    第四章 铁碳合金
钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，因此在工业上得到了广泛的应用。钢铁材料的性能是由它的化学成分和内部组织结构所决定的。而组成钢铁材料的两个最基本的组元是铁和碳，所以研究铁碳合金有非常重要的意义。
通过铁碳合金相图的学习，来认识铁和碳的相互作用，从而了解铁碳合金成分、组织与性能三者之间的关系，以便正确地应用铁碳合金相图的知识，合理的选用钢铁材料和制定各种热加工工艺。
第一节 铁碳合金的相组成
一、工业纯铁
一般来讲铁从来不会是纯的，其中总会有杂质。工业纯铁中常含有0.10～0.20%的杂质。这些杂质由碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等十几种元素所构成，其中碳约占0.006～0.02%左右。
工业纯铁的显微组织是由许多不规则的多边形小晶粒所组成。纯铁具有“同素异构”转变，即在固态下加热或冷却时，其内部结构发生变化，从一种晶格转变为另一种晶格的变化。如图4-1所示。
纯铁在室温下的晶体结构是体心立方晶格，称之为α-Fe，它的晶格常数a=2.86。α-Fe具有良好的塑性，同时具有良好的导磁性能。当温度升到770℃(居里点)稍上时，其晶体结构没有变化，仍是体心立方晶格，但铁已失去了磁性，这种铁称之为β-Fe；由于α-Fe→β-Fe时，晶格未发生变化，故β铁不属于同素异构转变,而称为磁性转变。
当温度升高到912℃时，纯铁内部的晶体结构发生了变化，由体心立方晶格转变为面心立方晶格，称之为γ-Fe，，其晶格常数a=3.64，它存在于912～1394℃之间。由于 γ-Fe和α-Fe的晶体结构不同，性能也不同。γ-Fe的塑性比α-Fe还要好，γ-Fe无磁性；γ-Fe的溶碳能力也大。
当温度继续升到1394℃稍上时，铁的晶格又由面心立方转变为体心立方，其晶格常数a=2.93，无磁性，它存在于℃之间，这种铁称之为δ-Fe。当温度超过1538℃时，纯铁熔化成铁水。
由上可知，纯铁随温度的变化；发生了两次同素异构转变。纯铁的同素异构转变也遵循结晶的一般规律，即在旧相的晶界上形核，然后逐渐长大，直至转变完成。
图4-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
纯铁的机械性能与其组织中晶粒大小有密切关系，晶粒愈细，强度愈高。室温下纯铁的机械性能大致为σb=180～230MN／m2；σ0.2=100～170MN／m2；δ=30～50%；ψ=70～80%；Ak=128～160J；50～80HBS。由此可知，纯铁的塑性较好，强度较低，具有铁磁性，所以除在电机工业中利用作铁芯材料外，在―般的机器制造中很少应用，常用的是铁碳合金。
工业上得到广泛应用的是铁和碳所组成的合金，铁碳合金中最基本的相有铁素体、奥氏体和渗碳体。
二、铁素体 它是碳溶在α-Fe中的一种间隙固溶体，用符号F表示。由于Fe是体心立方晶格，原子间间隙较小，因而溶碳能力小，在室温下仅溶碳0.006～0.008%，在727时，溶碳量可达0.0218%。碳溶于α-Fe时碳原子可能存在的位置如图5-3所示。由于铁素体的溶碳量小，它的组织和性能几乎和纯铁的组织和性能相同。
三、奥氏体 它是碳溶在γ-Fe中的一种间隙固溶体，用符号A表示。γ-Fe为面心立方晶格，它的原子间隙比α-Fe稍大，因而其溶碳能力比α-Fe也大，在727℃时，溶碳量为0.77%，到l148℃时可到最大溶碳量2.11%。碳溶于γ-Fe时，碳原子可能存在的位置是γ-Fe的间隙位置。在此需强调指出的是，并非在所有的间隙处都填满碳原子，当在晶格上某个间隙溶入碳原子后，则邻近若干个间隙就不可能再溶进去碳了。奥氏体为无磁性，通常存在于高温(727℃以上)，它塑性好，变形抗力小，易于锻造成型。也是不规则的多边形晶粒。
四、渗碳体 即碳化三铁Fe3C；它具有复杂的晶体结构，如图2-14所示，属于复杂结构的间隙化合物。渗碳体的含碳量为6.69%，没有同素异构转变，它的硬度很高，约为800HBW，塑性和冲击韧性很差(δ≈0，ak≈0)，渗碳体硬而脆，强度很低，但耐磨性好。如果它以细小片状或粒状分布在软的铁素体基体上时，起弥散强化作用，对钢的性能有很大影响。Fe3C是一个亚稳定的化合物，在一定温度下可分解为铁和石墨，即：
