铁碳合金相图

铁碳合金相图

金属光缆-公司企业文化模板

2023年2月21日发(作者：陈散原)

37

铁碳合金相图

非合金钢[（GB／T13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和

合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为

基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的

关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳

相图及其应用方面的一些问题。

铁与碳可以形成一系列化合物：CFe

3

、CFe

2

、FeC等。CFe

3

的含碳

量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价

值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe-CFe

3

相图。相图的两个组

元是Fe和CFe

3

。

3.1Fe-CFe

3

系合金的组元与基本相

3.l.l组元

⑴纯铁Fe是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃

时的密度为2/mkg3107.87。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构

（同素异构转变），即：

-Fe（体心）-Fe（面心）-Fe（体心）

38

工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度

b

=180～230MPa，屈服

强度

2.0

＝100～170MPa，伸长率30～50％，硬度为50～80HBS。

可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有

高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。

⑵CFe

3

CFe

3

是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，

通常称渗碳体，可用符号Cm表示。CFe

3

具有很高的硬度但很脆，硬度

约为950～1050HV，抗拉强度

b

=30MPa，伸长率0。

3.1.2基本相

Fe-CFe

3

相图中除了高温时存在的液相L，和化合物相CFe

3

外，还

有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：

⑴高温铁素体碳溶于-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符

号表示。

⑵铁素体碳溶于-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号

或F表示。F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为

0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后

续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。

⑶奥氏体碳溶于-Fe的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号

或A表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。

奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。

39

3.2Fe-CFe

3

相图

3.2.1Fe-CFe

3

相图中各点的温度、含碳量及含义

Fe-CFe

3

相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1

所示。

图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。

C,％(重量)→

图3.1

Fe

-

CFe

3

相图

表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义

符

号

温度

（℃）

含碳量[%

（质量）]

含

义

40

A

B

C

D

E

F

G

H

J

K

N

P

S

Q

1538

1495

1148

1227

1148

1148

912

1495

1495

727

1394

727

727

600

（室

温）

0

0.53

4.30

6.69

2.11

6.69

0

0.09

0.17

6.69

0

0.0218

0.77

0.0057

(0.0008)

