铁碳合金的组织结构和性能

二、铁碳合金的组织结构和性能

“合金”是指熔合两种或两种以上化学元素（其中至少一种是金属元素）所组成的具有金属特性的物质。由铁和碳组成的合金叫“铁碳合金”。铁碳合金中随着碳含量增加，其硬度逐渐增加，如表6－1所示，这是由于合金和纯铁在组合上有很大不同的缘故。

表6－1　铁碳合金中钢硬度随碳含量而变化

在常温下，铁碳合金由以下三种基本晶体组织组成：

图6－5　单晶体与多晶体结构示意图

图6－6　固溶强化示意图

1）固溶体：固体状态下的铁（α－Fe）中溶有部分其他原子的结晶形态叫做固溶体。其结构和α－Fe的晶体结构相同，也是体心立方体。如图6－6，碳原子可以在铁的晶格的空间内（间隙固溶），也可以置换一个铁原子（置换固溶）。

合金元素也可以同样方式溶入铁素体晶格。固溶后由于原子直径的差异，引起铁的晶格歪扭，而使合金的强度和硬度升高，但塑性和韧性有所降低，这称为固溶强化，常温下α－Fe中固溶的碳只有0．006％，叫做铁素体（α）。

2）化合物：由碳和铁两种元素的原子按一定比例结合而成的一种新的金属化合物，含碳达6．67％，可用化学式Fe₃C来表示，其晶格与铁及碳原来的晶格不同，性质也各异。

3）珠光体：铁素体和渗碳体组成的层状机械混合物叫做珠光体（P），含碳0．8％。

三种基本组织的机械性能如表6－2所示。

表6－2　铁碳合金（室温时）基本组织结构机械性能

实际使用的碳钢中，除含碳元素外，还含有硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、钒（V）等元素。

（1）硅（Si）　能提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性。硅与锰配合使用性能较好，一些优质钢都是加入了以硅、锰为主的合金钢。

（2）锰（Mn）　能提高钢材的强度、硬度及耐磨性，能消除硫和氧所引起的热脆性，使钢材的热加工性能改善。

在低合金钢中锰的含量一般在1％～2％范围内。

（3）磷（P）　是碳钢中有害的杂质。磷能全部溶于α－Fe中，使钢强度、硬度增加，塑性、韧性显著降低，而且低温时更为严重，称之为“冷脆”。但磷可以提高钢材的耐磨性和耐腐蚀性能。

（4）硫（S）　是碳钢中很有害的元素，硫在钢中与碳化合成FeS，存在于晶界处，当钢材在800～1200℃进行轧制时，由于FeS熔化而使晶粒分离，导致钢材沿晶界开裂，称为“热脆”，使钢材在焊接时易产生热裂纹，显著降低可焊性。

（5）钒（V）　有较好的细化晶粒作用，使钢的强度和韧性同时得到改善，可提高钢的耐磨性和回火稳定性。

硅、锰是我国富有元素，价格低廉，可以优先使用。由于钢中加入多种合金元素，对钢的影响比加入单一元素影响效果显著，所以合金元素向少量多元发展。