Fe3C→3Fe+C(石墨)
这是铸铁石墨化的依据。
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图是表示在极缓慢冷却(或加热)条件下，不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的组织或状态的一种图形。从中可以了解到碳钢和铸铁的成分(含碳量)、组织和性能之间的关系，它不仅是我们选择材料和判定有关热加工工艺的依据，而且是钢和铸铁热处理的理论基础。
当碳含量超过溶解度以后，剩余的碳在铁碳合金中可能有两种存在方式：渗碳体Fe3C或石墨。因之铁碳合金相图也就分成两个系列：Fe-Fe3C系列、Fe-石墨系。因为石墨是一个稳定相，而Fe3C是一个介稳定相，故Fe-Fe3C系相图又叫做介稳定系铁碳相图，而Fe-石墨系相图叫做稳定系铁碳相图。在通常情况下，铁碳合金常按Fe-Fe3C系进行转变，当碳含量高于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。故在此我们只讨论含碳量低于6.69%的铁碳合金即介稳定系Fe-Fe3C相图。
一、Fe-Fe3C相图分析
Fe-Fe3C相图如图4-2所示。
图4-2 Fe-Fe3C相图
我们先看一下相图上横坐标的两端，即含碳为0%和6.69%的情况。
含碳量为0%时，即为纯铁。它在固态时具有同素异构转变，从高温到低温分别存在δ-Fe、γ-Fe和α-Fe，图上的N点(1394℃)和G点(912℃)为纯铁的临界点。N点和G点又经常记为A4点和A3点。
含碳量为6.69%时，铁和碳形成渗碳体Fe3C，渗碳体没有同素异构转变。
含碳量在0%到6.69%之间时，由许多点、线将相图分为不同的区域。
（一）恒温转变线
Fe-Fe3C相图初看起来似乎很复杂，但运用我们前面所学的二元合金相图知识来逐步进行分析时，发现并非如此。就整个图形来说，Fe-Fe3C相图可看成是δ-Fe―Fe3C二元包晶相图(左边上部分)、γ-Fe―Fe3C二元共晶相图(右边)和具有共析反应的α-Fe―Fe3C二元合金相图(左边下部分)的复合。因此在相图上有三条水平线(HJB、BCF、PSK相应的发生三个恒温反应：
1、在1495℃(HJB水平线)发生包晶反应，HJB线叫包晶线，其反应为LB+δH →AJ包晶反应的结果形成了奥氏体。此反应对于热处理工艺关系不大，故无多大实用意义。包晶反应只可能在含碳量为0.09～0.53%的铁碳合金中发生。
2、在1148℃(ECF水平线)发生共晶反应，故ECF线叫共晶线，其反应为Lc→AE+Fe3C，C点称为共晶点，其含碳量为4.3%。共晶反应的结果形成了奥氏体和渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体(Ld)。此反应可在含碳量为2.11～6.69%的铁碳合金中发生。
由此可知，ABCD为液相线，而AHJECF为固相线。
3、在727℃(PSK水平线)发生共析反应，其反应为AS→FD+Fe3C，S点称为共析点，其含碳量为0.77%。共析反应的结果形成了铁素体和渗碳体的共析混合物，此共析混合物称为珠光体(P)。共析反应的温度常用A1表示，所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金中，即实际在工程上常用的铁碳合金中均能发生共析转变。
（二）主要转变线
此外，在Fe-Fe3C相图中还有三条主要的固态转变线：
1、GS线―表示不同含碳量的合金，由奥氏体中开始析出铁素体(冷却时）或铁素体全部溶入奥氏体(加热时的转变线，常用A3表示，故GS线又称A3线。
2、ES线―碳在奥氏体中的固溶线。常用Acm表示。由该线可看出，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%，所处的温度是1148℃。而在727℃时只能溶解0.77%的碳。凡含碳量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃时。均会从奥氏体中析出渗碳体，常常呈连续网状分布，称此渗碳体为二次渗碳体（Fe3CⅡ）以区别从液态金属中直接结晶出的一次渗碳体(Fe3CⅠ)。
