鐵碳合金相圖詳細(xì)講解

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第三章 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(wèn)題。鐵與碳可以形成一系列化合物：、等。的含碳量為6.69，鐵碳合金含碳量超過(guò)6.69，脆性很大，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，所以本章討論的鐵碳相圖，實(shí)際是-相圖。相圖的兩個(gè)組元是和。3.1 -系合金的組元與基本相3.l.l 組元純鐵 是過(guò)渡族元素，1個(gè)大氣壓下的熔點(diǎn)為1538，20時(shí)的密度為。純鐵在

2、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： -（體心）-（面心）-（體心）工業(yè)純鐵的力學(xué)性能大致如下：抗拉強(qiáng)度=180230，屈服強(qiáng)度100170，伸長(zhǎng)率3050，硬度為5080?？梢?jiàn)，純鐵強(qiáng)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。 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(hào)表示。具有很高的硬度但很脆，硬度約為9501050，抗拉強(qiáng)度=30，伸長(zhǎng)率。3.1.2 基本相-相圖中除了高溫時(shí)存在的液相，和化合物相外，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-的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號(hào)表示。鐵素體 碳

3、溶于-的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號(hào)或表示。中碳的固溶度極小，室溫時(shí)約為0.0008,600時(shí)約為0.0057,在727時(shí)溶碳量最大，約為0.0218，但也不大，在后續(xù)的計(jì)算中，如果無(wú)特殊要求可忽略不計(jì)。力學(xué)性能與工業(yè)純鐵相當(dāng)。奧氏體 碳溶于-的間隙固溶體，面心立方晶格，用符號(hào)或表示。奧氏體中碳的固溶度較大，在1148時(shí)最大達(dá)2.11。奧氏體強(qiáng)度較低，硬度不高，易于塑性變形。3.2 -相圖3.2.1 -相圖中各點(diǎn)的溫度、含碳量及含義-相圖及相圖中各點(diǎn)的溫度、含碳量等見(jiàn)圖3.1及表3.1所示。圖3.1及表3.1中代表符號(hào)屬通用，一般不隨意改變。 C, (重量) 圖3.1 -相圖表3.1相圖中

4、各點(diǎn)的溫度、含碳量及含義符號(hào)溫度（）含碳量%（質(zhì)量）含 義ABCDEFGHJKNPSQ153814951148122711481148912149514957271394727727600（室溫）00.534.306.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.0057(0.0008)純鐵的熔點(diǎn)包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分共晶點(diǎn)Fe3C的熔點(diǎn)碳在-Fe中的最大溶解度Fe3C的成分-Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)碳在-Fe中的最大溶解度包晶點(diǎn)Fe3C的成分-Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)碳在-Fe中的最大溶解度共析點(diǎn)600（或室溫）時(shí)碳在-Fe中的最大溶解度3.2.2 -相圖中重要的

5、點(diǎn)和線3.2.2.1 三個(gè)重要的特性點(diǎn)點(diǎn)為包晶點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到1495時(shí)。點(diǎn)成分的與點(diǎn)成分的 發(fā)生包晶反應(yīng)，生成點(diǎn)成分的。包晶反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中、三相共存，反應(yīng)式為： 或 。點(diǎn)為共晶點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到1148時(shí)。點(diǎn)成分的發(fā)生共晶反應(yīng)，生成點(diǎn)成分的和。共晶反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中、三相共存，反應(yīng)式為： 或 。共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是與的共晶混合物，稱萊氏體，用符號(hào)表示，所以共晶反應(yīng)式也可表達(dá)為： 。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（727時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w）分布在滲碳體基體上。點(diǎn)為共析點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到727時(shí)點(diǎn)成分的

6、發(fā)生共析反應(yīng)，生成點(diǎn)成分的和。共析反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中、三相共存，反應(yīng)式為： 或 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(hào)表示，因而共析反應(yīng)可簡(jiǎn)單表示為：中的滲碳體稱為共析滲碳體。在顯微鏡下的形態(tài)呈層片狀。在放大倍數(shù)很高時(shí)，可清楚看到相間分布的滲碳體片（窄條）與鐵素體片（寬條）。的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間，其機(jī)械性能如下：抗拉強(qiáng)度（） 770 延伸率（） 2035沖擊韌性（） 3040 硬度（） 1803.2.2.2 相圖中的特性線相圖中的為液相線；為固相線。水平線為包晶反應(yīng)線。碳含量0.090.53的鐵碳含金在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。

