铁碳合金的成分与其组织和性能的关系

教学情境四　铁碳合金的成分与其组织和性能的关系

学习与训练子目标

熟悉碳的质量分数对平衡组织的影响 掌握碳的质量分数对机械性能的影响

知识点一　含碳量对铁碳合金组织影响

由上面的分析可知，不同成分的液态铁碳合金，在冷却过程中发生的组织变化是不同的，最终在室温下得到的组织也不同。从图4-7中可看出，随着合金含碳量的增加，铁碳合金的显微组织按下列顺序变化：

F→ F + P→P→P + Fe₃C_Ⅱ→P + Fe₃C_Ⅱ + L′_d→L′_d→L′_d + Fe₃C_Ⅰ→Fe₃C

由此可见，随着含碳量的增加，组织中渗碳体的相对量将不断增多，而且渗碳体的形状和成分也有变化，故不同成分的铁碳合金具有不同的性能。

知识点二　含碳量对铁碳合金性能的影响

铁碳合金室温平衡组织是由F与Fe₃C构成，因此，铁碳合金的性能就与F、Fe₃C的性能、形态、数量和分布密切相关，如图4-13所示。

Fe₃C硬而脆，随着含碳量的不断增加，铁碳合金组织中的Fe₃C量逐渐增加，使合金的硬度呈直线增加。而F硬度低，塑性高，是一个软相。含碳量越低，合金组织中的F量越多，含碳量增加，合金中的F量逐渐减少，使铁碳合金的塑性不断降低。白口铸铁中的Fe₃C含量很大，甚至Fe₃C以合金的基体组织出现，塑性几乎为零。

铁碳合金的强度不仅与强化相Fe₃C的数量、形态有关，还与珠光体有关。在铁碳合金组织中珠光体强度最高。当含碳量小于0.90%时，随着含碳量的增加，铁素体的量不断减少，珠光体的量不断增加，使钢的强度增加。当含碳量约达0.9%时，强度达最大值。当含碳量大于0.9%以后，由于钢的组织中除片状Fe₃C共析外，还出现网状的Fe₃C_Ⅱ，使钢的脆性增加，同时珠光体含量不断减少，因此强度也明显降低。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中含碳量一般不超过1.35%。含碳量大于2.11%的白口铸铁，由于组织中存在较多渗碳体，在性能上显得特别硬而脆，难以切削加工，因此在一般机械制造工业中应用不大。冲击韧性随含碳量的变化和塑性的情况相同。

图4-1.　含碳量对钢力学性能的影响