3、PQ线―碳在铁素体中的固溶线。由该线可看出，碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，所处的温度为727℃。温度降至600℃时，可溶解0.0057%的碳，而在室温时，只可溶解0.0008%的碳，故一般铁碳合金从727℃缓冷至室温时，均可从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体Fc3CⅢ，只有在含碳量极低的碳钢中才能看到三次渗碳体组织；含碳较高的铁碳合金，析出的三次渗碳体都附着在先前产生的Fe3C相上，看不出单独的组织。因Fe3CⅢ数量极少，故―般在讨论中经常予以忽略。
由此可知；一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源和分布有所不同，没有本质区别，其含碳量，晶体结构和性质均相同。
如果用“相”来描述Fe-Fe3C相图的话，通过以上分析可知，相图中存在五个单相区(即基本相区)；ABCD以上为液相区；AHNA包围的为δ固溶体区；NJESGN包围的为奥氏体(A)区；GPQG包围的为铁素体(F)区；DFKL、为Fe3C区。而相图中其他任一区域的组成相皆为其相邻两个单相区的相的组合。如GSPG区域为F+A；HJNH区域为δ+A……等等。依次类推，在相图中共有七个两相区。
（三）、铁碳合金分类
如果用“组织”来描述Fe-Fe3C相图的话，铁碳合金按其含碳量和组织的不同，分成下列三类：
1、工业纯铁(<0.0218%C)；
2、钢(0.%C)；包括亚共析钢(0.77%C)；
3、白口铸铁(2.11～6.69%C)；包括亚共晶白口铸铁(4.3%C)。
下面通过六种典型的铁碳合金来讨论它的结晶过程及其组织。所选择的各种合金的成分如图4-3所示。
图4-3 典型的铁碳合金在相图上的位置
二、典型合金的结晶过程及其组织
我们通过研究六种典型合金结晶过程的组织变化来认识Fe-Fe3C合金相图的组织及其变化规律。
（一）共析钢(0.77%C)的结晶过程分析
图4-3中合金①为共析钢，合金①在1点以上的温度为液相(L)，冷却至稍低于1点温度开始从L中结晶出奥氏体(A)；冷至2点温度，L全部凝固为A。1～2点间为L与A两相区。冷至3点温度(727℃)时，A发生共析反应转变为珠光体,即A0.77→F0.0218+Fe3C。
珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。在金相显微镜下观察，能清楚地看到珠光体是铁素体和渗碳体呈片层相间的组织，即层片状组织特征，如图4-4所示。其中的渗碳体又称共析渗碳体，可通过适当的热处理，得到另外一种珠光体组织形态，即球状或粒状珠光体。它是珠光体中渗碳体呈小球状或颗粒状分布在铁素体基体上，如图4-5所示。图4-6是共析钢的结晶过程示意图。
图4-4 层状珠光体组织 400× 图4-5 粒状珠光体组织 400×
图4-6 共析钢结晶过程示意图
珠光体中铁素体和渗碳体的相对量可用杠杆定律求出：
（二）亚共析钢(0.%C)的结晶过程分析
含碳量在0.09～0.53%范围内的亚共析钢，冷凝至1495℃时均发生包晶转变，转变产物为奥氏体(A)；而≥0.53%C的亚共析钢，结晶过程将不发生包晶反应，而直接从L中结晶出A。合金②的成分为0.53%C，图4-7所示为其结晶过程示意图。
图4-7 亚共析钢结晶过程示意图
合金②冷凝后得到A组织，冷却至GS线(点3温度)时，发生A→F的转变，称为先共析铁素体。继续冷却，A的含碳量沿GS线逐渐增加而趋近于S点，冷至727℃时，未转变完的A的含碳量增至0.77%，在恒温下发生共析反应，转变为珠光体(P)，最终显微组织为F+P。
必须指出，所有亚共析钢的室温组织都是F+P。它们间的主要差别，在于其中的F与P的相对量和F的分布情况不同。距S点愈近的亚共析钢，其组织中含P量愈多而F量愈少。约在含0.4%C的亚共析钢中，F与P的量各占一半小于0.53%C的亚共析钢组织，其中F呈块状分布，而大于0.53%C的亚共析钢组织，其中F呈网状分布于P的晶界处。图4-8为0.20%C、0.40%C和0.60%C的亚共析钢的室温组织。
图4-8 含碳量0.4%亚共析钢的显微组织（200×）
（三）过共析钢(0.77～2.11%C)的结晶过程分析