7、水平線為共晶反應(yīng)線。碳含量在2.116.69之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。水平線為共析反應(yīng)線。碳含量0.02186.69之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共析反應(yīng)。線在熱處理中亦稱線。線是合金冷卻時(shí)自中開(kāi)始析出的臨界溫度線，通常稱線。線是碳在中的固溶線，通常稱線。由于在1148時(shí)中溶碳量最大可達(dá)2.11，而在727時(shí)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(guò)程中，將從中析出。析出的滲碳體稱為二次滲碳體（）。線亦是從中開(kāi)始析出的臨界溫度線。線是碳在中的固溶線。在727時(shí)中溶碳量最大可達(dá)0.0218，室溫時(shí)僅為0.0008，因此碳含量大于0.000

8、8的鐵碳合金自727冷至室溫的過(guò)程中，將從中析出。析出的滲碳體稱為三次滲碳體（）。線亦為從中開(kāi)始析出的臨界溫度線。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(guò)程時(shí)，均忽略這一析出過(guò)程。3.3 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程根據(jù)-相圖，鐵碳含金可分為三類： 下面分別對(duì)以上七種典型鐵碳含金的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)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（如圖3.2）和平衡結(jié)晶過(guò)程如下。合金在1點(diǎn)以上為液相。冷卻至稍低于1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從中結(jié)晶出，至2點(diǎn)合金全部結(jié)晶為。從3點(diǎn)起，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?，?點(diǎn)全部轉(zhuǎn)變完了。4-5點(diǎn)間冷卻不變。自5點(diǎn)始，從中析出。在晶界處生核并長(zhǎng)大，至6點(diǎn)時(shí)全部轉(zhuǎn)變

9、為。在6-7點(diǎn)間冷卻不變。在7-8點(diǎn)間，從晶界析出。因此合金的室溫平衡組織為+。呈白色塊狀；量極少，呈小白片狀分布于晶界處。若忽略，則組織全為。圖3.2工業(yè)純鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖3.3.2 共析鋼其冷卻曲線和平衡結(jié)晶過(guò)程如圖3.3所示。合金冷卻時(shí)，于1點(diǎn)起從中結(jié)晶出，至2點(diǎn)全部結(jié)晶完了。在2-3點(diǎn)間冷卻不變。至3點(diǎn)時(shí)，發(fā)生共析反應(yīng)生成。從3繼續(xù)冷卻至4點(diǎn)，皆不發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此共析鋼的室溫平衡組織全部為，呈層片狀。共析鋼的室溫組織組成物也全部是，而組成相為和，它們的相對(duì)質(zhì)量為：;圖3.3 共析鋼結(jié)晶過(guò)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(guò)程如圖3.4所示。合金冷

10、卻時(shí)，從1點(diǎn)起自中結(jié)晶出，至2點(diǎn)時(shí)，成分變?yōu)?.53，變?yōu)?.09，發(fā)生包晶反應(yīng)生成，反應(yīng)結(jié)束后尚有多余的。2點(diǎn)以下，自中不斷結(jié)晶出，至3點(diǎn)合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)?。?-4點(diǎn)間冷卻不變。從4點(diǎn)起，冷卻時(shí)由中析出，在晶界處優(yōu)先生核并長(zhǎng)大，而和的成分分別沿和線變化。至5點(diǎn)時(shí)，的成分變?yōu)?.77，的成分變?yōu)?.0218。此時(shí)發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)?，不變化。?繼續(xù)冷卻至6點(diǎn)，合金組織不發(fā)生變化，因此室溫平衡組織為+。呈白色塊狀；呈層片狀，放大倍數(shù)不高時(shí)呈黑色塊狀。碳含量大于0.6的亞共析鋼，室溫平衡組織中的常呈白色網(wǎng)狀，包圍在周圍。圖3.4 亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖含0.4的亞共析鋼的組織組成物（和）的相對(duì)質(zhì)量

11、為：；組成相（和）的相對(duì)質(zhì)量為：由于室溫下的含碳量極微，若將中的含碳量忽略不計(jì)，則鋼中的含碳量全部在中，所以亞共析鋼的含碳量可由其室溫平衡組織來(lái)估算。即根據(jù)的含量可求出鋼的含碳量為：。由于和的密度相近，鋼中和的含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）可以近似用對(duì)應(yīng)的面積百分?jǐn)?shù)來(lái)估算。圖3.5 過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖3.3.4 過(guò)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(guò)程如圖3.5所示。合金冷卻時(shí)，從1點(diǎn)起自中結(jié)晶出，至2點(diǎn)全部結(jié)晶完了。在2-3點(diǎn)間冷卻不變，從3點(diǎn)起，由中析出，呈網(wǎng)狀分布在晶界上。至4點(diǎn)時(shí)的碳含量降為0.77，4-4發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?，?不變化。在4-5點(diǎn)間冷卻時(shí)組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變