纯铁的熔点

包晶转变时液态合金的成

分

共晶点

Fe3C的熔点

碳在γ-Fe中的最大溶解

度

Fe3C的成分

α-Fe→γ-Fe同素异构转

变点

碳在δ-Fe中的最大溶解

度

包晶点

Fe3C的成分

γ-Fe→δ-Fe同素异构转

变点

碳在α-Fe中的最大溶解

度

共析点

600℃（或室温）时碳在α

-Fe中的最大溶解度

41

3.2.2Fe-CFe

3

相图中重要的点和线

3.2.2.1三个重要的特性点

⑴J点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。B点

成分的

L

与

H

点成分的发生包晶反应，生成J点成分的A。包晶反

应在恒温下进行，反应过程中

L

、、A三相共存，反应式为：

HB

L

J

A或

09.053.0

L

17.0

A。

⑵C点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。C点

成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和CFe

3

。共晶反应在恒温下

进行，反应过程中L、A、CFe

3

三相共存，反应式为：

C

L

CFeA

E3



或

3.4

L

CFeA

311.2

。

共晶反应的产物是A与CFe

3

的共晶混合物，称莱氏体，用符号Le表

示，所以共晶反应式也可表达为：

3.4

L

3.4

Le。

莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形

态是块状或粒状A（727℃时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。

⑶S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时S点成

分的A发生共析反应，生成P点成分的F和CFe

3

。共析反应在恒温下

进行，反应过程中A、F、CFe

3

三相共存，反应式为：

S

A

CFeF

P3



或

77.0

A

CFeF

30218.0



共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用

符号P表示，因而共析反应可简单表示为：

77.0

A

77.0

P

42

P中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下P的形态呈层片状。

在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素

体片（宽条）。

P的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其

机械性能如下：

抗拉强度（

b

）770MPa

延伸率（）20～35％

冲击韧性（

k

a）30～402/cmJ

硬度（HB）1802/mmkgf

3.2.2.2相图中的特性线

相图中的ABCD为液相线；AHJECF为固相线。

⑴水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09～0.53％的铁碳含金在

平衡结晶过程中均发生包晶反应。⑵水平线ECF为共晶反应线。碳含

量在2.11～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶

反应。⑶水平线PSK为共析反应线。碳含量0.0218～6.69％之间的铁

碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线在热处理中亦称

1

A线。⑷GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称

3

A线。⑸ES线是碳在A中的固溶线，通常称

cm

A线。由于在1148℃时A

中溶碳量最大可达2.11％，而在727℃时仅为0.77％，因此碳含量

大于0.77％的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从

A

中析出

CFe

3

。析出的渗碳体称为二次渗碳体（

II

CFe

3

）。

cm

A线亦是从A中开始

析出

II

CFe

3

的临界温度线。⑹PQ线是碳在F中的固溶线。在727℃时F

中溶碳量最大可达0.0218％，室温时仅为0.0008％，因此碳含量大

于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从F中析出

43

CFe

3

。析出的渗碳体称为三次渗碳体（

III

CFe

3

）。PQ线亦为从

F

中开始

析出

III

CFe

3

的临界温度线。

III

CFe

3

数量极少，往往可以忽略。下面分析铁碳合金平衡结晶过程

时，均忽略这一析出过程。