合金③为过共析钢，冷却后得到A组织，冷至ES线(点3温度时)，A中的含碳量达到饱和，将沿A晶界开始析出Fe3CⅡ,又称为先共析渗碳体，随着温度降低，A的含碳量沿ES线逐渐减少，Fe3CⅡ不断沿A晶界析出。冷却至727℃时，剩余的A的含碳量变至0.77%，在恒温下发生共析反应而转变为P，室温下的最终组织为P和呈网状分布的Fe3CⅡ。图4-9为过共析钢的结晶过程示意图。图4-10 所示为其显微组织
图4-9 过共析钢的结晶过程示意图
图4-10 含碳1.2%的过共析钢显微组织（400×）
（四）共晶白口铸铁(4.3%C)的结晶过程分析
合金④为含碳量4.3%共晶铁碳合金，冷至点1温度(1148℃)时，在恒温下发生共晶反应形成莱氏体，即由液态合金中同时结晶出奥氏体和渗碳体两种晶体的混合物。通常用符号Ld表示，其反应是：
L4.3→Ld(A+Fe3C)
当温度降至727℃时莱氏体中的奥氏体又转变为珠光体,故室温下的莱氏体为珠光体和渗碳体的混合物组织，用L表示。莱氏体硬而脆(800 HBW)，但耐磨，它是白口铸铁的基本组织。钢和铸铁都是由以上这些基本组织组成。由于它们的成分不同，组织特征不同，因而机械性能也不同。
莱氏体中奥氏体一般呈树枝状分布在渗碳体的基体上。冷至点1温度以下时，碳在A中的溶解度沿ES线不断减少，因此Fe3CⅡ不断沿奥氏体晶界析出；且依附在共晶渗碳体上而不好区分。冷至点2温度（727℃）时，A的碳含量减为0.77%，发生共析转变为P。最后得到的组织是树枝状的珠光体分布在共晶渗碳体的基体上，称为低温莱氏体或变态莱氏体L(P+ Fe3CⅡ+Fe3C)。图4-11所示为结晶过程示意图。图4-12所示是显微组织。
图4-11 共晶白口铸铁结晶过程示意图
图4-12 共晶白口铸铁的室温显微组织(200×)
（五）亚共晶白口铸铁(2.11～4.30%C)的结晶过程分析
合金⑤为亚共晶铁碳合金的结晶过程。1点温度以上为液相L，在l～2点温度之间由L中析出初生晶A，随温度下降，初生A量增多，且液相成分按BC线变化，A成分沿JE线变化，冷至2点温度(1148℃)时，剩余液相的成分达到C点成分，在恒温下发生共晶转变，转变为莱氏体。在2～3点温度之间，初生晶A与共晶A都析出Fe3CⅡ，随着Fe3CⅡ的析出，A的含碳量沿ES线变化。冷至3点温度(727℃)时，所有A都发生共析转变而成为P。室温下的最终组织为P+Fe3CⅡ+Ld(P+Fe3CⅡ+Fe3C)。图4-13是合金⑤的结晶过程示意图。
图4-13 亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图
图4-14 含3.0%C亚共晶白口铸铁的室温显微组织(200×)
图4-14是其室温下的显微组织。图中大块黑色部分为由初生A转变而来的P，基体为莱氏体，组织中所有的Fe3CⅡ都依附在共晶Fe3C上且连在―起，难以分辨。
（六）过共晶白口铸铁(4.30～6.69%C)的结晶过程分析
合金⑥为过共晶铁-碳合金，其结晶过程和组织转变与亚共晶铁-碳合金类似，只是先
共晶产物是渗碳体。这种从液相L中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体Fe3C，在显微镜下呈白色条片状。 室温组织为Fe3CⅠ+Ld’(P+Fe3CⅡ+Fe3C)，图4-15是过共晶白口铸铁的结晶过程示意图。图4-16是其室温下的显微组织。
图4-15 过共晶白口铸铁的结晶过程示意图
图4-16 含5.0%C的过共晶白口铸铁(室温平衡状态)的显微组织(200×)
根据以上对各种铁碳合金转变过程的分析，可将Fe-Fe3C相图中的各个区域按组织给予标注，如图4-2所示。
三、含碳量与铁碳合金机械性能的关系
由Fe-Fe3C相图得知，不同成分的铁碳合金在室温下具有不同的组织，而不同的组织必然就有不同的性能。铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成，其中铁素体是软韧相，而渗碳体是硬脆相。它们的相对量、形态和分布等对合金的机械性能都有很大的影响；随着合金中含碳量的增加，不仅组织中渗碳体相对量增加，而且渗碳体的形态和分布都有变化。在铁碳合金中，一般认为渗碳体是一个强化相，当它与铁素体构成层片状珠光体时，合金的硬度和强度得到提高，合金中的珠光体愈多，则其硬度和强度愈高；当它明显地以网状分布在珠光体晶界上，尤其是作为基体或以条片状分布在莱氏体基体上时，将使合金的塑性和韧性大大下降，以致合金强度也随之降低，这是导致高碳钢和白口铸铁高脆性的原因。
