第三章 鐵碳合金相圖

1、第三章 鐵碳合金相圖非合金鋼（GBT 13304-91），將鋼分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三大類和鑄鐵是應(yīng)用極其廣泛的重要金屬材料，都是以鐵為基主要由鐵和碳組成的鐵碳合金。了解鐵碳合金成分與組織、性能的關(guān)系，有助于我們更好地研究和使用鋼鐵材料。本章將著重討論鐵碳相圖及其應(yīng)用方面的一些問題。鐵與碳可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等。Fe3C的含碳量為6.69，鐵碳合金含碳量超過6.69，脆性很大，沒有實用價值，所以本章討論的鐵碳相圖，實際是Fe-Fe3C相圖。相圖的兩個組元是Fe和Fe3C。3.1 Fe-Fe3C系合金的組元與基本相3.l.l 組元純鐵 Fe是過渡族元素，1個大

2、氣壓下的熔點為1538，20時的密度為7.87´103kg/m2。純鐵在不同的溫度區(qū)間有不同的晶體結(jié)構(gòu)（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變），即：a-Fe（體心） g-Fe（面心）工業(yè)純鐵的力學(xué)性能大致如下：抗拉強度sb=180230MPa，屈服強度s0.2100d-Fe（體心）170MPa，伸長率d=3050，硬度為5080HBS?？梢?，純鐵強度低，硬度低，塑性好，很少做結(jié)構(gòu)材料，由于有高的磁導(dǎo)率，主要作為電工材料用于各種鐵芯。Fe3C Fe3C是鐵和碳形成的間隙化合物，晶體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，通常稱滲碳體，可用符號Cm表示。Fe3C具有很高的硬度但很脆，硬度約為9501050HV，抗拉強度sb=30MPa，

3、伸長率d=0。3.1.2 基本相Fe-Fe3C相圖中除了高溫時存在的液相L，和化合物相Fe3C外，還有碳溶于鐵形成的幾種間隙固溶體相：高溫鐵素體 碳溶于d-Fe的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號d表示。 鐵素體 碳溶于a-Fe的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號a或F表示。F中碳的固溶度極小，室溫時約為0.0008,600時約為0.0057,在727時溶碳量最大，約為0.0218，但也不大，在后續(xù)的計算中，如果無特殊要求可忽略不計。力學(xué)性能與工業(yè)純鐵相當(dāng)。奧氏體 碳溶于g-Fe的間隙固溶體，面心立方晶格，用符號g或A表示。奧氏體中碳的固溶度較大，在1148時最大達2.11。奧氏體強度較低，硬度不

4、高，易于塑性變形。3.2 Fe-Fe3C相圖3.2.1 Fe-Fe3C相圖中各點的溫度、含碳量及含義Fe-Fe3C相圖及相圖中各點的溫度、含碳量等見圖3.1及表3.1所示。37圖3.1及表3.1中代表符號屬通用，一般不隨意改變。C, (重量) 圖3.1 Fe-Fe3C相圖表3.1相圖中各點的溫度、含碳量及含義Fe-Fe3C3.2.2.1 三個重要的特性點J點為包晶點 合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到1495時。B點成分的L與H點成分的d 發(fā)生包晶反應(yīng)，生成J點成分的A。包晶反應(yīng)在恒溫下進行，反應(yīng)過程中L、d、A三AJ 或 L0.53+d0.09A0.17。 相共存，反應(yīng)式為：LB+dHC點為共晶點

5、合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到1148時。C點成分的L發(fā)生共晶反應(yīng)，生成E點成分的A和Fe3C。共晶反應(yīng)在恒溫下進行，反應(yīng)過程中L、A、Fe3C三相共AE+Fe3C 或 L4.3A2.11+Fe3C。 存，反應(yīng)式為：LC共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是A與Fe3C的共晶混合物，稱萊氏體，用符號Le表示，所以共晶反應(yīng)Le4.3。 式也可表達為： L4.3萊氏體組織中的滲碳體稱為共晶滲碳體。在顯微鏡下萊氏體的形態(tài)是塊狀或粒狀A(yù)（727時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w）分布在滲碳體基體上。38S點為共析點 合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到727時S點成分的A發(fā)生共析反應(yīng)，生成P點成分的F和Fe3C。共析反應(yīng)在恒溫下進行，反應(yīng)過程中A、F、Fe