3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程

根据Fe-CFe

3

相图，铁碳含金可分为三类：

⑴

0.0218%C工业纯铁

⑵

























2.11C0.77过共析钢

0.77%C共析钢

0.77%C0.0218%亚共析钢

2.11%C0.0218%钢

⑶

























6.69%C4.3%过共晶白口铸铁

4.3%C共晶白口铸铁

4.3%C2.11%亚共晶白口铸铁

6.69%C2.11%白口铸铁

下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。

3.3.1工业纯铁

以含碳0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡

结晶过程如下。

合金在1点以上为液相L。冷却至稍低于1点时，开始从L中结晶

出，至2点合金全

44

部结晶为。从3点起，逐渐转变为A，至4点全部转变完了。4-5

点间A冷却不变。自5点始，从A中析出

F

。

F

在A晶界处生核并长大，

至6点时A全部转变为

F

。在6-7点间

F

冷却不变。在7-8点间，从

F

晶界析出

III

CFe

3

。因此合金的室温平衡组织为F+

III

CFe

3

。F呈白色块状；

III

CFe

3

量极少，呈小白片状分布于F晶界处。若忽略

III

CFe

3

，则组织全

为F。

图3.2工业纯铁结晶过程示意图

3.3.2共析钢

其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。

合金冷却时，于1点起从L中结晶出A，至2点全部结晶完了。在2-3

点间A冷却不变。至3点时，A发生共析反应生成P。从3′继续冷却

至4点，P皆不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P，P呈

层片状。

45

共析钢的室温组织组成物也全部是P，而组成相为

F

和CFe

3

，它

们的相对质量为：

%%%88100

6.69

0.776.69





F;%%%

3

121FCFe

图3.3共析钢结晶过程示意图

3.3.3亚共析钢

以含碳0.4％的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图

3.4所示。

合金冷却时，从1点起自L中结晶出，至2点时，L成分变为

0.53％C，变为0.09％C，发生包晶反应生成

17.0

A，反应结束后尚有

多余的L。2′点以下，自L中不断结晶出A，至3点合金全部转变为

A。在3-4点间A冷却不变。从4点起，冷却时由A中析出F，F在A

晶界处优先生核并长大，而A和F的成分分别沿GS和GP线变化。至5

点时，A的成分变为0.77％C，F的成分变为0.0218％C。此时A发

生共析反应，转变为P，F不变化。从5′继续冷却至6点，合金组

织不发生变化，因此室温平衡组织为F+P。F呈白色块状；P呈层片

状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于0.6％的亚共析钢，室

46

温平衡组织中

的

F

常呈白色网状，包围在P周围。

图3.4亚共析钢结晶过程示意图

含0.4％C的亚共析钢的组织组成物（F和P）的相对质量为：

%%%51100

0.020.77

0.020.4







P；%%%49511F

组成相（F和CFe

3

）的相对质量为：

%%%%;%%

3

694194100

6.69

0.46.69





CFeF

由于室温下F的含碳量极微，若将F中的含碳量忽略不计，则钢

47

中的含碳量全部在P中，所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织

来估算。即根据P的含量可求出钢的含碳量为：%%%0.77PC。由于

P和F的密度相近，钢中P和F的含量（质量百分数）可以近似用对

应的面积百分数来估算。

图3.5过共析钢结晶过程示意图

3.3.4过共析钢

以碳含量为1.2％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程

如图3.5所示。

合金冷却时，从1点起自

L

中结晶出A，至2点全部结晶完了。

在2-3点间A冷却不变，从3点起，由A中析出

II

CFe

3

，

II

CFe

3

呈网状分

布在A晶界上。至4点时A的碳含量降为0.77％，4-4′发生共析反

应转变为P，而

II

CFe

3

不变化。在4′-5点间冷却时组织不发生转变。

因此室温平衡组织为

II

CFe

3

+P。在显微镜下，

II

CFe

3

呈网状分布在层片

状

P

周围。

含1.2％C的过共析钢的组成相为F和CFe

3

；组织组成物为

II

CFe

3

和

P，它们的相对质量为：%%%%;%%CFe