含碳量对钢的机械性能影响如图4-17所示。在亚共析钢中，随含碳量增加，铁素体逐渐减少，珠光体逐渐增多，故强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。当碳含量达到0.77%时，全由珠光体组成，此时的性能就是珠光体本身的性能。在过共析钢中，当含碳量不超过1%时，由于Fe3CⅡ较少，在晶界上未能连成网状，故钢的硬度和强度还是增加的，而塑性、韧性却继续下降。当含碳量大于1%时，由于Fe3CⅡ增多，在晶界上已结成网状，导致强度降低但硬度仍不断增加。工程上使用铁碳合金为了保证具有一定的塑性、韧性和足够的强度，含碳量一般不超过1.3～1.4%。
图4-17 含碳量对钢机械性能的影响（退火状态）
四、Fe-Fe3C相图的应用
Fe-Fe3C相图对生产实践具有重要的指导意义。因为相图告诉了我们在缓慢加热或冷却条件下，不同成分铁碳合金的组织转变情况，即知道了成分可查知其组织，再根据其组织又可大致判断其性能，从而使我们根据不同的使用要求来合理的选用材料。除此之外，相图还可作为判定铸、锻、热处理等热加工工艺的重要依据。
（一）在铸造工艺方面的应用
铸造生产中，合理的确定浇注温度对产品的质量起着重要的作用。浇注温度过高，会使液态金属的吸气量和总收缩量增大，易在铸件中形成气孔，缩孔等缺陷；浇注温度过低，会使液态金属流动性变差，在浇注中容易产生冷隔和浇不足等缺陷。根据Fe-Fe3C相图可以合理地确定浇注温度一般定为液相线以上50～100℃。
根据合金的性能与相图的关系可知，液相线和固相线之间距离愈大，其流动性愈差，成分偏析愈大，分散缩孔也愈多；反之，液相线和固相线之间距离愈小，其流动性愈好，成分偏析愈小，分散缩孔也愈少。纯铁与共晶成分的合金其液相线和固相线距离最小(为零)，故其流动性好，偏析小，分散缩孔少，形成的集中缩孔可移至冒口，从而得到致密的铸件。因此在铸造生产中接近于共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。
铸钢也是工程上常用的铸造合金，含碳量―般在0.15～0.60%之间。由Fe-Fe3C相图可知；铸钢的铸造性能不如铸铁。由于铸钢的熔化温度高，浇注温度也高，因此在铸钢件中常出现晶粒粗大的特有的魏氏组织。
魏氏组织的特点是铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内，它的存在，使钢材的塑性和韧性大大下降。另外，由于浇注温度高，内应力也大，因此铸钢件必须通过热处理(正火或退火)后才能使用。铸钢件适合于制造一些形状复杂，难以锻造或切削加工，而又要求较高强度和塑性的零件。
（二）在锻造方面的应用
铸钢件存在不可避免的组织缺陷(缩孔、疏松；气孔等)，零件直接用金属切削加工制造存在金属纤维被切断，这些都导致机械性能不高，因此工程上一些重要的零件都要求用锻件。
钢材锻造时，需要把钢加热到一定的温度范围内进行，即确定钢的始锻温度(开始锻造的温度)和终锻温度(停止锻造的温度)。我们知道，奥氏体的塑性较好，随温度升高奥氏体的变形抗力也不断减小，因此必须把钢加热到Fe-Fe3C相图奥氏体单相区中的适当的温度范围。其选择原则是始锻温度不得过高，过高会使金属产生过烧或熔化的现象。所谓过烧是指金属加热温度过高，氧渗入金属内部，使晶界氧化，形成脆性晶界，锻造时一打就破碎，造成钢材报废。碳素钢的始锻温度通常定为固相线以下200℃左右，如图4-18所示。而终锻温度不能过低广过低会使金属的塑性显著降低，这样锻造时易形成锻造裂纹。碳素钢的终锻温度应在GSE线附近，一般定为800℃左右，如图4-18所示。
图4-18 Fe-Fe3C相图与铸锻工艺的关系
(三)在热处理方面的应用
热处理工艺更是离不开Fe-Fe3C相图，如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图来确定的，具体应用将在下第六章中介绍。
第三节 碳 钢