6、3C三相共存，反應(yīng)式為：ASFP+Fe3C 或 A0.77F0.0218+Fe3C共析反應(yīng)的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱珠光體，用符號P表示，因而共析反應(yīng)可簡單表示為：A0.77P0.77P中的滲碳體稱為共析滲碳體。在顯微鏡下P的形態(tài)呈層片狀。在放大倍數(shù)很高時，可清楚看到相間分布的滲碳體片（窄條）與鐵素體片（寬條）。P的強度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間，其機械性能如下：抗拉強度（sb） 770MPa延伸率（d） 2035沖擊韌性（ak） 3040J/cm2硬度（HB） 180kgf/mm2 3.2.2.2 相圖中的特性線相圖中的ABCD為液相線；AHJECF為固相線。水

7、平線HJB為包晶反應(yīng)線。碳含量0.090.53的鐵碳含金在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。水平線ECF為共晶反應(yīng)線。碳含量在2.116.69之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。水平線PSK為共析反應(yīng)線。碳含量0.02186.69之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK線在熱處理中亦稱A1線。GS線是合金冷卻時自A中開始析出F的臨界溫度線，通常稱A3線。ES線是碳在A中的固溶線，通常稱Acm線。由于在1148時A中溶碳量最大可達2.11，而在727時僅為0.77，因此碳含量大于0.77的鐵碳合金自1148冷至727的過程中，將從A中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為二次滲碳體

8、（Fe3CII）。Acm線亦是從A中開始析出Fe3CII的臨界溫度線。PQ線是碳在F中的固溶線。在727時F中溶碳量最大可達0.0218，室溫時僅為0.0008，因此碳含量大于0.0008的鐵碳合金自727冷至室溫的過程中，將從F中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為三次滲碳體（Fe3CIII）。PQ線亦為從F中開始析出Fe3CIII的臨界溫度線。Fe3CIII數(shù)量極少，往往可以忽略。下面分析鐵碳合金平衡結(jié)晶過程時，均忽略這一析出過程。3.3 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程根據(jù)Fe-Fe3C相圖，鐵碳含金可分為三類： 工業(yè)純鐵(C£0.0218%)áCá0.77%)

9、6;ï亞共析鋼(0.0218%áC£2.11%)í共析鋼(C=0.77%) 鋼(0.0218%()ïî過共析鋼0.77áC£2.11ìï亞共晶白口鑄鐵(2.11%áCá4.3%) 白口鑄鐵(2.11%áCá6.69%)í共晶白口鑄鐵(C=4.3%) ïî過共晶白口鑄鐵(4.3%áCá6.69%)下面分別對以上七種典型鐵碳含金的結(jié)晶過程進行分析。3.3.1 工業(yè)純鐵以含碳0.01的鐵碳合金為例，其冷卻曲線（如

10、圖3.2）和平衡結(jié)晶過程如下。合金在1點以上為液相L。冷卻至稍低于1點時，開始從L中結(jié)晶出d，至2點合金全 部結(jié)晶為d。從3點起，d逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳，至4點全部轉(zhuǎn)變完了。4-5點間A冷卻不變。自5點始，從A中析出F。F在A晶界處生核并長大，至6點時A全部轉(zhuǎn)變?yōu)镕。在6-7點39間F冷卻不變。在7-8點間，從F晶界析出Fe3CIII。因此合金的室溫平衡組織為F+Fe3CIII。呈小白片狀分布于F晶界處。若忽略Fe3CIII，則組織全為F。 F呈白色塊狀；Fe3CIII量極少，圖3.2工業(yè)純鐵結(jié)晶過程示意圖3.3.2 共析鋼其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3.3所示。合金冷卻時，于1點起從L中結(jié)晶出A，至