II3

93717100

0.776.69

0.771.2







P

3.3.5共晶白口铸铁

48

共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示。

图3.6共晶白口铸铁结晶过程示意图

合金在1点发生共晶反应，由

L

转变为（高温）莱氏体Le（A+CFe

3

）。

在1′-2点间，Le中的A不断析出

II

CFe

3

。

II

CFe

3

与共晶CFe

3

无界线相连，

在显微镜下无法分辨，但此时的莱氏体由A+

II

CFe

3

+CFe

3

组成。由于

II

CFe

3

的析出，至2点时A的碳含量降为0.77％，并发生共析反应转

变为P；高温莱氏体Le转变成低温莱氏体Le′(P+

II

CFe

3

+CFe

3

)。从2′

至3点组织不变化。所以室温平衡组织仍为Le′，由黑色条状或粒状

P和白色CFe

3

基体组成（见图3.12）。

共晶白口铸铁的组织组成物全为Le′，而组成相还是F和CFe

3

，

它们的相对重量可用杠杆定律求出。

49

3.3.6亚共晶白口铸铁

以碳含量为3％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶讨程如

图3.7所示。

图3.7亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

合金自1点起，从L中结晶出初生A，至2点时L的成分变为含

4.3％C（A的成分变为含2.11％），发生共晶反应转变为Le，而A不

参与反应。在2′-3点间继续冷却时，初生A不断在其外围或晶界上

析出

II

CFe

3

，同时Le中的A也析出

II

CFe

3

。至3点温度时，所有A的成分

均变为0.77％，初生A发生共析反应转变为P；高温莱氏体Le也转变

为低温莱氏体Le′。在3′以下到4点，冷却不引起转变。因此室温

平衡组织为P+

II

CFe

3

+Le′。网状

II

CFe

3

分布在粗大块状P的周围，Le′

则由条状或粒状P和CFe

3

基体组成。

50

亚共晶白口铸铁的组成相为

F

和CFe

3

。组织组成物为P、

II

CFe

3

、

和Le′。它们的相对质量可以两次利用杠杆定律求出。

先求合金钢冷却到2点温度时初生

11.2

A和

3.4

L的相对质量：

%%%%;%%

3.411.2

4159159100

2.114.3

34.3







LA

3.4

L通过共晶反应全部转变为Le，并随后转变为低温莱氏体Le′，

所以Le′％=Le％=

3.4

L％=41％。

再求3点温度时（共析转变前）由初生

11.2

A析出的

II

CFe

3

及共析成

分的

77.0

A的相对质量：

%%%%;%%

77.03

4659

0.776.69

2.116.69

1359

0.776.69

0.772.11













ACFe

II

。

由于

77.0

A发生共析反应转变为P，所以P的相对质量就是46％。

3.3.7过共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁大同小异，唯一的

区别是：其先析出相是一次渗碳体（

I

CFe

3

）而不是A，而且因为没有

先析出A，进而其室温组织中除Le′中的P以外再没有P，即室温下

组织为Le′＋

I

CFe

3

，组成相也同样为F和CFe

3

，它们的质量分数的计

算仍然用杠杆定律，方法同上。

51

3.4含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系

3.4.1按组织划分的Fe-CFe

3

相图

由Fe-CFe

3

相图，可知铁碳合金室温平衡组织都由

F

和CFe

3

两相组

成，随含碳量增高，

F

含量

下降，由100％按直线关系变

至0（含6.69％C时）；CFe

3

含

量相应增加，由0按直线关

系变至100％（含6.69％C

时）。改变含碳量，不仅引起

组成相的质量分数变化，而

且产生不同结晶过程，从而

导致组成相的形态、分布变

化，也即改变了铁碳合金的组织。由图3.8，可见随着含碳量增加，

室温组织变化如下：F（+

III

CFe

3

）→F+P→P→P+

II

CFe

3

→P+

II

CFe

3

+Le′

→Le′→Le′+

I

CFe

3

。

组成相的相对含量及组织形态的变化，会对铁碳合金性能产生很

大影响。

52

3.4.2碳钢的机械性能与碳含量的关系

对图3.8进行分析，得知铁碳合金的含碳量:小于0.0218％时组

织全部为

F

；等于0.77％时全部为P；等于4.3％时全部为Le′；等

于6.69％时全部为CFe

3

；在它们之间的组织则为相应组织的混合物。

利用杠杆定律对其质量分数计算可得如图3.9所示的含碳量与组织