12、。因此室溫平衡組織為+。在顯微鏡下，呈網(wǎng)狀分布在層片狀周圍。含1.2的過(guò)共析鋼的組成相為和；組織組成物為和，它們的相對(duì)質(zhì)量為：3.3.5 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵的冷卻曲線和平衡結(jié)晶過(guò)程如圖3.6所示。圖3.6 共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖合金在1點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)，由轉(zhuǎn)變?yōu)椋ǜ邷兀┤R氏體（+）。在1-2點(diǎn)間，中的不斷析出。與共晶無(wú)界線相連，在顯微鏡下無(wú)法分辨，但此時(shí)的萊氏體由+組成。由于的析出，至2點(diǎn)時(shí)的碳含量降為0.77，并發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椋桓邷厝R氏體轉(zhuǎn)變成低溫萊氏體(+)。從2至3點(diǎn)組織不變化。所以室溫平衡組織仍為，由黑色條狀或粒狀和白色基體組成（見(jiàn)圖3.12）。共晶白口鑄鐵的組織組成物全為

13、，而組成相還是和，它們的相對(duì)重量可用杠桿定律求出。3.3.6 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(guò)程示意圖合金自1點(diǎn)起，從中結(jié)晶出初生，至2點(diǎn)時(shí)的成分變?yōu)楹?.3（的成分變?yōu)楹?.11），發(fā)生共晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?，而不參與反應(yīng)。在2-3點(diǎn)間繼續(xù)冷卻時(shí)，初生不斷在其外圍或晶界上析出，同時(shí)中的也析出。至3點(diǎn)溫度時(shí)，所有的成分均變?yōu)?.77，初生發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?；高溫萊氏體也轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體。在3以下到4點(diǎn)，冷卻不引起轉(zhuǎn)變。因此室溫平衡組織為+。網(wǎng)狀分布在粗大塊狀的周圍，則由條狀或粒狀和基體組成。亞共晶白口鑄鐵的組成相為和。組

14、織組成物為、和。它們的相對(duì)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(diǎn)溫度時(shí)初生和的相對(duì)質(zhì)量：通過(guò)共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)?，并隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體，所以 = = = 41。再求3點(diǎn)溫度時(shí)（共析轉(zhuǎn)變前）由初生析出的及共析成分的的相對(duì)質(zhì)量：。由于發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?，所以的相?duì)質(zhì)量就是46。3.3.7 過(guò)共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)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（）而不是，而且因?yàn)闆](méi)有先析出，進(jìn)而其室溫組織中除中的以外再?zèng)]有，即室溫下組織為，組成相也同樣為和，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)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(jī)械性能的關(guān)系3.4.

15、1 按組織劃分的-相圖由-相圖，可知鐵碳合金室溫平衡組織都由和兩相組成，隨含碳量增高，含量下降，由100按直線關(guān)系變至0（含6.69時(shí)）；含量相應(yīng)增加，由0按直線關(guān)系變至100（含6.69時(shí)）。改變含碳量，不僅引起組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，而且產(chǎn)生不同結(jié)晶過(guò)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(jiàn)隨著含碳量增加，室溫組織變化如下：（+）+。組成相的相對(duì)含量及組織形態(tài)的變化，會(huì)對(duì)鐵碳合金性能產(chǎn)生很大影響。3.4.2 碳鋼的機(jī)械性能與碳含量的關(guān)系對(duì)圖3.8進(jìn)行分析，得知鐵碳合金的含碳量: 小于0.0218時(shí)組織全部為；等于0.77時(shí)全部為；等于4.3時(shí)全部為；等于

16、6.69時(shí)全部為；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(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算可得如圖3.9所示的含碳量與組織（、）的數(shù)量關(guān)系。 C,% 硬度（）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(duì)數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對(duì)較小。隨碳含量的增加，由于硬度高的增多，硬度低的減少，所以合金的硬度呈直線關(guān)系增大，由全部為的硬度約80增大到全部為時(shí)的約800。 強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)組織形態(tài)很敏感的性能。隨碳含量的增加，亞共析鋼中增多而減少。的強(qiáng)度比較高，其大小與細(xì)密程度有關(guān)。組織越細(xì)密，則強(qiáng)度值越高。的強(qiáng)度較低。所以亞共析鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增大而增大；但當(dāng)碳