11、2點全部結(jié)晶完了。在2-3點間A冷卻不變。至3點時，A發(fā)生共析反應(yīng)生成P。從3繼續(xù)冷卻至4點，P皆不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此共析鋼的室溫平衡組織全部為P，P呈層片狀。共析鋼的室溫組織組成物也全部是P，而組成相為F和Fe3C，它們的相對質(zhì)量為：6.69-0.77F%=´100%=88%;Fe3C%=1-F%=12% 6.69圖3.3 共析鋼結(jié)晶過程示意圖3.3.3 亞共析鋼以含碳0.4的鐵碳含金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3.4所示。d變?yōu)?.09合金冷卻時，從1點起自L中結(jié)晶出d，至2點時，L成分變?yōu)?.53C，C，發(fā)生包晶反應(yīng)生成A0.17，反應(yīng)結(jié)束后尚有多余的L。2點以下，自L中不斷

12、結(jié)晶出A，至3點合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳。在3-4點間A冷卻不變。從4點起，冷卻時由A中析出F，F(xiàn)在A晶界處優(yōu)先生核并長大，而A和F的成分分別沿GS和GP線變化。至5點時，A的成分變?yōu)?.77C，F(xiàn)的成分變?yōu)?.0218C。此時A發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)镻，F(xiàn)不變化。從5繼續(xù)冷卻至6點，合金組織不發(fā)生變化，因此室溫平衡組織為F+P。F呈白色塊狀；P呈層片狀，放大倍數(shù)不高時呈黑色塊狀。碳含量大于0.6的亞共析鋼，室溫平衡組織中40的F常呈白色網(wǎng)狀，包圍在P周圍。圖3.4 亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖含0.4C的亞共析鋼的組織組成物（F和P）的相對質(zhì)量為：0.4-0.02P%=´100%=51%；F%=1

13、-51%=49% 0.77-0.02組成相（F和Fe3C）的相對質(zhì)量為：6.69-0.4F%=´100%=94%;Fe3C%=1-94%=6% 6.69由于室溫下F的含碳量極微，若將F中的含碳量忽略不計，則鋼中的含碳量全部在P中，所以亞共析鋼的含碳量可由其室溫平衡組織來估算。即根據(jù)P的含量可求出鋼的含碳量為：C%=P%´0.77%。由于P和F的密度相近，鋼中P和F的含量（質(zhì)量百分數(shù)）可以近似用對應(yīng)的面積百分數(shù)來估算。圖3.5 過共析鋼結(jié)晶過程示意圖3.3.4 過共析鋼以碳含量為1.2的鐵碳合金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3.5所示。 合金冷卻時，從1點起自L中結(jié)晶出A

14、，至2點全部結(jié)晶完了。在2-3點間A冷卻不變，從3點起，由A中析出Fe3CII，F(xiàn)e3CII呈網(wǎng)狀分布在A晶界上。至4點時A的碳含量降為0.77，4-4發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻，而 Fe3CII不變化。在4-5點間冷卻時組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為Fe3CII+P。在顯微鏡下，F(xiàn)e3CII呈網(wǎng)狀分布在層片狀P周圍。41含1.2C的過共析鋼的組成相為F和Fe3C；組織組成物為Fe3CII和P，它們的相對質(zhì)1.2-0.77量為：Fe3CII%=´100%=7%;P%=1-7%=93%6.69-0.773.3.5 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵的冷卻曲線和平衡結(jié)晶過程如圖3.6所示。圖3.6

15、共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖合金在1點發(fā)生共晶反應(yīng)，由L轉(zhuǎn)變?yōu)椋ǜ邷兀┤R氏體Le（A+Fe3C）。在1-2點間，Le中的A不斷析出Fe3CII。Fe3CII與共晶Fe3C無界線相連，在顯微鏡下無法分辨，但此時的萊氏體由A+Fe3CII+Fe3C組成。由于Fe3CII的析出，至2點時A的碳含量降為0.77，并發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻；高溫萊氏體Le轉(zhuǎn)變成低溫萊氏體Le(P+Fe3CII+Fe3C)。從2至3點組織不變化。所以室溫平衡組織仍為Le，由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成（見圖3.12）。共晶白口鑄鐵的組織組成物全為Le，而組成相還是F和Fe3C，它們的相對重量可用杠桿定律求出。3.3.

