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***大可以達到0.0218%，在室溫時僅約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℃達到***高，可以達到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鐵碳相圖的應用

2.1.2.1***為合理選擇材料的依據

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律，這樣就能根據零件的工作條件和性能要求來選擇材料。如需要塑性、韌性高的材料應選用含碳量低（0.10-0.25%）的鋼；需要強度、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。

1、熱軋方面。鋼在室溫時組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難，只有將其加熱到單項奧氏體狀態，才具有較好的強度和較好的塑性，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。對于強度極限（抗拉強度），在亞共析鋼范圍內，隨著含碳量的增加，由于珠光體量增加，強度不斷上升，超過共析成分后，組織上開始出現二次滲碳體；含碳量低于0.9%，二次滲碳體量少，形不成網狀，所以強度繼續上升：而含碳量大于0.9%，二次滲碳體網狀趨于完整，故強度顯著降低。

2.2.2硫

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

為了消除硫的有害作用，應使鋼中含有一定量的錳，因為錳和硫的親和力較鐵與硫的親和力大，錳可以優先與硫形成高熔點（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，特別在低溫時更為顯著。合金在溫度下降時韌性劇烈下降的現象稱為冷脆。

磷不但造成冷脆，還降低鋼材的可焊性，含量過高時焊縫易產生裂紋，因此，將磷也看做鋼中有害雜質，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，使鋼強化；錳還能增加珠光體相對量，使組織細化；但是，錳作為少量雜質存在時對碳鋼力學性能影響并不顯著，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。但提高鋼的強度、硬度和彈性，降低鋼的塑性和韌性。硅作為雜質在鋼中一般小于0.5%

2.2.6氫

氫在鋼中是有害元素，變現在兩個方面：

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生，也不在高溫出現，氫脆現象只在-100-100℃這樣一個特定的溫度范圍內產生。

2）、氫對熱加工時鋼的塑性沒有明顯的影響，因為加熱到1000℃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散，而集中在晶界和顯微空隙處形成氫分子并產生相當大的應力，在組織應力、溫度應力和氫析出所造成的內應力共同作用下會在鋼中出現微細裂紋，及白點。該現象在合金鋼中尤為嚴重。

2.2.7氮

591℃時，氮在鐵素體中的溶解度***大，約為0.1%，但在室溫時則降低至0.001%以下。若將含氮量較高的鋼自高溫較快冷卻時，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，造成鋼的強度、硬度提高，塑性、韌性大大降低，使鋼變脆，這種現象稱為時效脆性。解決辦法向鋼中加足夠數量的鋁，使之除與氧結合外，在熱軋后的緩冷過程中（700-800℃）與氮結合形成AlN，這樣可以減弱或者消除室溫時發生的時效現象。

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

2.2.8其它

Cr 

1、在低合金范圍內，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、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，使鋼具有對強氧化性酸類等腐蝕介質的耐腐蝕能力 

Mo 

1、 強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度 

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度 

Ni 

1、 提高鋼的強度，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、 擴大奧氏體區，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、 細化鋼的晶粒，提高鋼的強度 

3、提高鋼的抗氧化性能，提高不銹鋼對強氧化性酸類的耐蝕能力