含碳量小于2.11%的铁碳合金称之为碳钢。由于它冶炼容易，不消耗贵重的合金元素，价格低廉，性能可以满足一般工程结构、日常生活用品的要求，因此在国民经济中得到广泛应用，。其产量占钢材总产量的40%左右。为了便于生产、管理、使用和加工处理，必须简要地了解我国碳钢的分类、编号和用途，以及一些常存杂质对碳钢性能的影响。
一、碳钢中常存杂质元素的影响
碳钢中，除了铁和碳外，还有Si、Mn、S、P 等元素，这些元素是冶金过程中由矿石带入而无法去除的常存杂质元素，它们对组织性能产生了一定的影响。
（一）硅的影响
硅在钢中是一种有益的元素，能溶于铁素体而使其强化，从而提高钢的强度，硬度和弹性。通常由于含硅量不多(<0.4%)故对钢的性能影响不大。在镇静钢(用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢)中含硅量在0.10～0.40%；在沸腾钢(只用锰铁脱氧的钢)中只含0.03～0.07%的硅。
必须指出，作冷锻和冷冲压用的钢材，由于硅对铁素体的强化作用，而使模具磨损过快，甚至引起工件的开裂。为此这些钢常用含硅量低的沸腾钢制造。
（二）锰的影响
锰在钢中也是一种有益的元素，锰大部分溶于铁素体而使其强化；一小部分溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；锰还能增加珠光体的相对量并使它细化，从而提高钢的强度。通常由于含锰量不多(<0.8%)故对钢的性能影响不大。锰还能与硫化合成MnS，以减轻硫的有害作用。
（三）硫的影响
硫在钢中是一种有害杂质，硫不溶于铁，而以FeS形式存在。FeS与Fe形成共晶，或单独存在，分布于奥氏体晶界上，当钢材在800～1200℃进行锻压时，由于FeS-Fe共晶体熔点低（只有985℃）、此时已经熔化，而使晶粒脱开，故钢材变得很脆，这种在高温下的脆性现象称为热脆或热脆性。
为了克服硫的这种有害影响，必须严格控制含硫量，如普通钢含硫量应小于0.055%；优质钢含硫量应小于0.040%；高级优质钢含硫量应小于0.030%，除此之外，还必须向钢中加入一定数量的锰。由于加入锰后，形成熔点为1620℃的硫化锰(MnS)，抑制了低熔点共晶的形成，而MnS在高温下又有塑性，因此可避免产生热脆性。
（四）磷的影响
磷在钢中也是一种有害杂质。如它全部熔于铁素体中可使其强化，从而提高钢的强度、硬度，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧下降，使钢变脆，这种现象称为冷脆或冷脆性。另外磷在钢中的偏析倾向也很严重，即使钢的平均含磷量不是很高，但在磷的聚集区域却可能达到严重的脆化程度。因此磷在钢中也必须严格限制，在普通钢中磷含量应小于0.045%；优质钢中磷含量应小于0.040%；高级优质钢中磷含量应小于0.035%。
但在个别情况下，磷在钢中有时呈现有利的影响。如含有一定量的磷，可提高低碳钢在切削加工时的表面光洁度；当磷与铜共存时，可提高钢的抗腐蚀性。
二、碳钢的分类、编号和用途
（一）碳钢的分类
碳钢的分类方法很多，这里主要介绍三种，即按钢的含碳量、质量和用途来分。分别叙述如下：
1.按钢的含碳量分类 根据钢的含碳量，可分为：
(1)低碳钢―含碳量≤0.25%；
(2)中碳钢―含碳量在0.25~0.6%之间
(3)高碳钢―含碳量≥0.60%。
2、按钢的质量分类 根据碳钢质量的高低，即主要根据钢中所含有害杂质S、P的多少，通常分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢三类。
(1)普通碳素钢：钢中S、P含量分别≤0.055%和0.045%。
(2)优质碳素钢：钢中S、P含量均应≤0.040%。
(3)高级优质碳素钢：钢中S，P杂质最少，即S，P含量分别≤0.030%和0.035%。
3、按用途分类：可分为碳素结构钢和碳素工具钢两大类。
(1)碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件(如桥梁、船舶、车辆、建筑用钢)和零件(如齿轮、轴、曲轴、连杆等)。这类钢―般属于低中碳钢。
(2)碳素工具钢：主要用于制造各种、量具和模具。这类钢含碳量较高，一般属于高碳钢。
（二）碳钢的编号和用途
钢的种类很多。为了便于生产、管理和使用，必须对各种钢材进行统一的编号。我国的碳钢编号见表4-1。