16、6 亞共晶白口鑄鐵以碳含量為3的鐵碳合金為例，其冷卻曲線和平衡結(jié)晶討程如圖3.7所示。圖3.7 亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖合金自1點起，從L中結(jié)晶出初生A，至2點時L的成分變?yōu)楹?.3C（A的成分變?yōu)楹?.11），發(fā)生共晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)長e，而A不參與反應(yīng)。在2-3點間繼續(xù)冷卻時，初生A不斷在其外圍或晶界上析出Fe3CII，同時Le中的A也析出Fe3CII。至3點溫度時，所42有A的成分均變?yōu)?.77，初生A發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻；高溫萊氏體Le也轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體Le。在3以下到4點，冷卻不引起轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為P+Fe3CII+Le。網(wǎng)狀Fe3CII分布在粗大塊狀P的周圍，Le則由條狀或粒

17、狀P和Fe3C基體組成。 亞共晶白口鑄鐵的組成相為F和Fe3C。組織組成物為P、Fe3CII、和Le。它們的相對質(zhì)量可以兩次利用杠桿定律求出。先求合金鋼冷卻到2點溫度時初生A2.11和L4.3的相對質(zhì)量：4.3-3A2.11%=´100%=59%;L4.3%=1-59%=41%4.3-2.11并隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體Le，所以Le = Le L4.3通過共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)長e，= L4.3 = 41。再求3點溫度時（共析轉(zhuǎn)變前）由初生A2.11析出的Fe3CII及共析成分的A0.77的相對質(zhì)量：2.11-0.776.69-2.11Fe3CII%=´59%=13%;A0.77%

18、=´59%=46%。6.69-0.776.69-0.77由于A0.77發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镻，所以P的相對質(zhì)量就是46。3.3.7 過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程與亞共晶白口鑄鐵大同小異，唯一的區(qū)別是：其先析出相是一次滲碳體（Fe3CI）而不是A，而且因為沒有先析出A，進而其室溫組織中除Le中的P以外再沒有P，即室溫下組織為LeFe3CI，組成相也同樣為F和Fe3C，它們的質(zhì)量分數(shù)的計算仍然用杠桿定律，方法同上。3.4 含碳量與鐵碳合金平衡組織、機械性能的關(guān)系3.4.1 按組織劃分的Fe-Fe3C相圖由Fe-Fe3C相圖，可知鐵碳合金室溫平衡組織都由F和Fe3C兩相組成，隨含碳

19、量增高，；Fe3C含量相應(yīng)增加，由0按直F含量下降，由100按直線關(guān)系變至0（含6.69C時）線關(guān)系變至100（含6.69C時）。改變含碳量，不僅引起組成相的質(zhì)量分數(shù)變化，而且產(chǎn)生不同結(jié)晶過程，從而導(dǎo)致組成相的形態(tài)、分布變化，也即改變了鐵碳合金的組織。由圖3.8，可見隨著含碳量增加，室溫組織變化如下：F（+Fe3CIII）F+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LeLeLe+Fe3CI。組成相的相對含量及組織形態(tài)的變化，會對鐵碳合金性能產(chǎn)生很大影響。3.4.2 碳鋼的機械性能與碳含量的關(guān)系對圖3.8進行分析，得知鐵碳合金的含碳量: 小于0.0218時組織全部為F；等于0.77時全部為P；等于

20、4.3時全部為Le；等于6.69時全部為Fe3C；在它們之間的組織則為相應(yīng)組織的混合物。利用杠桿定律對其質(zhì)量分數(shù)計算可得如圖3.9所示的含碳量與組織（F、P、Fe3CII、Le、Fe3CI）的數(shù)量關(guān)系。 C,% 43硬度（HB）主要決定于組織中組 圖3.8 標(biāo)注組織分區(qū)的Fe-Fe3C合金相圖成相或組織組成物的硬度和相對數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。隨碳含量的增加，由于硬度高的Fe3C增多，硬度低的F減少，所以合金的硬度呈直線關(guān)系增大，由全部為F的硬度約80HB增大到全部為Fe3C時的約800HB。強度是一個對組織形態(tài)很敏感的性能。隨碳含量的增加，亞共析鋼中P增多而F減少。P的強度比較高

