钢铁一直是人类最重要的结构材料。
铁碳合金即钢铁,是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁,就是一种工业铁碳合金材料。
钢铁材料适用范围广阔的原因,首先在于可用的成分跨度大,从近于无碳的工业纯铁到含碳4%左右的铸铁,在此范围内合金的相结构和微观组织都发生很大的变化;另外,还在于可采用各种热加工工艺,尤其金属热处理技术,大幅度地改变某一成分合金的组织和性能。
铁碳合金中合金相的形成,与纯铁的晶体结构及碳在合金中的存在形式有关。纯铁有三种同素异构状态:912℃以下为体心立方晶体结构,称α-Fe;912~1394℃为面心立方晶体结构,称γ-Fe;1394℃以上,又呈体心立方结构,称δ-Fe。在液态,在低于7%碳范围,碳和铁可完全互溶;在固态,碳在铁中的溶解是有限的,并且溶解度取决于铁(溶剂)的晶体结构。
化学成分影响:
碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下,随含碳量的增加,钢的强度和硬度升高,而塑性和冲击韧性下降。焊接性和冷弯性变差。所以工程结构用钢,常限制含碳量。
碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等,对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强,有时互相抵销。例如:硫、氧、氮都能增加钢的热脆性,而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。
残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性,增加冷脆性。除硫和氧降低强度外,其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。
氢在钢中能造成很多严重缺陷,如产生白点、点状偏析、氢脆、表面鼓泡和焊缝热影响区内的裂缝等。为保证钢的质量,必须尽可能降低钢中氢的含量。脱氧带入的残余元素如铝,可减小低碳钢的时效倾向,还可以细化晶粒,提高钢在低温下的韧性,但余量不宜过多。