（

F

、P、

II

CFe

3

、Le′、

I

CFe

3

）的数量关系。

C,%→

硬度（HB）主要决定于组织中组图3.8标注组织分

区的Fe-Fe3C合金相图

成相或组织组成物的硬度和相对数量，而受它

们的形态的影响相对较小。随碳含量的增加，

由于硬度高的CFe

3

增多，硬度低的F减少，所以

合金的硬度呈直线关系增大，由全部为F的硬度

约80HB增大到全部为CFe

3

时的约800HB。

强度是一个对组织形态很敏感的性能。随碳

含量的增加，亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高，其大小

与细密程度有关。组织越细密，则强度值越高。F的强度较低。所以

亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大；但当碳含量超过共析成分之

后，由于强度很低的

II

CFe

3

沿晶界析出，合金强度的增高变慢；到约

0.9％时，

II

CFe

3

沿晶界形成完整的网，强度迅速降低；随着碳含量的

增加，强度不断下降，到2.11％后，合金中出现Le′时，强度已降

到很低的值。再增加碳含量时，由于合

53

金基体都为脆性很高的CFe

3

，强度变化不大且值很低，趋近于CFe

3

的

强度（约20～30MPa）。

图3.9含碳量与组织的关系

铁碳含金中CFe

3

是极脆的相，

没有塑性，不能为合金的塑性作出贡献，合金的塑性全部由

F

提供，

所以随碳含量的增大，

F

量不断减少时，合金的塑性连续下降。到合

金成为白口铸铁时，塑性就降到近于零值了。见图3.10。

对于应用最广的结构材料亚共析钢，其硬度、强度和塑性可根据

成分或组织作如下估算:图3.10性能随含碳量的变化

硬度（HB）≈%%PF18080或（HB）≈%%CFeF

3

80080；强度（

b

）

≈)%(%MPaPF770230；延伸率（）≈%%PF2050。式中的数字

相应为F、P或CFe

3

的近似硬度、强度和延伸率；符号相应表示组织

中F、P或CFe

3

的含量。

3.5Fe-CFe

3

相图的应用和局限性

3.5.1Fe-CFe

3

相图的应用

Fe-CFe

3

相图在生产中具有重大的实际意义，主要应用在钢铁材

料的选用和加工工艺的制订两个方面。

3.5.1.1在钢铁材料选用方面的应用

⑴Fe-CFe

3

相图所表明的某些成分-组织-性能的规律，为钢铁材

料选用提供了根据；⑵建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，

54

因此选用碳含量较低的钢材；⑶各种机械零件需要强度、塑性及韧性

都较好的材料，应选用碳含量适中的中碳钢；⑷各种工具要用硬度高

和耐磨性好的材料，则选用含碳量高的钢种；⑸纯铁的强度低，不宜

用做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，

例如做电磁铁的铁芯等；⑹白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，

也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不

受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球

磨机的磨球等。

3.5.1.2在铸造工艺方面的应用

根据Fe-CFe

3

相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相

线以上50～100℃。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性

能最好。它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可

以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在铸

钢生产中，碳含量规定在0.15～0.6％之间，因为这个范围内钢的结

晶温度区间较小，铸造性能较好。

3.5.1.3在热锻、热轧工艺方面的应用

钢处于马氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在

单相奥氏体区内进行。

一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100～200℃范围内。温度

高时，钢的变形抗力小，节约能源，设备要求的吨位低，但温度不能

过高，防止钢材严重烧损或发生晶界熔化（过烧）。

55

终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。

亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，避免变形时出现

大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低。过共析钢变形终止温度应