17、含量超過(guò)共析成分之后，由于強(qiáng)度很低的沿晶界析出，合金強(qiáng)度的增高變慢；到約0.9時(shí)，沿晶界形成完整的網(wǎng)，強(qiáng)度迅速降低；隨著碳含量的增加，強(qiáng)度不斷下降，到2.11后，合金中出現(xiàn)時(shí)，強(qiáng)度已降到很低的值。再增加碳含量時(shí)，由于合金基體都為脆性很高的，強(qiáng)度變化不大且值很低，趨近于的強(qiáng)度（約2030）。 圖3.9 含碳量與組織的關(guān)系鐵碳含金中是極脆的相，沒(méi)有塑性，不能為合金的塑性作出貢獻(xiàn)，合金的塑性全部由提供，所以隨碳含量的增大，量不斷減少時(shí)，合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時(shí)，塑性就降到近于零值了。見(jiàn)圖3.10。對(duì)于應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料亞共析鋼，其硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下估算: 圖3.1

18、0 性能隨含碳量的變化硬度（）或（）；強(qiáng)度（）；延伸率（）。式中的數(shù)字相應(yīng)為、或的近似硬度、強(qiáng)度和延伸率；符號(hào)相應(yīng)表示組織中、或的含量。 3.5 -相圖的應(yīng)用和局限性3.5.1 -相圖的應(yīng)用-相圖在生產(chǎn)中具有重大的實(shí)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(gè)方面。3.5.1.1 在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用-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(jī)械零件需要強(qiáng)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(qiáng)度低，不宜用

19、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(jī)的磨球等。3.5.1.2 在鑄造工藝方面的應(yīng)用根據(jù)-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(dòng)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?yàn)檫@個(gè)范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄

20、造性能較好。3.5.1.3 在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用鋼處于馬氏體狀態(tài)時(shí)強(qiáng)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(jìn)行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100200范圍內(nèi)。溫度高時(shí)，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(guò)高，防止鋼材嚴(yán)重?zé)龘p或發(fā)生晶界熔化（過(guò)燒）。終鍛、終軋溫度不能過(guò)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線以上一點(diǎn)，避免變形時(shí)出現(xiàn)大量鐵素體，形成帶狀組織而使韌性降低。過(guò)共析鋼變形終止溫度應(yīng)控制在線以上一點(diǎn)，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

21、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-相圖對(duì)于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)-相圖確定的。這將在下一章中詳細(xì)闡述。3.5.2 -相圖的局限性 -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。-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(duì)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。-相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)。實(shí)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(shí)，相圖將發(fā)生重大變化。嚴(yán)格說(shuō)，

22、在這樣的條件下鐵碳相圖已不適用。-相圖反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(zhǎng)期保溫的情況下才能達(dá)到。就是說(shuō)，相圖沒(méi)有反映時(shí)間的作用。所以鋼鐵在實(shí)際的生產(chǎn)和加工過(guò)程中，當(dāng)冷卻和加熱速度較快時(shí)，常常不能用相圖來(lái)分析問(wèn)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(jià)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(hào)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、以及微量的氣體元素、等非特意加入的雜質(zhì)元素。和是煉鋼時(shí)作為脫氧

23、劑（錳鐵、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(shí)不能清除盡的有害雜質(zhì)。它們對(duì)鋼的性能有一定影響。3.6.1.1 錳和硅的影響 、加入鋼中，可將鋼液中的還原成，并形成和。還與鋼液中的形成而大大減輕的有害作用。這些反應(yīng)產(chǎn)物大部分進(jìn)入爐渣，小部分殘留鋼中成為非金屬夾雜。鋼中含量約為0.250.80。鋼中含量約為0.030.40。脫氧劑中的與總會(huì)有一部分溶于鋼液，凝固后溶于鐵素體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用。在含量不高1時(shí)，可以提高鋼的強(qiáng)度，而不降低鋼的塑性和韌性，一般認(rèn)為、是鋼中有益元素。3.6.1.2 其它雜質(zhì)的影響的影響 在固態(tài)鐵中幾乎不溶解，它與鐵形成熔點(diǎn)為1190的，又

