2 铁碳合金

2.1铁碳相图

A1：PSK

A3：GS

Am：SE

2.1.1基本相

2.1.1.1铁素体

碳溶于а-Fe中形成的间隙固溶体成为铁素体，用符号F表示。碳在а-Fe中溶解度较小，在727℃时***大可以达到0.0218%，在室温时仅约0.0008%。由于铁素体的含碳量很低，所以铁素体的组织及性能与纯铁极为相似，极具有较好的塑性和韧性，强度和硬度极低。

2.1. 1.2奥氏体

碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体成为奥氏体，常用符号A表示。奥氏体的容碳量较高，在1148℃达到***高，可以达到2.11%；在727℃为0.77%。奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于压力加工。（热轧过程中，处于奥氏体）

2.1. 1.3渗碳体

铁与碳形成的化合物Fe3C成为渗碳体。渗碳体的含碳量大约为6.69%。渗碳体的硬度很高，而塑性、韧性几乎等于零，是一个硬而脆的相。

2.1.2铁碳相图的应用

2.1.2.1***为合理选择材料的依据

通过对铁碳相图的分析，可以了解合金组织和性能随成分变化的规律，这样就能根据零件的工作条件和性能要求来选择材料。如需要塑性、韧性高的材料应选用含碳量低（0.10-0.25%）的钢；需要强度、塑性和韧性都较好的材料可以选用含碳量中等（0.25-0.6%）的亚共析钢；需要耐磨性好、硬度高的材料，应选含碳量高的（0.60-1.40%）的钢。

2.1.2.2作为制定热加工工艺的依据。

1、热轧方面。钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难，只有将其加热到单项奥氏体状态，才具有较好的强度和较好的塑性，因而一般始轧温度在固相线以下100-200摄氏度，而终轧温度，对于亚共析钢要稍高于A3，过共析钢要稍高于A1。

2、退火工艺

2.2常见元素对钢的性能的影响

2.2.1碳

随着碳含量的增加，钢的硬度直线上升，塑性和韧性降低。对于强度极限（抗拉强度），在亚共析钢范围内，随着含碳量的增加，由于珠光体量增加，强度不断上升，超过共析成分后，组织上开始出现二次渗碳体；含碳量低于0.9%，二次渗碳体量少，形不成网状，所以强度继续上升：而含碳量大于0.9%，二次渗碳体网状趋于完整，故强度显著降低。

2.2.2硫

硫在铁中溶解度极小，而与铁形成化合物FeS（熔点1190℃）。FeS与Fe能形成低熔点的共晶体（熔点985℃），分布于晶界上。在热压力加工时，由于FeS与Fe的共晶体容易熔化，而导致开裂，这种现象叫做热脆。

为了消除硫的有害作用，应使钢中含有一定量的锰，因为锰和硫的亲和力较铁与硫的亲和力大，锰可以优先与硫形成高熔点（1620）MnS，而有效防止热裂。硫的含量一般限制在0.055%以下。

2.2.3磷

钢中的磷含量即使只有千分之几，也会因析出脆性化合物Fe3P，而使钢的脆性增加，特别在低温时更为显著。合金在温度下降时韧性剧烈下降的现象称为冷脆。

磷不但造成冷脆，还降低钢材的可焊性，含量过高时焊缝易产生裂纹，因此，将磷也看做钢中有害杂质，其在钢中的含量一般控制在0.045%以下。但磷能够提高钢材的抗蚀性能。

2.2.4锰

锰具有一定的脱氧能力，能够消除钢中的氧化特，显著改善钢的质量；能够与S形成化合物MnS，减少硫的有害作用；还能溶于铁素体形成置换固溶体，使钢强化；锰还能增加珠光体相对量，使组织细化；但是，锰作为少量杂质存在时对碳钢力学性能影响并不显著，因此锰是有益元素。

2.2.5硅

硅的作用与锰相似。其脱氧能力比锰还强。但提高钢的强度、硬度和弹性，降低钢的塑性和韧性。硅作为杂质在钢中一般小于0.5%

2.2.6氢

氢在钢中是有害元素，变现在两个方面：

1）、氢溶于钢中使钢的塑性和韧性降低，引起所谓的氢脆。氢脆既不在很低的温度发生，也不在高温出现，氢脆现象只在-100-100℃这样一个特定的温度范围内产生。

2）、氢对热加工时钢的塑性没有明显的影响，因为加热到1000℃左右，氢就部分地从钢中析出。但对于含氢量较多的钢种，热加工后又较快冷却，会使从固溶体析出的氢原子来不及向钢表面扩散，而集中在晶界和显微空隙处形成氢分子并产生相当大的应力，在组织应力、温度应力和氢析出所造成的内应力共同作用下会在钢中出现微细裂纹，及白点。该现象在合金钢中尤为严重。

2.2.7氮

591℃时，氮在铁素体中的溶解度***大，约为0.1%，但在室温时则降低至0.001%以下。若将含氮量较高的钢自高温较快冷却时，使铁素体中的氮过饱和，并在室温或稍高温度下，氮将逐渐以Fe4N的形式析出，造成钢的强度、硬度提高，塑性、韧性大大降低，使钢变脆，这种现象称为时效脆性。解决办法向钢中加足够数量的铝，使之除与氧结合外，在热轧后的缓冷过程中（700-800℃）与氮结合形成AlN，这样可以减弱或者消除室温时发生的时效现象。

此外，利用弥散的ALN可以阻止钢在加热时，奥氏体经历的长大，从而获得细晶粒的钢。

2.2.8其它

Cr 

1、在低合金范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性 

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 

3、提高钢的耐热性 

4、在高合金范围内，使钢具有对强氧化性酸类等腐蚀介质的耐腐蚀能力 

Mo 

1、 强化铁素体，提高钢的强度和硬度 

2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 

3、 提高钢的耐热性和高温强度 

Ni 

1、 提高钢的强度，而不降低其塑性，改善钢的低温韧性 

2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 

3、 扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素 

4、 本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力 

Al 

1、 炼钢中起良好的脱氧作用 

2、 细化钢的晶粒，提高钢的强度 

3、提高钢的抗氧化性能，提高不锈钢对强氧化性酸类的耐蚀能力