控制在PSK线以上一点，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。终止

温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大，使热加工后的组织也

粗大。一般始锻温度为1150～1250℃，终锻温度为750～850℃。

3.5.1.4在热处理工艺方面的应用

Fe-CFe

3

相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热

处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe-CFe

3

相图确定

的。这将在下一章中详细阐述。

3.5.2Fe-CFe

3

相图的局限性

Fe-CFe

3

相图的应用很广，为了正确掌握它的应用，必须了解其

下列局限性。

⑴Fe-CFe

3

相图反映的是平衡相，而不是组织。相图能给出平衡

条件下的相、相的成分和各相的相对质量，但不能给出相的形状、大

小和空间相互配置的关系。⑵Fe-CFe

3

相图只反映铁碳二元合金中相

的平衡状态。实际生产中应用的钢和铸铁，除了铁和碳以外，往往含

有或有意加入其它元素。被加入元素的含量较高时，相图将发生重大

变化。严格说，在这样的条件下铁碳相图已不适用。⑶Fe-CFe

3

相图

反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态。相的平衡只有在非常缓慢

的冷却和加热，或者在给定温度长期保温的情况下才能达到。就是说，

相图没有反映时间的作用。所以钢铁在实际的生产和加工过程中，当

56

冷却和加热速度较快时，常常不能用相图来分析问题。

3.6碳钢及其常存杂质

碳钢被广泛使用在工农业生产中。它们不仅价格低廉、容易加工，

而且在一般情况下能满足使用性能的要求。为了掌握碳钢的正确选择

和合理使用、必须熟悉它的牌号和用途。

3.6.1碳钢中杂质元素

由于原料和冶炼工艺的原因，碳钢中除铁与碳两种元素外，还含

有少量Mn、Si、S、P以及微量的气体元素O、

H

、N等非特意加入

的杂质元素。Si和Mn是炼钢时作为脱氧剂（锰铁、硅铁）加入而残

留在钢中的，其余的元素则是从原料或大气中带入钢中而冶炼时不能

清除尽的有害杂质。它们对钢的性能有一定影响。

3.6.1.1锰和硅的影响

Si、Mn加入钢中，可将钢液中的FeO还原成Fe，并形成

2

SiO和MnO。

Mn还与钢液中的S形成MnS而大大减轻S的有害作用。这些反应产物

大部分进入炉渣，小部分残留钢中成为非金属夹杂。钢中含Mn量约

为0.25～0.80％。钢中含Si量约为0.03～0.40％。

脱氧剂中的Si与Mn总会有一部分溶于钢液，凝固后溶于铁素体，

产生固溶强化作用。在含量不高(＜1％)时，可以提高钢的强度，而

不降低钢的塑性和韧性，一般认为Si、Mn是钢中有益元素。

57

3.6.1.2其它杂质的影响

⑴S的影响S在固态铁中几乎不溶解，它与铁形成熔点为

1190℃的FeS，FeS又与-Fe形成熔点更低的（985℃）共晶体。即使

钢中含S量不高，由于严重偏析，凝固快完成时，钢中的S几乎全部

残留在枝晶间的钢液中，最后形成低熔点的（Fe+FeS）共晶。含有硫

化物共晶的钢材进行热压力加工（加热温度一般在1150～1250℃之

间），分布在晶界处的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材

就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆。如果钢水脱氧不良，含有

较多的FeO，还会形成（Fe+FeO+FeS）三相共晶体，熔点更低（940℃），

危害性更大。对于铸钢件，含硫过高，易使铸件发生热裂；S也使焊

件的焊缝处易发生热裂。

⑵P的影响P在铁中固溶度较大，钢中的P一般都固溶于铁中。

P溶人铁素体后，有较之其他元素更强的固溶强化能力，尤其是较高

的含P量，使钢显著提高强度、硬度的同时，剧烈地降低钢的塑、韧

性，并且还提高了钢的脆性转化温度，使得低温工作的零件冲击韧性

很低，脆性很大，这种现象通常称为钢的冷脆。

S、P在钢中是有害元素，在普通质量非合金钢中，其含量被限

制在0.045％以下。如果要求更好的质量，则含量限制更严格。

在一定条件下S、P也被用于提高钢的切削加工性能。炮弹钢中

加入较多的P，可使炮弹爆炸时产生更多弹片，使之有更大的杀伤力。

P与Cu共存可以提高钢的抗大气腐蚀能力。

58

⑶O、

H

、N的影响O在钢中溶解度很小，几乎全部以氧化物夹

杂形式存在，如FeO、

32

OAl、

2

SiO、MnO等，这些非金属夹杂使钢的

力学性能降低，尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度等危害很大。

H在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的