24、與-形成熔點(diǎn)更低的（985）共晶體。即使鋼中含量不高，由于嚴(yán)重偏析，凝固快完成時(shí)，鋼中的幾乎全部殘留在枝晶間的鋼液中，最后形成低熔點(diǎn)的（+）共晶。含有硫化物共晶的鋼材進(jìn)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(huì)沿晶界開(kāi)裂。這種現(xiàn)象稱為鋼的熱脆。如果鋼水脫氧不良，含有較多的，還會(huì)形成（+）三相共晶體，熔點(diǎn)更低（940），危害性更大。對(duì)于鑄鋼件，含硫過(guò)高，易使鑄件發(fā)生熱裂；也使焊件的焊縫處易發(fā)生熱裂。的影響 在鐵中固溶度較大，鋼中的一般都固溶于鐵中。溶人鐵素體后，有較之其他元素更強(qiáng)的固溶強(qiáng)化能力，尤其是較高的含量，使鋼顯著提高強(qiáng)度

25、、硬度的同時(shí)，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。、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、也被用于提高鋼的切削加工性能。炮彈鋼中加入較多的，可使炮彈爆炸時(shí)產(chǎn)生更多彈片，使之有更大的殺傷力。與共存可以提高鋼的抗大氣腐蝕能力。、的影響 在鋼中溶解度很小，幾乎全部以氧化物夾雜形式存在，如 、等，這些非金屬夾雜使鋼的力學(xué)性能降低，尤其是對(duì)鋼的塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等危害很大。在鋼中含量盡管很少，但溶解于固態(tài)鋼中時(shí)，劇烈地降低鋼的塑、韌性

26、，增大鋼的脆性，這種現(xiàn)象稱為氫脆。少量存在于鋼中，會(huì)起強(qiáng)化作用。的有害作用表現(xiàn)為造成低碳鋼的時(shí)效現(xiàn)象，即含的低碳鋼自高溫快速冷卻或冷加工變形后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼的強(qiáng)度、硬度上升，塑、韌性下降，脆性增大，同時(shí)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。其中非合金鋼即為原國(guó)標(biāo)中的碳鋼。下面將原碳鋼分類方法及新國(guó)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：按鋼的碳含量分按鋼的質(zhì)量分按用途分按鋼的冶煉方法分3.6.2.2 非合

27、金鋼的分類方法非合金鋼主要按主要質(zhì)量等級(jí)和主要性能或使用特性分類。按主要質(zhì)量等級(jí)分為：普通質(zhì)量非合金鋼 普通質(zhì)量非合金鋼是指不規(guī)定生產(chǎn)過(guò)程中需要特別控制質(zhì)量要求的并應(yīng)同時(shí)滿足四種條件的所有鋼種（條件見(jiàn)GB/T 13304-91）。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、級(jí)鋼）、碳素鋼筋鋼（如 GB 13031規(guī)定的235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(guò)程中需要特別控制質(zhì)量（例如控制晶粒度

28、，降低硫、磷含量，改善表面質(zhì)量或增加工藝控制等），以達(dá)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），但這種鋼的生產(chǎn)控制不如特殊質(zhì)量非合金鋼嚴(yán)格（如不控制淬透性）。優(yōu)質(zhì)非合金鋼（見(jiàn)GB/T 13304-91）主要包括：機(jī)械結(jié)構(gòu)用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、工程結(jié)構(gòu)用碳素鋼、沖壓薄板的低碳結(jié)構(gòu)鋼、鍍層板、帶用的碳素鋼、鍋爐和壓力容器用碳素鋼、造船用碳素鋼、鐵道用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、焊條用碳素鋼、非合金易切削結(jié)構(gòu)鋼、電工用非合金鋼板、帶及優(yōu)質(zhì)鑄造碳素鋼等。特殊質(zhì)量非合金鋼 特殊質(zhì)量非合金鋼是指在生產(chǎn)過(guò)程中需要特別嚴(yán)格控制質(zhì)量和性能（例如，控制淬透性和純潔度）的非合金鋼，另外應(yīng)符合GB/T 1

