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铁碳合金 编辑
同义词 钢铁（铁碳合金）一般指铁碳合金
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铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用较多的一类——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。
中文名 铁碳合金 外文名 iron carbon alloy 定    义 以铁和碳为组元的二元合金 采用技术 金属热处理技术 材    料 碳钢和铸铁 应用领域 工业
目录
1 分子构成
2 碳钢分类
3 使用
4 化学成分影响
5 碳素钢的时效
6 铁碳合金相图
分子构成编辑
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（8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中的溶解度较大，但不**过2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不**过0.0218%；而在δ6-Fe中不**过0.09%。当铁碳合金的碳含量**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较其缓慢的。 [1] 
碳钢分类编辑
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。中国生产和使用较多的是含碳量在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）。 [2] 
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。 [2] 
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。
使用编辑
碳素钢是指通常含碳量小于1.35%的铁碳合金﹐其中还含有**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较早﹑用量较大的基本材料﹐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。 [1] 
化学成分影响编辑
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**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﹐从而显着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。 [1] 
碳素钢的时效编辑
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较显着﹐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。 [1] 
铁碳合金相图编辑
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' 。 [2] 
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较好的一种。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。