更新时间:2024-04-02 16:01
铁碳合金,是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁,就是一种工业铁碳合金材料。钢铁材料适用范围广阔的原因,首先在于可用的成分跨度大,从近于无碳的工业纯铁到含碳4%左右的铸铁,在此范围内合金的相结构和微观组织都发生很大的变化;另外,还在于可采用各种热加工工艺,尤其金属热处理技术,大幅度地改变某一成分合金的组织和性能。
铁碳合金中合金相的形成,与纯铁的晶体结构及碳在合金中的存在形式有关。纯铁有三种同素异构状态:912℃以下为体心立方晶体结构,称α-Fe;912~1394℃为面心立方晶体结构,称γ-Fe;1394℃以上,又呈体心立方结构,称δ-Fe。在液态,在低于7%碳范围,碳和铁可完全互溶;在固态,碳在铁中的溶解是有限的,并且溶解度取决于铁(溶剂)的晶体结构。与铁的三种同素异构物相对应,碳在铁中形成的固溶体有三种:α固溶体(铁素体)、γ固溶体(奥氏体)和δ固溶体(δ铁素体)。这些固溶体中,铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致,碳原子的尺寸远比铁原子为小,在固溶体中它处于点阵的间隙位置,造成点阵畸变。碳在γ-Fe中的溶解度最大,但不超过2.11%;碳在α-Fe中的溶解度不超过0.0218%;而在δ-Fe中不超过0.09%。当铁碳合金的碳含量超过在铁中的溶解度时,多余的碳可以以铁的碳化物形式或以单质状态(石墨)存在于合金中,可形成一系列碳化物,其中Fe3C(渗碳体,6.69%C)是亚稳相,它是具有复杂结构的间隙化合物。石墨是铁碳合金的稳定平衡相,具有简单六方结构。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相,但该过程在室温下是极其缓慢的。
综述
碳素钢有各种分类方法,如按化学成分(即以含碳量)可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。按用途则又可分为碳素结构钢、碳素工具钢。此外,还可以按冶炼方法和所保证的性能要求等来进行分类。
普通碳素结构钢又称普通碳素钢,对含碳量、性能范围以及磷、硫和其它残余元素含量的限制较宽。在中国和某些国家根据交货的保证条件又分为三类:甲类钢(A类钢)是保证力学性能的钢。乙类钢(B类钢)是保证化学成分的钢。特类钢(C类钢)是既保证力学性能又保证化学成分的钢,常用于制造较重要的结构件。中国生产和使用最多的是含碳量在0.20%左右的A3钢(甲类3号钢),主要用于工程结构。
有的碳素结构钢还添加微量的铝或铌(或其它碳化物形成元素)形成氮化物或碳化物微粒,以限制晶粒长大,使钢强化,节约钢材。在中国和某些国家,为适应专业用钢的特殊要求,对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整,从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢(如桥梁、建筑、钢筋、压力容器用钢等)。
按含碳量分类
1)小于0.25%C为低碳钢,其中尤以含碳低于0.10%的08F,08Al等,由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车、制罐等,20G则是制造普通锅炉的主要材料,此外,低碳钢也广泛地作为渗碳钢,用于机械制造业。
2)0.25~0.60%C为中碳钢,多在调质状态下使用,制作机械制造工业的零件。
3)大于0.6%C为高碳钢,多用于制造弹簧、齿轮、轧辊等,根据含锰量的不同,又可分为普通含锰量(0.25~0.8%)和较高含锰量(0.7~1.0%和0.9~1.2%)两钢组。锰能改善钢的淬透性,强化铁素体,提高钢的屈服强度、抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”,如15Mn、20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。
碳素工具钢含碳量在0.65~1.35%之间,经热处理后可得到高硬度和高耐磨性,主要用于制造各种工具、刃具、模具和量具(见工具钢)。
含碳量在2.11%时,作为铸铁和碳钢的黄金分割点。碳含量在2.11%之前为碳钢。碳含量在2.11%之后为铸铁。而碳含量在0.0218%至0.77%之间称为亚共析钢,0.77%至2.11%之间称为过共析钢。含碳量为0.77%为共析钢。碳含量在2.11%至4.3%,称为亚共晶白口铸铁,碳含量在4.3%至6.69%之间称为过共晶白口铸铁。碳含量在4.3%为共晶白口铸铁。
按铸铁中存在形式分类
根据碳在铸铁中存在的形式不同铸铁可分为:白口铸铁(绝大部分碳以渗碳体形式存在于铸铁中)、灰口铸铁(绝大部分碳以片状石墨形式存在)、可锻铸铁(由白口铸铁经石墨化退火制成,其中碳以团絮状石墨形式存在)和球墨铸铁(在浇注前经球化处理,碳以球状或团状石墨存在。
碳素钢是指通常含碳量小于1.35%的铁碳合金,其中还含有限量以内的硅、锰和磷、硫等杂质及其它微量的残余元素。碳素钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料,世界各工业国家,在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时,也非常注意改进碳素钢质量,扩大品种和使用范围。特别是20世纪50年代以来,氧气转炉炼钢、炉外喷吹、连续铸钢和连续轧制等新技术被普遍采用,进一步改善了碳素钢的质量,扩大了使用范围。碳素钢的产量在各国钢总产量中的比重,约保持在80%左右,它不仅广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业,而且在近代的石油化学工业、海洋开发等方面,也得到大量使用。
碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下,随含碳量的增加,钢的强度和硬度升高,而塑性和冲击韧性下降。焊接性和冷弯性变差。所以工程结构用钢,常限制含碳量。
碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等,对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强,有时互相抵销。例如:硫、氧、氮都能增加钢的热脆性,而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性,增加冷脆性。除硫和氧降低强度外,其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。
氢在钢中能造成很多严重缺陷,如产生白点、点状偏析、氢脆、表面鼓泡和焊缝热影响区内的裂缝等。为保证钢的质量,必须尽可能降低钢中氢的含量。脱氧带入的残余元素如铝,可减小低碳钢的时效倾向,还可以细化晶粒,提高钢在低温下的韧性,但余量不宜过多。由炉料中带入的残余元素如镍、铬、钼、铜等,含量高时可提高钢的淬透性,但对要求具有高塑性的专用钢,如深冲用钢板,则是不利的。
冶炼、加工对碳素钢性能的影响碳素钢大都采用氧气转炉和平炉冶炼,优质碳素钢也采用电弧炉生产。根据炼钢过程脱氧程度的不同,碳素钢可分为镇静钢、沸腾钢和介于两者之间的半镇静钢。冶炼方法对钢的性能影响,主要是通过钢的纯净度而起作用的。近年来人们通过真空处理、炉外精炼和喷吹技术等,都可获得更高纯净度的钢,从而显著改善了碳素钢的品质。
碳素钢的塑性加工工艺通常分热加工和冷加工。经过热加工,钢锭中的小气泡、疏松等缺陷被焊合起来,使钢的组织致密。同时,热加工可破坏铸态组织、细化晶粒。使锻轧的钢材比铸态具有更好的力学性能。经冷加工的钢,随着冷塑性变形程度增大,强度和硬度增加,塑性和韧性降低。为提高成材率,广泛应用连续铸钢工艺。
低碳钢的时效通常有淬火时效和应变时效两种,都是由间隙元素作用引起的,主要是由于碳、氮、氧的重新分布所造成。
淬火时效即钢由高温快速冷却后性能随时间而变化的现象。钢中含碳量、脱氧程度和含氮量对淬火时效都有很大影响,低碳钢、脱氧不充分的沸腾钢和含氮量较高的钢发生淬火时效最显著,含碳约0.3%的中碳钢,由淬火时效所引起的性能变化已大为减弱,含碳约0.6%的高碳钢,实际上不起时效硬化作用。
应变时效经冷加工变形后的性能随时间而变化的现象。碳和氮对应变时效的影响,与对淬火时效的影响相似,磷也促进应变时效。低碳钢因冷变形而消失的屈服点,随时间的延长而逐渐恢复。应变时效比淬火时效更为复杂。如钢材经淬火后再进行冷加工,无论在室温或稍高温度下,均将加速其应变时效。
碳素钢的时效常给工业生产带来很大危害,例如沸腾钢焊接后,由于时效使焊接接头热影响区出现细小裂纹,严重影响焊接结构的安全性。但由于近代冶金技术的发展,和在工业生产中的应用,尤其是氧气转炉炼钢能获得更低的氮、氧含量,因此时效问题有所减轻。
铁碳合金的结晶过程分析
从图可以得出以下结论:
(1)当碳含量C=4.3%时,随温度的降低,铁碳合金的结晶过程为:L→Ld(1148℃)→ Ld'(727℃以下) ;
(2)当碳含量0.0218%~0.77%时,随着温度降低,铁碳合金结晶过程为:L→L+A→A→A +F→F + P;
(3)当碳含量0.77%~2.11%时,随着温度降低,铁碳合金结晶过程为:L→L+A→A→A+Fe3C→P+ Fe3C;
(4)当碳含量2.11%~4.3%时,随着温度降低,铁碳合金结晶过程为:L→L + A→A + Fe3C +Ld→P + Fe3C + Ld;
(5)当碳含量C=0.77%时,随着温度降低,铁碳合金结晶过程为:L→L + A→A →P;
(6)当碳含量4.3%~6.69%时,随着温度降低,铁碳合金结晶过程为:L→L+Fe3C →L+Ld→L+Ld' 。
铁碳合金相图的应用
毛坯成型方法有:铸造、焊接、锻压。其中锻压是这三种毛坯成型中综合力学性能最好的一种。锻压工艺是将坯料加热至奥氏体区域,使其有良好的塑性和低的抗变形性能,在施加外力的情况下改变其尺寸、结构、力学性能的加工方法。在这里可以知道,锻压是碳钢在完全奥氏体化的情况下,其塑性好,有较低的抗变形能力。因此,要使其完全奥氏体化,其温度控制合理,才能够达到要求。从图看线1、线3,分别代表的是亚共析钢、过共析钢组织随温度变化其性能会改变的情况。当亚共析钢加热到727℃时,P开始向A转变。当继续加热至GS的交点a时,F完全转变成A了。此时,塑性变形能力较好,抗变形能力小。温度继续上升,其塑性变形会有提高,但是温度过高,施加压力过程中,会使坯料表面产生加工硬化,同时会伴随有脱碳现象。因此,一般将始锻温度控制在固相线以下200℃左右。终端温度控制在PSK线以上60℃左右。合理控制好锻压温度,既可以保证坯料有良好的锻压性能,能够满足预期形状、尺寸精度要求。同时,可以避免加工硬化带来的内应力裂纹、脱碳现象。铁碳合金由含碳量不同被分为碳钢、铸铁两大类材料,铸铁的铸造性能好,强度硬度高属脆性材料。碳钢铸造性能一般,但综合力学性能较铸铁好。因此,对于结构复杂又承受静载荷零件选择铸铁。对于形状复杂而又要求有一定力学性能承受一定量动载荷的零件,可以考虑用碳钢,或者合金钢。