2 鐵碳合金

2.1鐵碳相圖

A1：PSK

A3：GS

Am：SE

2.1.1基本相

2.1.1.1鐵素體

碳溶于а-Fe中形成的間隙固溶體成為鐵素體，用符號F表示。碳在а-Fe中溶解度較小，在727℃時(shí)***大可以達(dá)到0.0218%，在室溫時(shí)僅約0.0008%。由于鐵素體的含碳量很低，所以鐵素體的組織及性能與純鐵極為相似，極具有較好的塑性和韌性，強(qiáng)度和硬度極低。

2.1. 1.2奧氏體

碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體成為奧氏體，常用符號A表示。奧氏體的容碳量較高，在1148℃達(dá)到***高，可以達(dá)到2.11%；在727℃為0.77%。奧氏體的硬度較低而塑性較高，易于壓力加工。（熱軋過程中，處于奧氏體）

2.1. 1.3滲碳體

鐵與碳形成的化合物Fe3C成為滲碳體。滲碳體的含碳量大約為6.69%。滲碳體的硬度很高，而塑性、韌性幾乎等于零，是一個硬而脆的相。

2.1.2鐵碳相圖的應(yīng)用

2.1.2.1***為合理選擇材料的依據(jù)

通過對鐵碳相圖的分析，可以了解合金組織和性能隨成分變化的規(guī)律，這樣就能根據(jù)零件的工作條件和性能要求來選擇材料。如需要塑性、韌性高的材料應(yīng)選用含碳量低（0.10-0.25%）的鋼；需要強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的材料可以選用含碳量中等（0.25-0.6%）的亞共析鋼；需要耐磨性好、硬度高的材料，應(yīng)選含碳量高的（0.60-1.40%）的鋼。

2.1.2.2作為制定熱加工工藝的依據(jù)。

1、熱軋方面。鋼在室溫時(shí)組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難，只有將其加熱到單項(xiàng)奧氏體狀態(tài)，才具有較好的強(qiáng)度和較好的塑性，因而一般始軋溫度在固相線以下100-200攝氏度，而終軋溫度，對于亞共析鋼要稍高于A3，過共析鋼要稍高于A1。

2、退火工藝

2.2常見元素對鋼的性能的影響

2.2.1碳

隨著碳含量的增加，鋼的硬度直線上升，塑性和韌性降低。對于強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度），在亞共析鋼范圍內(nèi)，隨著含碳量的增加，由于珠光體量增加，強(qiáng)度不斷上升，超過共析成分后，組織上開始出現(xiàn)二次滲碳體；含碳量低于0.9%，二次滲碳體量少，形不成網(wǎng)狀，所以強(qiáng)度繼續(xù)上升：而含碳量大于0.9%，二次滲碳體網(wǎng)狀趨于完整，故強(qiáng)度顯著降低。

2.2.2硫

硫在鐵中溶解度極小，而與鐵形成化合物FeS（熔點(diǎn)1190℃）。FeS與Fe能形成低熔點(diǎn)的共晶體（熔點(diǎn)985℃），分布于晶界上。在熱壓力加工時(shí)，由于FeS與Fe的共晶體容易熔化，而導(dǎo)致開裂，這種現(xiàn)象叫做熱脆。

為了消除硫的有害作用，應(yīng)使鋼中含有一定量的錳，因?yàn)殄i和硫的親和力較鐵與硫的親和力大，錳可以優(yōu)先與硫形成高熔點(diǎn)（1620）MnS，而有效防止熱裂。硫的含量一般限制在0.055%以下。

2.2.3磷

鋼中的磷含量即使只有千分之幾，也會因析出脆性化合物Fe3P，而使鋼的脆性增加，特別在低溫時(shí)更為顯著。合金在溫度下降時(shí)韌性劇烈下降的現(xiàn)象稱為冷脆。