21、，其大小與細密程度有關(guān)。組織越細密，則強度值越高。F的強度較低。所以亞共析鋼的強度隨碳含量的增大而增大；但當(dāng)碳含量超過共析成分之后，由于強度很低的Fe3CII沿晶界析出，合金強度的增高變慢；到約0.9時，F(xiàn)e3CII沿晶界形成完整的網(wǎng)，強度迅速降低；隨著碳含量的增加，強度不斷下降，到2.11后，合金中出現(xiàn)Le時，強度已降到很低的值。再增加碳含量時，由于合金基體都為脆性很高的Fe3C，強度變化不大且值很低，趨近于Fe3C的強度（約2030MPa）。 圖3.9 含碳量與組織的關(guān)系鐵碳含金中Fe3C是極脆的相，沒有塑性，不能為合金的塑性作出貢獻，合金的塑性全部由F提供，所以隨碳含量的增大，F(xiàn)量不斷減

22、少時，合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時，塑性就降到近于零值了。見圖3.10。對于應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料亞共析鋼，其硬度、強度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下估算: 圖3.10 性能隨含碳量的變化 硬度（HB）80´F%+180´P%或（HB）80´F%+800´Fe3C%；強度（sb）230´F%+770´P%(MPa)；延伸率（d）50´F%+20´P%。式中的數(shù)字相應(yīng)為F、P或Fe3C的近似硬度、強度和延伸率；符號相應(yīng)表示組織中F、P或Fe3C的含量。3.5 Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用和局限性3.5.1 Fe-F

23、e3C相圖的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖在生產(chǎn)中具有重大的實際意義，主要應(yīng)用在鋼鐵材料的選用和加工工藝的制訂兩個方面。3.5.1.1 在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖所表明的某些成分-組織-性能的規(guī)律，為鋼鐵材料選用提供了根據(jù)；建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳含量較低的鋼材；各種機械零件需要強度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼；各種工具要用硬度高和耐磨性好的材料，則選用含碳量高的鋼種；純鐵的強度低，不宜用做結(jié)構(gòu)材料，但由于其導(dǎo)磁率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵芯等；白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性

24、能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機的磨球等。3.5.1.2 在鑄造工藝方面的應(yīng)用根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50100。從相圖上可看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好。它們的凝固溫度區(qū)間最小，因而流動性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳含量規(guī)定在0.150.6之間，因為這個范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。3.5.1.3 在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用44鋼處于馬氏體狀態(tài)時強度較低，塑性較好，因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進行。 一

25、般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100200范圍內(nèi)。溫度高時，鋼的變形抗力小，節(jié)約能源，設(shè)備要求的噸位低，但溫度不能過高，防止鋼材嚴(yán)重?zé)龘p或發(fā)生晶界熔化（過燒）。終鍛、終軋溫度不能過低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂。亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在GS線以上一點，避免變形時出現(xiàn)大量鐵素體，形成帶狀組織而使韌性降低。過共析鋼變形終止溫度應(yīng)控制在PSK線以上一點，以便把呈網(wǎng)狀析出的二次滲碳體打碎。終止溫度不能太高，否則再結(jié)晶后奧氏體晶粒粗大，使熱加工后的組織也粗大。一般始鍛溫度為11501250，終鍛溫度為750850。3.5.1.4 在熱處理工藝方面的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖對于制訂熱處理工藝有

