工程材料及成形技术基础论文

含碳量对铁碳合金组织性能的影响 及碳在钢中的作用

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含C量对Fe、C合金组织性能的影响及C在钢中的作用

关键词：含碳量、铁碳合金、性能影响

摘要：Fe-Fe3C相图反映了在不同的温度下，含碳量不同的铁碳合金所具有的相以及相与相之间的关系，也反映出铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系，表达了含碳量对Fe、C合金组织性能的影响。这里主要分析含碳量对Fe、C合金的性能影响，并结合一些主要钢种对碳在钢中的作用作出分析。

正文：在分析含碳量对Fe、C合金组织性能的影响时，Fe-Fe3C相图就具有巨大的意义。含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极大，说明含碳量大于6.69%后使铁碳合金的塑性和韧性大大降低，从而使其失去了使用价值。含碳量位于0%～6.69%的Fe、C合金又会因为含碳量的不同而具有不同的相并且相与相之间的关系也会不同。碳对Fe、C合金的组织性能的影响很大一方面取决于Fe与C发生相互作用而形成的Fe、C合金的基本相，包括铁素体、奥氏体、渗碳体。就同为铁碳合金的基本相间隙固溶体铁素体、奥氏体也因溶碳能力不同而性能不同，同种基本相也因为在不同的温度下溶碳量不同而不同。

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由于碳在Fe中的溶解度很小，所以在常温下，碳在Fe、C合金中主要是以渗碳体形式存在，因此在常温下对Fe、C合金组织性能的影响可归纳于渗碳体的含量。在Fe-Fe3C相图中，根据成分的不同可把铁碳合金分为三类，工业纯铁、钢、白口铸铁。在含碳量小于0.0218%时，Fe、C合金为工业纯铁，其平衡组织为F（铁素体），力学性能主要表现为硬度低，塑性和韧性较好。含碳量为0.0218%～0.77%的Fe、C合金为亚共析钢，平衡组织为F+P(铁素体、珠光体)对其而言，随着含碳量的增加，组织中珠光体的数量相应的增加，钢的硬度、强度呈直线上升，而塑性则相应降低。含碳量为0.77%为共析钢，平衡组织为P（珠光体）。含碳量为0.77%～4.3%时，是由珠光体与二次渗碳体构成的过共析钢，随着含碳量的增加，二次渗碳体发展成连续网状，当含碳量超过1.0%时，钢变得硬而脆，且强度下降。对于含碳量在2.11%～6.69%的白口铸铁而言，由于出现了以渗碳体的莱氏体，性硬脆，难以切削加工，这很少应用。含碳量也对Fe、C合金的工艺性能产生很大的影响。在选材上，若需要塑性好，韧性高，则要选用低碳钢；若需要强度、塑性及韧性均较好，宜选用中碳钢；若要求强度、硬度高及耐磨性好，则选用高碳钢。在铸造工艺制定上，对于铸钢来说，通常选用含碳量在0.15%～0.6%之间，其原因之一是这个成分范围内钢的结晶温度区间较小，因而有较好的铸造性能。

含碳量对奥氏体冷却的C曲线的位置和形状产生影响，从而会间接造成对Fe、C合金性能的影响。例如，亚共析钢中的含碳量越低或过共析钢的含碳量越高，将会使C曲线位置越左移，即过冷奥氏体越易于分解，稳定性越低。就奥氏体冷却过

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程而言，不同的含碳量对冷却结果也有所不同。比如说，在低碳钢中在较高温度下形成的板条状马氏体，在高碳钢内于较低温度下形成的片状马氏体，故钢中出现何种形态的马氏体是与含碳量息息相关的。马氏体中晶体结构的点阵常数c/a,即正方度也取决于含碳量。含碳量增加，马氏体的正方度越大，相应的硬度就越高。当含碳量增至0.6%～0.7%后，马氏体本身的硬度增加很慢。

就一些具体的钢种而言，碳在钢中的作用就会有突出的呈现。普通结构钢的含碳量通常在0.4%以下，以保证良好的焊接性、冷成形性和韧性。而在优质结构钢中，含碳量一般在0.25%以下，以保证良好的塑性、韧性和工艺性能。但当其作为渗碳件后，经渗碳淬火后，使其既保持良好的耐磨性，心部仍具有良好的韧性。当含碳量在0.25%～0.55%时，经常会进行调质处理，故称为调质钢，具有良好的综合力学性能。当含碳量在0.45%～0.85%时，保证高的强度，主要是高的弹性极限、屈服点、屈强比和疲劳强度。当含碳量为0.95%～1.15%，保证高强度和耐磨性。综上，含碳量是优质结构钢的特性的区分量。比如可区分其用途和热处理方式，从而分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。工具钢也有其独特的特点，成分特点中的含碳量一般分为中碳0.3%～0.6%，以保证良好的强度和韧性配合，较高的硬度和热疲劳抗力。高碳0.65%～1.35%，保证高硬度和高耐磨性。超高碳含碳量一般为1.40%～2.30%，以形成足够多合金碳化物，从而保证高耐磨性和高硬度。在合金工具钢中，碳的含量则与相关的合金元素碳化物形成密切相关，从而影响了合金工具钢的性能。综合结构钢和工具钢，在碳素结构钢和碳素工具钢中，碳的作用即为铁碳合金中碳的作用。而在合金结构钢和合金工具钢中，碳则主要与一些合金元素结合成碳化物，或者合金溶入基本相然后析出碳化物，以此来影响合金钢的性能。

对于特殊性能钢，碳也表现出尤为重要的作用。对不锈钢而言，碳含量小于0.2%称为低碳或超低碳，有优良的耐蚀性、焊接性和塑性。含碳量愈低，则晶间腐蚀倾

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向愈低，耐蚀性愈好。故对于铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢中的碳含量直接决定其耐蚀性。对于中低碳或高碳的不锈钢，如马氏体不锈钢，不仅有一定的耐蚀性，而且有较高的力学性能。耐热钢中的碳含量则表现为抗氧化性能和高温强度性能。当含碳量小于0.25%时，含碳量越低，组织越稳定，抗氧化性能越稳定。含碳量在0.3%～0.5%之间，主要是利用碳形成碳化物起第二相强化作用，提高热强度。合金化后的不锈钢和耐热钢，碳表现的作用便在于和一些合金形成合金元素碳化物或者析出碳化物而发挥耐蚀性、抗氧化性和高温强度等性能。

表面淬火和表面渗碳属于表面工程，就是利用各种物理的化学的或者机械的方法，改变材料表面的形态、成分、组织结构和应力状态，获得所需要特殊性能的系统工程。因为材料的磨损、腐蚀和疲劳等失效现象都是从表面开始的，所以渗碳技术和表面淬火技术不仅仅满足了外强内韧的效果，还将工件的整体性能都提高了。表面工程需要用的材料很少，从而保证零件性能的同时，又降低了成本。而且表面淬火和渗碳还可以用于修复已经磨损或腐蚀失效的零部件，是再制造业的关键技术。大量实践证明，渗碳是表面的含碳量的0.85%～1.05%为最好。含碳量过低，耐磨性差，疲劳抗力小。含碳量过高，组织中易出现网状或块状渗碳体，渗层变脆，易剥落，同时残余奥氏体量过大，对耐磨性和疲劳强度也不利。 参考文献：

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