塑、韧性，增大钢的脆性，这种现象称为氢脆。

少量N存在于钢中，会起强化作用。N的有害作用表现为造成低

碳钢的时效现象，即含N的低碳钢自高温快速冷却或冷加工变形后，

随时间的延长，钢的强度、硬度上升，塑、韧性下降，脆性增大，同

时脆性转变温度也提高了，造成了许多焊接工程结构和容器突然断裂

事故。

3.6.2非合金钢（碳钢）的分类

根据GB/T13304-91第一部分：钢按化学成分分为非合金钢、低

合金钢和合金钢。其中非合金钢即为原国标中的碳钢。

下面将原碳钢分类方法及新国标非合金钢的分类分列如下：

59

3.6.2.1碳钢分类方法

碳钢主要有下列几种分类方法：

⑴按钢的碳含量分

















0.6%C高碳钢

0.6%C0.25%中碳钢

0.25%C低碳钢

⑵按钢的质量分

















0.035%P0.030%;S高级优质碳素钢

0.040%P0.040%;S优质碳素钢

0.045%P0.055%;S普通碳素钢

⑶按用途分















刃具、量具、模具等）用于制造各种工具（如碳素工具钢

等）件（如齿轮、轴、连杆建筑构件等）和机器零

（如桥梁、船舶、用于制造各种工程构件碳素结构钢

⑷按钢的冶炼方法分































电炉钢

冶炼时吹氧顶吹转炉钢

冶炼时造酸性渣酸性转炉钢

冶炼时造碱性渣碱性转炉钢

转炉钢（用转炉冶炼）

平炉钢（用平炉冶炼）

3.6.2.2非合金钢的分类方法

非合金钢主要按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。

⑴按主要质量等级分为：

①普通质量非合金钢普通质量非合金钢是指不规定生产过程中

需要特别控制质量要求的并应同时满足四种条件的所有钢种（条件见

GB/T13304-91）。

普通质量非合金钢主要包括：一般用途碳素结构钢（如GB700

规定的A、B级钢）、碳素钢筋钢（如GB13031规定的Q235钢）、铁

道用一般碳素钢（如GB11264、GB11265、GB2826规定的轻轨和

垫板用碳素钢）及一般钢板桩型钢。

②优质非合金钢优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊

质量非合金钢以外的非合金钢，在生产过程中需要特别控制质量（例

如控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面质量或增加工艺控制等），

60

以达到比普通质量非合金钢特殊的质量要求（例如良好的抗脆断性

能，良好的冷成型性等），但这种钢的生产控制不如特殊质量非合金

钢严格（如不控制淬透性）。

优质非合金钢（见GB/T13304-91）主要包括：机械结构用优质

碳素钢、工程结构用碳素钢、冲压薄板的低碳结构钢、镀层板、带用

的碳素钢、锅炉和压力容器用碳素钢、造船用碳素钢、铁道用优质碳

素钢、焊条用碳素钢、非合金易切削结构钢、电工用非合金钢板、带

及优质铸造碳素钢等。

③特殊质量非合金钢特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要

特别严格控制质量和性能（例如，控制淬透性和纯洁度）的非合金钢，

另外应符合GB/T13304-91规定的条件的非合金钢（包括易切削钢和

工具钢）。

特殊质量非合金钢主要包括：保证淬透性非合金钢、保证厚度方

向性能非合金钢、铁道用特殊非合金钢、航空、兵器等专用非合金结

构钢、核能用非合金钢、特殊焊条用非合金钢、碳素弹簧钢、特殊盘

条钢及钢丝、特殊易切削钢、碳素工具钢和中空钢、电磁纯铁、原料

纯铁等。

61

⑵按主要性能及使用特性分类

非合金钢按其基本性能及使用特性等主要特性分类如下：

①以规定最高强度（或硬度）为主要特性的非合金钢，例如冷成

型用薄钢板。②以规定最低强度为主要特性的非合金钢，例如造船、

压力容器、管道等用的结构钢。③以限制碳含量为主要特性的非合金

钢（但下述④、⑤项包括的钢除外），例如线材、调质用钢等。④非

合金易切削钢。⑤非合金工具钢。⑥具有专门规定磁性或电性能的非

合金钢，例如无硅磁性薄板和带，电磁纯铁。⑦其他非合金钢，例如

原料纯铁等。

3.6.3碳钢的牌号及用途

下面按用途及质量介绍碳钢的牌号及用途。

3.6.3.1普通碳素结构钢

普通碳素结构钢简称普碳钢。国家标准GB700将其分为甲类钢、

乙类钢和特类钢三类。其中以甲类钢为最常用。

⑴甲类钢（或A类钢）按机械性能供应。钢号为A1、A2……A7

等七种。数字越大，则屈服强度（

s

）和抗拉强度（

b

）越大，延伸

率（）越小。甲类钢的机械性能及冷弯试验要求见GB700。

甲类钢的用途：A1，A2，A3钢塑性好，有一定的强度，通常轧

制成钢板、钢筋、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普

通螺钉、螺帽、铆钉等。A4，A5强度较高，轧制成型钢、钢板作构

件用。A6，A7强度更高，可用作工具、农机零件、轻轨等。