磷不但造成冷脆，還降低鋼材的可焊性，含量過高時(shí)焊縫易產(chǎn)生裂紋，因此，將磷也看做鋼中有害雜質(zhì)，其在鋼中的含量一般控制在0.045%以下。但磷能夠提高鋼材的抗蝕性能。

2.2.4錳

錳具有一定的脫氧能力，能夠消除鋼中的氧化特，顯著改善鋼的質(zhì)量；能夠與S形成化合物MnS，減少硫的有害作用；還能溶于鐵素體形成置換固溶體，使鋼強(qiáng)化；錳還能增加珠光體相對量，使組織細(xì)化；但是，錳作為少量雜質(zhì)存在時(shí)對碳鋼力學(xué)性能影響并不顯著，因此錳是有益元素。

2.2.5硅

硅的作用與錳相似。其脫氧能力比錳還強(qiáng)。但提高鋼的強(qiáng)度、硬度和彈性，降低鋼的塑性和韌性。硅作為雜質(zhì)在鋼中一般小于0.5%

2.2.6氫

氫在鋼中是有害元素，變現(xiàn)在兩個方面：

1）、氫溶于鋼中使鋼的塑性和韌性降低，引起所謂的氫脆。氫脆既不在很低的溫度發(fā)生，也不在高溫出現(xiàn)，氫脆現(xiàn)象只在-100-100℃這樣一個特定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生。

2）、氫對熱加工時(shí)鋼的塑性沒有明顯的影響，因?yàn)榧訜岬?000℃左右，氫就部分地從鋼中析出。但對于含氫量較多的鋼種，熱加工后又較快冷卻，會使從固溶體析出的氫原子來不及向鋼表面擴(kuò)散，而集中在晶界和顯微空隙處形成氫分子并產(chǎn)生相當(dāng)大的應(yīng)力，在組織應(yīng)力、溫度應(yīng)力和氫析出所造成的內(nèi)應(yīng)力共同作用下會在鋼中出現(xiàn)微細(xì)裂紋，及白點(diǎn)。該現(xiàn)象在合金鋼中尤為嚴(yán)重。

2.2.7氮

591℃時(shí)，氮在鐵素體中的溶解度***大，約為0.1%，但在室溫時(shí)則降低至0.001%以下。若將含氮量較高的鋼自高溫較快冷卻時(shí)，使鐵素體中的氮過飽和，并在室溫或稍高溫度下，氮將逐漸以Fe4N的形式析出，造成鋼的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性大大降低，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效脆性。解決辦法向鋼中加足夠數(shù)量的鋁，使之除與氧結(jié)合外，在熱軋后的緩冷過程中（700-800℃）與氮結(jié)合形成AlN，這樣可以減弱或者消除室溫時(shí)發(fā)生的時(shí)效現(xiàn)象。

此外，利用彌散的ALN可以阻止鋼在加熱時(shí)，奧氏體經(jīng)歷的長大，從而獲得細(xì)晶粒的鋼。

2.2.8其它

Cr 

1、在低合金范圍內(nèi)，對鋼具有很大的強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性 

2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性 

3、提高鋼的耐熱性 

4、在高合金范圍內(nèi)，使鋼具有對強(qiáng)氧化性酸類等腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕能力 

Mo 

1、 強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度 

2、 降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性 

3、 提高鋼的耐熱性和高溫強(qiáng)度 

Ni 

1、 提高鋼的強(qiáng)度，而不降低其塑性，改善鋼的低溫韌性 

2、 降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性 

3、 擴(kuò)大奧氏體區(qū)，是奧氏體化的有效元素 

4、 本身具有一定耐蝕性，對一些還原性酸類有良好的耐蝕能力 

Al 

1、 煉鋼中起良好的脫氧作用 

2、 細(xì)化鋼的晶粒，提高鋼的強(qiáng)度 

3、提高鋼的抗氧化性能，提高不銹鋼對強(qiáng)氧化性酸類的耐蝕能力