鐵碳合金

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（δ鐵素體）。這些固溶體中，鐵原子的空間分佈與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δ-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，但該過程在室温下是極其緩慢的。 ^[1] 

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）。 ^[2] 

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，由於具有很好的深衝性和焊接性而被廣泛地用作深衝件如汽車、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0.77%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。 ^[2] 

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。

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硅、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，氧氣轉爐鍊鋼、爐外噴吹、連續鑄鋼和連續軋製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。碳素鋼的產量在各國鋼總產量中的比重，約保持在80%左右，它不僅廣泛應用於建築、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。 ^[1] 

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、硅、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。脱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，提高鋼在低温下的韌性，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，如深衝用鋼板，則是不利的。

冶煉、加工對碳素鋼性能的影響碳素鋼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。根據鍊鋼過程脱氧程度的不同，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，隨着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，廣泛應用連續鑄鋼工藝。 ^[1] 

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、氧的重新分佈所造成。

淬火時效即鋼由高温快速冷卻後性能隨時間而變化的現象。鋼中含碳量、脱氧程度和含氮量對淬火時效都有很大影響，低碳鋼、脱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，無論在室温或稍高温度下，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，和在工業生產中的應用，尤其是氧氣轉爐鍊鋼能獲得更低的氮、氧含量，因此時效問題有所減輕。 ^[1] 

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，隨温度的降低，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，隨着温度降低，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，隨着温度降低，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，隨着温度降低，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，隨着温度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L + A→A →P；

（6）當碳含量4.3%～6.69%時，隨着温度降低，鐵碳合金結晶過程為：L→L+Fe₃C →L+Ld→L+Ld' 。 ^[2] 

鐵碳合金相圖的應用

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。在這裏可以知道，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，其温度控制合理，才能夠達到要求。從圖看線1、線3，分別代表的是亞共析鋼、過共析鋼組織隨温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。温度繼續上升，其塑性變形會有提高，但是温度過高，施加壓力過程中，會使坯料表面產生加工硬化，同時會伴隨有脱碳現象。因此，一般將始鍛温度控制在固相線以下200℃左右。終端温度控制在PSK線以上60℃左右。合理控制好鍛壓温度，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、脱碳現象。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。 ^[2]