甲类钢一般情况下在热轧状态使用，不再进行热处理。但对某些

62

零件，也可进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。

⑵乙类钢（或B类钢）按化学成分供应。钢号为B1，B2……B7

等七种，数字越大，碳含量越高，见GB700。

乙类钢的用途与相同号数的甲类钢相同。由于其化学成分已知，

可进行热加工，并可通过适当的热处理提高其性能。

⑶特类钢（或C类钢）按机械性能及化学成分供应。钢号为C2、

C3，C4，C5等四种。特类钢使用较少，在性能要求较高的场合，通

常选用优质碳素钢。

普通碳素结构钢的编号中，常常标明钢种的冶炼方法。例如碱性

转炉钢标“碱”或“J”，酸性转炉钢标“酸”或“S”，顶吹转炉钢

标“顶”或“

D

”，平炉钢则不标。例如：

甲4（A4）表示平炉甲类4号普碳钢；乙碱3（BJ3）表示碱性

转炉乙类3号普碳钢；特酸3（CS3）表示酸性转炉特类3号普碳钢。

钢在冶炼时根据其脱氧程度不同，可分为沸腾钢和镇静钢。脱氧

不完全的钢称沸腾钢，在钢号后标注“F”；脱氧较完全的钢称镇静

钢，钢号后不加标注。例如A4F为沸腾钢。

3.6.3.2优质碳素结构钢

优质碳素结构钢的钢号用平均碳含量的万分数表示。例如钢号

“20”，即表示碳含量为0.20％（万分之二十）的优质碳素结构钢。

“45”表示碳含量为0.45％的优质碳素结构钢。

若钢中锰含量较高，则在其钢号后附以符号“Mn”，如15Mn、45Mn

等。

63

优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。08

F

塑性好，可制

造冷冲压零件。10，20冷冲压性与焊接性能良好，可作冲压件及焊

接件，经过适当热处理（如渗碳）后也可制作轴、销等零件。35，40，

45，50经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、

轴类、套筒等零件。60，65主要用来制造弹簧。优质碳素结构钢使

用前一般都要进行热处理。

3.6.3.3铸钢

铸钢牌号的表示是在数字前冠以“ZG”，数字则代表钢的平均碳

含量（以万分数表达）。例如ZG25，表示碳含量为0.25％的铸钢。

铸钢的流动性较差，凝固时收缩较大，并易生成魏氏组织。此组

织特征是，铸件冷却时铁素体不仅沿奥氏体晶界，而且在奥氏体内一

定的晶面上析出，呈粗针状。因而使钢的塑性及韧性降低，必须采用

热处理来消除。

铸钢可用来铸造一切形状复杂而需要一定强度、塑性和韧性的零

件，具体见铸造一篇。

3.6.3.4碳素工具钢

碳素工具钢的碳含量在0.65～1.3％之间，钢号用平均碳含量的

千分数表示，并在前冠以“T”（碳的汉语拼音字头）字。例如，T9

是碳含量0.90％（即干分之九）的碳素工具钢。T12是碳含量1.2％

（即千分之十二）的碳素工具钢。

碳素工具钢均为优质钢。若属高级优质钢，则在钢号后标注“A”

字。例如，T10A表示碳含量为1.0％的高级优质碳素工具钢。

64

碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。

T

7、

T

8硬度高、

韧性较高，可制造冲头，凿子、锤子等工具。

T

9、

T

10、

T

11硬度更

高，韧性适中，制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。

T12、T13硬度很高、韧性较低，制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样

套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。

习题

3.1对某一碳钢（平衡状态）进行相分析，得知其组成相为80％

F和20％

CFe

3

，求此钢的成分及其硬度。

3.2计算铁碳含金中

CFe

3

的最大可能含量。

3.3计算低温莱氏体

Le

′中共晶渗碳体、

CFe

3

和共析渗碳体的含

量。

3.4有一碳钢试样，金相观察室温平衡组织中，珠光体区域面积

占93％，其余为网状

II

CFe

3

，

F

与

CFe

3

密度基本相同，室温时的

F

含碳

量几乎为零。试估算这种钢的含碳量。

3.5亚共析钢的力学性能大致是其组织组成物平均值，例如硬度

HBS≈80％＋240

P％，数字为、P的硬度，％、P％为组织中、

P的含量。试估算含碳量为0.4％的碳钢的硬度（HBS）、抗拉强度（

b



）、

伸长率（



％）。

3.6含碳量增加，碳钢的力学性能如何变化并简单分析原因。

3.7同样形状的一块含碳量为0.15％的碳钢和一块白口铸铁，

不作成分化验，有什么方法区分它们？

3.8用冷却曲线表示

E

点成分的铁碳合金的平衡结晶过程，画出

65

室温组织示意图，标上组织组成物，计算室温平衡组织中组成相和组

织组成物的相对重量。

3.910

kg

含3.5％C的铁碳含金从液态缓慢冷却到共晶温度（但

尚未发生共晶反应）时所剩下的液体的成分及重量。