29、3304-91規(guī)定的條件的非合金鋼（包括易切削鋼和工具鋼）。特殊質(zhì)量非合金鋼主要包括：保證淬透性非合金鋼、保證厚度方向性能非合金鋼、鐵道用特殊非合金鋼、航空、兵器等專用非合金結(jié)構(gòu)鋼、核能用非合金鋼、特殊焊條用非合金鋼、碳素彈簧鋼、特殊盤(pán)條鋼及鋼絲、特殊易切削鋼、碳素工具鋼和中空鋼、電磁純鐵、原料純鐵等。按主要性能及使用特性分類非合金鋼按其基本性能及使用特性等主要特性分類如下：以規(guī)定最高強(qiáng)度（或硬度）為主要特性的非合金鋼，例如冷成型用薄鋼板。以規(guī)定最低強(qiáng)度為主要特性的非合金鋼，例如造船、壓力容器、管道等用的結(jié)構(gòu)鋼。以限制碳含量為主要特性的非合金鋼（但下述、項(xiàng)包括的鋼除外），例如線材、調(diào)質(zhì)用鋼等。

30、非合金易切削鋼。非合金工具鋼。具有專門(mén)規(guī)定磁性或電性能的非合金鋼，例如無(wú)硅磁性薄板和帶，電磁純鐵。其他非合金鋼，例如原料純鐵等。3.6.3 碳鋼的牌號(hào)及用途下面按用途及質(zhì)量介紹碳鋼的牌號(hào)及用途。3.6.3.1 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼簡(jiǎn)稱普碳鋼。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 700將其分為甲類鋼、乙類鋼和特類鋼三類。其中以甲類鋼為最常用。甲類鋼（或類鋼） 按機(jī)械性能供應(yīng)。鋼號(hào)為1、27等七種。數(shù)字越大，則屈服強(qiáng)度（）和抗拉強(qiáng)度（）越大，延伸率（）越小。甲類鋼的機(jī)械性能及冷彎試驗(yàn)要求見(jiàn)GB 700。甲類鋼的用途：1，2，3鋼塑性好，有一定的強(qiáng)度，通常軋制成鋼板、鋼筋、鋼管等，可用于橋梁、建筑物等構(gòu)件，也可用

31、作普通螺釘、螺帽、鉚釘?shù)取?，5強(qiáng)度較高，軋制成型鋼、鋼板作構(gòu)件用。6，7強(qiáng)度更高，可用作工具、農(nóng)機(jī)零件、輕軌等。甲類鋼一般情況下在熱軋狀態(tài)使用，不再進(jìn)行熱處理。但對(duì)某些零件，也可進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)、滲碳等處理，以提高其使用性能。乙類鋼（或類鋼） 按化學(xué)成分供應(yīng)。鋼號(hào)為1，27等七種，數(shù)字越大，碳含量越高，見(jiàn)GB 700。 乙類鋼的用途與相同號(hào)數(shù)的甲類鋼相同。由于其化學(xué)成分已知，可進(jìn)行熱加工，并可通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚硖岣咂湫阅?。特類鋼（或類鋼?按機(jī)械性能及化學(xué)成分供應(yīng)。鋼號(hào)為2、3，4，5等四種。特類鋼使用較少，在性能要求較高的場(chǎng)合，通常選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的編號(hào)中，常常標(biāo)明鋼種的冶煉方法

32、。例如堿性轉(zhuǎn)爐鋼標(biāo)“堿”或“”，酸性轉(zhuǎn)爐鋼標(biāo)“酸”或“”，頂吹轉(zhuǎn)爐鋼標(biāo)“頂”或“”，平爐鋼則不標(biāo)。例如：甲4（4）表示平爐甲類4號(hào)普碳鋼；乙堿3（3）表示堿性轉(zhuǎn)爐乙類3號(hào)普碳鋼；特酸3（3）表示酸性轉(zhuǎn)爐特類3號(hào)普碳鋼。鋼在冶煉時(shí)根據(jù)其脫氧程度不同，可分為沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼。脫氧不完全的鋼稱沸騰鋼，在鋼號(hào)后標(biāo)注“”；脫氧較完全的鋼稱鎮(zhèn)靜鋼，鋼號(hào)后不加標(biāo)注。例如4為沸騰鋼。3.6.3.2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)用平均碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)表示。例如鋼號(hào)“20”，即表示碳含量為0.20（萬(wàn)分之二十）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼?！?5”表示碳含量為0.45的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。若鋼中錳含量較高，則在其鋼號(hào)后附以符號(hào)“”，如15、45等。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用來(lái)制造各種機(jī)器零件。08塑性好，可制造冷沖壓零件。10，20冷沖壓性與焊接性能良好，可作沖壓件及焊接件，