26、著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe-Fe3C相圖確定的。這將在下一章中詳細闡述。3.5.2 Fe-Fe3C相圖的局限性Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用很廣，為了正確掌握它的應(yīng)用，必須了解其下列局限性。Fe-Fe3C相圖反映的是平衡相，而不是組織。相圖能給出平衡條件下的相、相的成分和各相的相對質(zhì)量，但不能給出相的形狀、大小和空間相互配置的關(guān)系。Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)。實際生產(chǎn)中應(yīng)用的鋼和鑄鐵，除了鐵和碳以外，往往含有或有意加入其它元素。被加入元素的含量較高時，相圖將發(fā)生重大變化。嚴(yán)格說，在這樣的條件下鐵碳相圖已不適用。Fe-Fe3C相圖反

27、映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)。相的平衡只有在非常緩慢的冷卻和加熱，或者在給定溫度長期保溫的情況下才能達到。就是說，相圖沒有反映時間的作用。所以鋼鐵在實際的生產(chǎn)和加工過程中，當(dāng)冷卻和加熱速度較快時，常常不能用相圖來分析問題。3.6 碳鋼及其常存雜質(zhì)碳鋼被廣泛使用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。它們不僅價格低廉、容易加工，而且在一般情況下能滿足使用性能的要求。為了掌握碳鋼的正確選擇和合理使用、必須熟悉它的牌號和用途。3.6.1 碳鋼中雜質(zhì)元素由于原料和冶煉工藝的原因，碳鋼中除鐵與碳兩種元素外，還含有少量Mn、Si、S、P以及微量的氣體元素O、H、N等非特意加入的雜質(zhì)元素。Si和Mn是煉鋼時作為脫氧劑（錳鐵、

28、硅鐵）加入而殘留在鋼中的，其余的元素則是從原料或大氣中帶入鋼中而冶煉時不能清除盡的有害雜質(zhì)。它們對鋼的性能有一定影響。3.6.1.1 錳和硅的影響Si、Mn加入鋼中，可將鋼液中的FeO還原成Fe，并形成SiO2和MnO。Mn還與鋼液中的S形成MnS而大大減輕S的有害作用。這些反應(yīng)產(chǎn)物大部分進入爐渣，小部分殘留鋼中成為非金屬夾雜。鋼中含Mn量約為0.250.80。鋼中含Si量約為0.030.40。脫氧劑中的Si與Mn總會有一部分溶于鋼液，凝固后溶于鐵素體，產(chǎn)生固溶強化作用。在含量不高(1)時，可以提高鋼的強度，而不降低鋼的塑性和韌性，一般認為Si、Mn是鋼中有益元素。3.6.1.2 其它雜質(zhì)的影

29、響S的影響 S在固態(tài)鐵中幾乎不溶解，它與鐵形成熔點為1190的FeS，F(xiàn)eS又與g-Fe形成熔點更低的（985）共晶體。即使鋼中含S量不高，由于嚴(yán)重偏析，凝固快完成時，鋼中的S幾乎全部殘留在枝晶間的鋼液中，最后形成低熔點的（Fe+FeS）共晶。含有硫化物共晶的鋼材進行熱壓力加工（加熱溫度一般在11501250之間），分布在晶界處的共晶體處于熔融狀態(tài)，一經(jīng)軋制或鍛打，鋼材就會沿晶界開裂。這種現(xiàn)象稱為鋼的熱脆。 45如果鋼水脫氧不良，含有較多的FeO，還會形成（Fe+FeO+FeS）三相共晶體，熔點更低（940），危害性更大。對于鑄鋼件，含硫過高，易使鑄件發(fā)生熱裂；S也使焊件的焊縫處易發(fā)生熱裂。P

30、的影響 P在鐵中固溶度較大，鋼中的P一般都固溶于鐵中。P溶人鐵素體后，有較之其他元素更強的固溶強化能力，尤其是較高的含P量，使鋼顯著提高強度、硬度的同時，劇烈地降低鋼的塑、韌性，并且還提高了鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度，使得低溫工作的零件沖擊韌性很低，脆性很大，這種現(xiàn)象通常稱為鋼的冷脆。S、P在鋼中是有害元素，在普通質(zhì)量非合金鋼中，其含量被限制在0.045以下。如果要求更好的質(zhì)量，則含量限制更嚴(yán)格。在一定條件下S、P也被用于提高鋼的切削加工性能。炮彈鋼中加入較多的P，可使炮彈爆炸時產(chǎn)生更多彈片，使之有更大的殺傷力。P與Cu共存可以提高鋼的抗大氣腐蝕能力。N的影響 O在鋼中溶解度很小，O、幾乎全部以氧化物夾

