鑄鋼中的碳
與鑄鐵相比，碳在鑄鋼中的形態(tài)是比較簡(jiǎn)單的，除一種特殊的“石墨鋼”外，基本上都以碳化物的形態(tài)析出，而不以石墨的形態(tài)析出。石墨鋼是含碳量相當(dāng)高的過(guò)共析鋼，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，所含的碳一部分以石墨的形態(tài)析出，因而兼有鑄鋼和鑄鐵的性能。由于組織中含有游離石墨，是一種耐磨損的結(jié)構(gòu)材料，曾用于制造曲軸、沖壓模具等構(gòu)件。近30年來(lái)，由于球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵生產(chǎn)工藝的進(jìn)步和性能的改善，石墨鋼的應(yīng)用已經(jīng)很少
鐵-碳合金中的碳化物是碳化鐵(Fe3C)，通常稱(chēng)為“滲碳體”，是具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，硬度約950～1050HV。滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)如圖4所示，碳原子構(gòu)成正交晶格，三個(gè)坐標(biāo)軸間的夾角都是90°，三個(gè)晶格常數(shù)a = 45. 235nm、b = 50. 888nm、c =67. 431nm。每個(gè)晶胞中有12個(gè)鐵原子、4個(gè)碳原子。每個(gè)碳原子周?chē)加?個(gè)鐵原子構(gòu)成八面體，而每個(gè)鐵原子又為兩個(gè)碳原子所共有。各八面體的軸彼此間都傾斜某一角度。
鑄鋼中除含碳以外，通常還含有其他合金元素和非故意加入的元素，因此，鋼中除含有Fe3C外，會(huì)因成分不同而含有其他元素的碳化物，如Mn3C、Cr 3C、Cr 7C3、Cr 23 C6、Mo2C、MoC、WC、W2C、VC、V4C3、Ti C、NbC、Nb4C3、Zr C等；還可能形成各種復(fù)合碳化物，如Fe Mo2C6、Fe4 W2C、Fe21 W2C6、3C 4 Mo2 C、3C ( Ni，Co) 4C、( Mo，W) 2C純鐵的熔點(diǎn)為1538℃，固態(tài)鐵有3種同素異晶體：從低溫到910℃之間，為體心正立方晶格，稱(chēng)為α-鐵；在910～1400℃之間，為面心正立方晶格，稱(chēng)為γ-鐵；在1400℃以上，為體心正立方晶格，稱(chēng)為δ-鐵。碳在體心正立方晶格型鐵中的溶解度極為有限。在α-鐵中的溶解度最多為0. 0218 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，這種含碳量很低的固溶體稱(chēng)為鐵素體；在δ-鐵中的溶解度最多為0. 09% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，這種固溶體稱(chēng)為高溫鐵素體。
在鐵-碳合金中，碳在γ-鐵中的固溶體稱(chēng)為奧氏體，其溶解度因溫度而異。在共晶溫度下，溶解度的最大值為2. 11 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，且通常以這一含碳量作為區(qū)分鑄鐵與鑄鋼的界限，含碳量在2. 11%以上的為鑄鐵，含量在此值以下的為鑄鋼。實(shí)際上，很少有含碳量低到接近此值的鑄鐵，也很少有高到接近此值的鑄鋼。只有過(guò)共析鋼的組織中才可見(jiàn)到游離的滲碳體，而通常用于制造工程與結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的都是亞共析鋼，因此，在鑄鋼組織中不可能有游離的二次滲碳體。鑄造工作者的一項(xiàng)重要任務(wù)就是：通過(guò)優(yōu)選化學(xué)成分并采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囈钥刂铺嫉男螒B(tài)，從而保證鋼的性能。含碳的基體組織有以下3種形態(tài)。
( 1)珠光體亞共析鋼自?shī)W氏體區(qū)冷卻時(shí)，先自?shī)W氏體中析出先共析鐵素體，其中的含碳量隨之提高，到奧氏體中的碳含量接近共析成分后就發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，通過(guò)鐵原子和碳原子的擴(kuò)散，形成珠光體組織。在奧氏體成分比較均勻的條件下，冷卻分解得到的珠光體通常都呈片層狀，是由鐵素體片和滲碳體片交替相間組成的。通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，也可得到粒狀珠光體。片層狀珠光體，可按其片層間距分為三類(lèi)：
第一類(lèi)：緩慢冷卻，奧氏體在較高溫度(700～650℃)下轉(zhuǎn)變形成的粗珠光體，平均片層間距>0.3μm，通常稱(chēng)為珠光體。第二類(lèi)：冷卻較快，奧氏體在較低溫度( 650～600℃)下轉(zhuǎn)變形成的細(xì)珠光體，平均片層間距在0.1～0.3μm之間，在高倍光學(xué)顯微鏡下才能分辨其片層，也稱(chēng)為索氏體。第三類(lèi)：快速冷卻，奧氏體在更低的溫度( 600～550℃)下轉(zhuǎn)變、形成的超細(xì)珠光體，平均片層間距<0.1um，即使在高倍光學(xué)顯微鏡下也無(wú)法分辨其片層，只有用電子顯微鏡才能觀(guān)察其片層的特征，也稱(chēng)為托氏體(屈氏體)。|
上述三種都屬于片層狀珠光體組織，只有粗細(xì)之分，并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別，它們之間的界限也是相對(duì)的。片層間距減小，珠光體的抗拉強(qiáng)度和硬度明顯提高，而伸長(zhǎng)率則改變不多。
( 2)馬氏體經(jīng)奧氏體化的鋼以很快的速率冷卻到低溫時(shí)，各種元素的擴(kuò)散都極為困難，因而轉(zhuǎn)變過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)成分的局部變化。鐵原子不擴(kuò)散，只發(fā)生鐵的晶格重構(gòu)，碳原子也不可能通過(guò)擴(kuò)散以滲碳體的形態(tài)析出。于是，就形成碳在鐵素體中過(guò)飽和的固溶體，通稱(chēng)為馬氏體，其主要特點(diǎn)是具有很高的硬度。
( 3)貝氏體是介于擴(kuò)散型的珠光體和非擴(kuò)散型的馬氏體之間的過(guò)渡型組織。形成貝氏體時(shí)，鐵原子不擴(kuò)散，只發(fā)生鐵的晶格重構(gòu)。由于轉(zhuǎn)變溫度略高，碳原子具有一定的擴(kuò)散能力，形成碳化物沉淀析出。鋼中的貝氏體可分為上貝氏體、下貝氏體和粒狀貝氏體三種類(lèi)型。