表4-1 碳钢的编号方法
1、普通碳素结构钢 普通碳素结构钢，约占钢总产量的70%左右，其碳含量较低(碳的平均质量分数为0.06%～0.38%)，对性能要求及硫、磷和其它残余元素含量的限制较宽。大多用作工程结构钢，一般是热轧成钢板或各种型材(如圆钢、方钢、工字钢、钢筋等)供应；少部分也用于要求不高的机械结构。该类钢通常在供应状态下使用，必要时根据需要可进行锻造、焊接成形和热处理调整性能。表4-2列出了这类钢的牌号、化学成分、力学性能及用途。
表4-2普通碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途
2、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢与普通碳素结构钢比较，其含S、P较少(≤0.04%)，且同时保证钢的化学成分和机械性能，因而质量较好，强度和塑性也较好，所以常用来制作重要的零件。
根据化学成分不同，优质碳素结构钢又分为普通含锰量钢和较高含锰量钢两组。
(1)正常含锰量的优质碳素结构钢：，所谓正常含锰量，对含碳量小于0.25%的碳素结构钢，其含锰在0.35～0.65%之间；而对含碳量大于0.25%的碳素结构钢，其含锰在0.50～0.80%之间。
(2)较高含锰量的优质碳素结构钢：所谓较高含锰量，对于含碳量为0.15～0.60%的碳素结构钢，含锰量在0.7～1.0%之间；而对含碳量大于0.60%的碳素结构钢，含锰量在0.9～1.2%之间。优质碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途如表4-3所示
表4-3 优质碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途
力学性能（不小于）
低碳钢强度、硬度低，塑性、韧性高，冷塑性加工性和焊接性优良，切削加工性欠佳，热处理强化效果不够显著。其中碳含量较低的钢如08(F)、10(F)常轧制成薄钢板，广泛用于深冲压和深拉延制品；碳含量较高的钢(15～25)可用作渗碳钢，用于制造表硬心韧的中、小尺寸的耐磨零件
30 35 40 45 50 55
295 315 335 355 375 380
490 530 570 600 630 645
中碳钢的综合力学性能较好，热塑性加工性和切削加工性较佳，冷变形能力和焊接性中等。多在调质或正火状态下使用，还可用于表面淬火处理以提高零件的疲劳性能和表面耐磨性。其中45钢应用最广泛
高碳钢具有较高的强度、硬度、耐磨性和良好的弹性，切削加工性中等，焊接性能不佳，淬火开裂倾向较大。主要用于制造弹簧、轧辊和凸轮等耐磨件与钢丝绳等，其中65是一种常用的弹簧钢
应用范围基本同于相对应的普通锰含量钢，但因淬透性和强度较高，可用于制作截面尺寸较大或强度要求较高的零件，其中以65Mn最常用优质碳素结构钢的用途非常广泛。对于低碳的15、20、25钢一般经渗碳、淬火加低温回火后使用，属于渗碳钢。可作小型活塞销、齿轮等冲击负荷不大及磨损条件下工作的零件。对于中碳的30、45、55钢，常在调质处理后使用(即淬火+高温回火)，可作齿轮、连杆、轴等较为重要的机器零件。对于含碳较高的60、65钢，常在淬火加中温回火后使用，主要用来制作弹簧。含锰量较高的钢的用途与含碳量相似的正常含锰量的钢相同，但其淬透性略高。优质碳素结构钢的化学成分和机械性能见表4-3。
3、碳素工具钢 这类钢由于其淬透性不高，并在250℃左右就失去其高硬度，即红硬性较差，所以只适宜制作一些小型，形状简单及转速不高的工具。高级优质碳素工具钢还可用来制作一些形状简单的量具。碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能及用途如表4-4
表4-4 碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能及用途
化学成分W(%)
退火状态硬度HBS
试样淬火硬度①HRC
用 途 举 例
0.65～0.74
800～820℃水 62
承受冲击、韧性较好、硬度适当的工具，如扁铲、手钳、大锤、改锥、木工工具
0.75～0.84
780～800℃水 62
承受冲击，要求较高硬度的工
具，如冲头、压缩空气工具、木工工具
0.80～0.90