31、雜形式存在，如 FeO、H、Al2O3、SiO2、MnO等，這些非金屬夾雜使鋼的力學(xué)性能降低，尤其是對鋼的塑性、韌性、疲勞強度等危害很大。H在鋼中含量盡管很少，但溶解于固態(tài)鋼中時，劇烈地降低鋼的塑、韌性，增大鋼的脆性，這種現(xiàn)象稱為氫脆。少量N存在于鋼中，會起強化作用。N的有害作用表現(xiàn)為造成低碳鋼的時效現(xiàn)象，即含N的低碳鋼自高溫快速冷卻或冷加工變形后，隨時間的延長，鋼的強度、硬度上升，塑、韌性下降，脆性增大，同時脆性轉(zhuǎn)變溫度也提高了，造成了許多焊接工程結(jié)構(gòu)和容器突然斷裂事故。3.6.2 非合金鋼（碳鋼）的分類根據(jù)GB/T 13304-91第一部分：鋼按化學(xué)成分分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼。其中

32、非合金鋼即為原國標(biāo)中的碳鋼。下面將原碳鋼分類方法及新國標(biāo)非合金鋼的分類分列如下：3.6.2.1 碳鋼分類方法碳鋼主要有下列幾種分類方法：ìï低碳鋼-C£0.25%按鋼的碳含量分í中碳鋼-0.25%<C£0.6%ïî高碳鋼-C>0.6%P£0.045%ìï普通碳素鋼-S£0.055%;P£0.040%按鋼的質(zhì)量分í優(yōu)質(zhì)碳素鋼-S£0.040%;ïP£0.035%î高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼-S£0.030%;ì

33、;ï碳素結(jié)構(gòu)鋼-用于制造各種工程構(gòu)件（如橋梁、船舶、按用途分í建筑構(gòu)件等）和機器零件（如齒輪、軸、連桿等）ïî碳素工具鋼-用于制造各種工具（如刃具、量具、模具等）ì平爐鋼（用平爐冶煉）ïìïï堿性轉(zhuǎn)爐鋼-冶煉時造堿性渣按鋼的冶煉方法分í轉(zhuǎn)爐鋼（用轉(zhuǎn)爐冶煉）í酸性轉(zhuǎn)爐鋼-冶煉時造酸性渣ïïî頂吹轉(zhuǎn)爐鋼-冶煉時吹氧ïî電爐鋼3.6.2.2 非合金鋼的分類方法非合金鋼主要按主要質(zhì)量等級和主要性能或使用特性分類。按主要質(zhì)量等級分為：普通質(zhì)量非合

34、金鋼 普通質(zhì)量非合金鋼是指不規(guī)定生產(chǎn)過程中需要特別控制質(zhì)量要求的并應(yīng)同時滿足四種條件的所有鋼種（條件見GB/T 13304-91）。46普通質(zhì)量非合金鋼主要包括：一般用途碳素結(jié)構(gòu)鋼（如 GB 700規(guī)定的A、B級鋼）、碳素鋼筋鋼（如 GB 13031規(guī)定的Q235鋼）、鐵道用一般碳素鋼（如 GB 11264、GB 11265、GB 2826規(guī)定的輕軌和墊板用碳素鋼）及一般鋼板樁型鋼。優(yōu)質(zhì)非合金鋼 優(yōu)質(zhì)非合金鋼是指除普通質(zhì)量非合金鋼和特殊質(zhì)量非合金鋼以外的非合金鋼，在生產(chǎn)過程中需要特別控制質(zhì)量（例如控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面質(zhì)量或增加工藝控制等），以達到比普通質(zhì)量非合金鋼特殊的質(zhì)量要求（例如良好的抗脆斷性能，良好的冷成型性等），但這