張 磊

(鄭州煤礦機械制造技工學校，河南 鄭州 450000)

0 引言

碳鋼廣泛應用于機械零件加工制造中，具有成本低、強度大、易加工、綜合力學性能好以及容易熱處理等優(yōu)點。但是，碳鋼的強硬度和良好的塑韌性不能同時具備，這就需要通過先淬火后回火的熱處理方式加以改善。淬火會使鋼中的奧氏體轉變成硬度較高的馬氏體，但是馬氏體組織晶粒粗大，原子間間隙大，易出現(xiàn)“空穴”現(xiàn)象，從而使材料變得硬而脆，內部殘留應力。而回火熱處理工藝可以通過控制溫度和保溫時間更好地細化晶粒和提高材料的致密性，從而提高碳鋼的強韌性，消除材料內部的應力，防止開裂傾向。

1 分析碳鋼中碳的質量分數(shù)對材料性能造成的影響

1.1 碳的質量分數(shù)對力學性能的影響

在一定溫度下，材料的成分決定了內部組織的結構和形態(tài)，從而影響其工藝和使用性能。碳鋼中主要成分是Fe和C，二者結合形成的相組織是鐵素體和滲碳體。鐵素體呈塊狀和片狀，斷口一般為暗灰色的纖維狀且伴隨著大量的塑性變形，對光線的反射性較差，塑性和韌性好。隨著碳質量分數(shù)的不斷提高，滲碳體含量增加，斷口大都為結晶狀或放射狀，且顏色由淺灰趨向亮白。

(1) 硬度。硬度是一個與碳的質量分數(shù)有關的性能指標，其大小主要取決于組成相的硬度和相對數(shù)量。隨著碳質量分數(shù)的增加，硬度高的滲碳體增多，硬度低的鐵素體減少，碳鋼的硬度呈直線增高，硬度可以由完全為鐵素體組織的80HBS增大到滲碳體的800HBW。

(2) 強度。碳是鋼鐵的骨架，硬度高的材料，強度自然也比較高，同時材料的內部組織越致密，材料的強度越高。當碳含量(質量分數(shù))約0.90%時，沿晶界形成的二次滲碳體趨于完整，強度開始迅速下降，當碳含量(質量分數(shù))到2.11%時組織中滲碳體連片出現(xiàn)，形成抗壓不抗拉的鑄鐵，脆性增加，力學性能變差。

(3) 塑性。碳鋼的塑性由鐵素體提高，而滲碳體是極脆的化合物，沒有塑性。所以，當碳的質量分數(shù)增加，鐵素體減少時，碳鋼的塑性不斷降低，當基體變?yōu)闈B碳體時，塑性就降低到接近于零。

(4) 韌性。碳鋼的沖擊韌性對組織及其形態(tài)最敏感。當碳含量增加時，滲碳體增多，不利于材料的韌性下降，且下降趨勢比塑性更急劇。

1.2 碳的質量分數(shù)對工藝性能的影響

(1) 鑄造性能。隨著碳含量的增加，鋼液的流動性越好。鑄鐵因其液相線溫度比鋼低，其流動性總是比鋼好。

(2) 鍛造性能。低碳鋼的可鍛性良好，隨著碳的質量分數(shù)提高，可鍛性變差。在Fe-Fe3C相圖中，奧氏體(A)鍛造性能最好，其次是A+F兩相區(qū)，而有Fe3C存在的兩相區(qū)，鋼的塑性、韌性變差。

(3) 焊接性能。低碳鋼淬硬傾向小，焊接性最好。隨著含碳量增加，焊接性能逐漸變差，焊縫金屬和熱影響區(qū)容易出現(xiàn)裂紋。

2 熱加工過程中冷卻速度對碳鋼內部組織的影響

碳鋼在由液態(tài)到固態(tài)的冷卻過程中，發(fā)生了共晶和共析兩次轉變。在共晶階段，由于雜質元素S和P的存在，容易產(chǎn)生熱裂傾向，此時應該注意等溫保溫，減少加工件和環(huán)境溫差，盡可能預防熱裂傾向。在共析階段，相組織由奧氏體向鐵素體和滲碳體轉變，如果冷卻速度加快，組織內部原子來不及“歸位”，而且C的流動速度小于Fe的流動速度，導致C的偏析，大量的碳就與Fe充分結合生成脆性比較大的滲碳體，而且滲碳體和Fe錯落交織，形成顆粒狀的機械混合物珠光體，導致組織晶粒粗大，材料的力學性能也會下降。

3 冷加工塑性變形對其力學性能的影響

任何材料都要經(jīng)歷從彈性變形到塑性變形的過程。冷加工塑性變形就是金屬材料在外力作用下，按零件設計要求而發(fā)生的永久變形。當內部應力大于材料的屈服強度，材料就要產(chǎn)生完全塑性變形，金屬的內部原子排列遭到破壞，原子排列的方式和緊密程度會影響到原子間的結合力，從而其力學性能也會受到影響。當材料在加工過程中發(fā)生了反復的塑性變形，比如軋制、冷拔、擠壓和鍛造等，都會使金屬晶體內部結構和形態(tài)發(fā)生改變。單晶體的塑性變形方式是在切應力的作用下發(fā)生的滑移。而金屬是多晶體，其塑性變形主要表現(xiàn)為錯位，或沿變形方向被拉長或壓扁。隨著冷加工塑性變形量的增加，金屬晶粒細化，其硬度和強度都會相應地增加，而韌性、塑性也會降低，內部會殘存應力。因此經(jīng)過冷塑性變形的加工件要經(jīng)過回火處理，使得內部原子運動增強，使金屬盡量接近變形前的力學性能。

4 結束語

碳鋼在金屬零件加工中應用廣泛，而鋼的成分也是根據(jù)零件或工程構件的使用性能選擇的。大多數(shù)零件和工程構件主要選擇低碳鋼和中碳鋼，可以通過熱處理工藝進一步提高鋼的使用性能和工藝性能。中低碳鋼的切削加工性較好，切削硬度控制在170HBW～230HBW。鍛造和軋制時應注意控制溫度在奧氏體區(qū)域，溫度過高或過低都會使組織晶粒變得粗大，材料變得又硬又脆，力學性能下降。碳鋼也可以鑄造，但其熔點高，結晶溫度范圍大，所以鑄造性能差。碳鋼還可以通過正火、退火、淬火和回火的熱處理工藝來改善加工前后的內部結構和形態(tài)，但一定要考慮碳的質量分數(shù)、合金元素、雜質及冷卻和加熱速度對碳鋼工藝性能和使用性能的影響。