碳含量与力学性能之间的关系

二、碳含量与力学性能之间的关系

在铁碳合金中，铁素体是软韧相，渗碳体则是一个硬脆相。珠光体内的渗碳体以片状形态与铁素体组成层片状混合物时，由于渗碳体的强化作用，使珠光体具有较高的强度和硬度，但塑性和韧性变差。珠光体的层片间距越小，其强度、硬度越高。在平衡结晶条件下，珠光体的力学性能大致为:抗拉强度σ_b=1000MPa;屈服强度σ_0．2=600MPa;伸长率δ=10%;断面收缩率ψ=12%～15%;硬度约为241HBW。

铁碳合金中钢(热轧空冷状态)的碳含量与力学性能之间的关系如图4-16所示。由图可知，在亚共析钢中，随着碳含量的增加，其组织中珠光体的量增多，铁素体的量减少，钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。当碳含量达到0．77%时，共析钢的组织为100%珠光体，所以珠光体的性能就是共析钢的性能。过共析钢的组织为P+Fe₃C_Ⅱ，随碳含量的增加，渗碳体的量增加，钢的强度、硬度升高。在碳含量接近1．0%时强度达到最大值。但此后钢的碳含量继续增加时，由于硬脆相二次渗碳体沿奥氏体晶界析出并形成连续网状，钢的硬度虽然仍继续升高，但强度却急剧下降。这是因为在用拉伸试验测定钢的强度时，晶界的二次渗碳体网会出现早期裂纹而使试样很快断裂，致使抗拉强度大幅下降。特别是当铁碳合金组织中出现以渗碳体为基体的低温莱氏体时，合金的塑性将降低至很小值，这就是白口铸铁脆性极大，工业上很少应用的原因。

图4-16　钢的碳含量与力学性能的关系

冲击功是一个对组织十分敏感的指标。钢的碳含量增加，硬脆相渗碳体增多，特别是组织中出现网状二次渗碳体时，其韧性急剧下降。总体来看，韧性比塑性下降的趋势还要大。

钢的硬度是一个对组织组成物或组成相的形态不太敏感的指标。硬度的高低主要取决于组成相的数量和组成相本身的硬度。因此，铁碳合金随着碳含量的增加，高硬度相渗碳体量增加，低硬度相铁素体量减少，铁碳合金的硬度呈直线升高。

为了保证工业用铁碳合金能具有适当的塑性和韧性，合金中渗碳体的数量就不宜过多，因此，常用碳钢中碳的质量分数一般都不超过1．3%～1．4%。