0.40～0.60
780～800℃水 62
同上，但淬透性较大，可制造截面较大的工具
0.85～0.94
760～780℃水 62
韧性中等、硬度高的工具，如冲头、木工工具、凿岩工具
0.95～1.04
760～780℃水 62
不受剧烈冲击，高硬度耐磨的工具，如车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头、手锯条
760～780℃水 62
不受剧烈冲击，高硬度耐磨的工具，如车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头
1.15～1.24
760～780℃水 62
不受冲击，要求高硬度耐磨的工具，如锉刀、刮刀、精车刀、丝锥、量具
1.25～1.35
760～780℃水 62
同T12，要求更耐磨的工具，如刮刀、剃刀
①淬火后硬度不是指用途举例中各种工具硬度，而是指碳素工具钢材料在淬火后的最低硬度
习题与思考题
1、解释下列名词：
(1)一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体；
(2)铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体(Ld和L’d)；
(3)热脆与冷脆。
2、简述Fe-Fe3C相图中的三个基本反应：包晶反应、共晶反应及共析反应，写出反应式，注出含碳量和温度。
3、画出Fe-Fe3C相图，并进行以下分析：
(1)标注出相图中各区域的组织组成物和相组成物；
(2)分析0.4%C亚共析钢的结晶过程及其在室温下组织组成物与相组成物的相对重量；合金的结晶过程及其在室温下组织组成物与相组成物的相对重量。
4、现有两种铁碳合金(退火状态)；其中一种合金的显微组织为珠光体占80%，铁素体占20%；另一种合金的显微组织为珠光体占94%，二次渗碳体占6%，问这两种合金各属于那一类合金? 其含碳量各为多少?
5、根据Fe-Fe3C相图；计算：
(1)室温下，含碳0.6%的钢中铁素体和珠光体各占多少?
(2)室温下，含碳0.2%的钢中珠光体和二次渗碳体各占。多少?
(3)铁碳含金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。
6、现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们分别为0.20%C；0.4%C；1.2%C；3.5%C合金。根据所学知识，可有哪些方法来区别它们?
7、根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因：
(1)含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高；。
(2)低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；
(3)在l100℃，含碳0.4%的钢能进行锻造，含碳4.0%的生铁不能锻造；
(4)钢锭在950～1100℃正常温度下轧制，有时会造成锭坯开裂；
(5)一般要把钢材加热到高温(约℃)下进行热轧或锻造；
(6)钢铆钉一般用低碳钢制成；
(7)绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝)，而起重机吊重物却用60、65、70、75等钢制成的钢丝绳；
(8)钳工锯T8、T10、T12等钢料时比锯10、20钢费力，锯条易磨钝；
(9)钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。
8、钢中常存的杂质元素有哪些，对钢的性能有何影响？
9、在平衡条件下，45钢、T 8钢和T12钢的强度、硬度、塑性和韧性哪个大，哪个小，变化规律是什么，原因何在？
8、指出下列各类钢的类别、主要特点及用途：
(1)A3； (2)45； (3)T12A
9、根据下表所列要求，归纳对比铁素体、奥氏低、渗碳体、珠光体、莱氏体的特点。
晶体结构的特征
显微组织的特征
收录时间:日 02:30:01 来源:马棚网 作者:匿名
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