碳钢力学性能的影响因素分析

张 磊

(郑州煤矿机械制造技工学校，河南 郑州 450000)

0 引言

碳钢广泛应用于机械零件加工制造中，具有成本低、强度大、易加工、综合力学性能好以及容易热处理等优点。但是，碳钢的强硬度和良好的塑韧性不能同时具备，这就需要通过先淬火后回火的热处理方式加以改善。淬火会使钢中的奥氏体转变成硬度较高的马氏体，但是马氏体组织晶粒粗大，原子间间隙大，易出现“空穴”现象，从而使材料变得硬而脆，内部残留应力。而回火热处理工艺可以通过控制温度和保温时间更好地细化晶粒和提高材料的致密性，从而提高碳钢的强韧性，消除材料内部的应力，防止开裂倾向。

1 分析碳钢中碳的质量分数对材料性能造成的影响

1.1 碳的质量分数对力学性能的影响

在一定温度下，材料的成分决定了内部组织的结构和形态，从而影响其工艺和使用性能。碳钢中主要成分是Fe和C，二者结合形成的相组织是铁素体和渗碳体。铁素体呈块状和片状，断口一般为暗灰色的纤维状且伴随着大量的塑性变形，对光线的反射性较差，塑性和韧性好。随着碳质量分数的不断提高，渗碳体含量增加，断口大都为结晶状或放射状，且颜色由浅灰趋向亮白。

(1) 硬度。硬度是一个与碳的质量分数有关的性能指标，其大小主要取决于组成相的硬度和相对数量。随着碳质量分数的增加，硬度高的渗碳体增多，硬度低的铁素体减少，碳钢的硬度呈直线增高，硬度可以由完全为铁素体组织的80HBS增大到渗碳体的800HBW。

(2) 强度。碳是钢铁的骨架，硬度高的材料，强度自然也比较高，同时材料的内部组织越致密，材料的强度越高。当碳含量(质量分数)约0.90%时，沿晶界形成的二次渗碳体趋于完整，强度开始迅速下降，当碳含量(质量分数)到2.11%时组织中渗碳体连片出现，形成抗压不抗拉的铸铁，脆性增加，力学性能变差。

(3) 塑性。碳钢的塑性由铁素体提高，而渗碳体是极脆的化合物，没有塑性。所以，当碳的质量分数增加，铁素体减少时，碳钢的塑性不断降低，当基体变为渗碳体时，塑性就降低到接近于零。

(4) 韧性。碳钢的冲击韧性对组织及其形态最敏感。当碳含量增加时，渗碳体增多，不利于材料的韧性下降，且下降趋势比塑性更急剧。

1.2 碳的质量分数对工艺性能的影响

(1) 铸造性能。随着碳含量的增加，钢液的流动性越好。铸铁因其液相线温度比钢低，其流动性总是比钢好。

(2) 锻造性能。低碳钢的可锻性良好，随着碳的质量分数提高，可锻性变差。在Fe-Fe3C相图中，奥氏体(A)锻造性能最好，其次是A+F两相区，而有Fe3C存在的两相区，钢的塑性、韧性变差。

(3) 焊接性能。低碳钢淬硬倾向小，焊接性最好。随着含碳量增加，焊接性能逐渐变差，焊缝金属和热影响区容易出现裂纹。

2 热加工过程中冷却速度对碳钢内部组织的影响

碳钢在由液态到固态的冷却过程中，发生了共晶和共析两次转变。在共晶阶段，由于杂质元素S和P的存在，容易产生热裂倾向，此时应该注意等温保温，减少加工件和环境温差，尽可能预防热裂倾向。在共析阶段，相组织由奥氏体向铁素体和渗碳体转变，如果冷却速度加快，组织内部原子来不及“归位”，而且C的流动速度小于Fe的流动速度，导致C的偏析，大量的碳就与Fe充分结合生成脆性比较大的渗碳体，而且渗碳体和Fe错落交织，形成颗粒状的机械混合物珠光体，导致组织晶粒粗大，材料的力学性能也会下降。

3 冷加工塑性变形对其力学性能的影响

任何材料都要经历从弹性变形到塑性变形的过程。冷加工塑性变形就是金属材料在外力作用下，按零件设计要求而发生的永久变形。当内部应力大于材料的屈服强度，材料就要产生完全塑性变形，金属的内部原子排列遭到破坏，原子排列的方式和紧密程度会影响到原子间的结合力，从而其力学性能也会受到影响。当材料在加工过程中发生了反复的塑性变形，比如轧制、冷拔、挤压和锻造等，都会使金属晶体内部结构和形态发生改变。单晶体的塑性变形方式是在切应力的作用下发生的滑移。而金属是多晶体，其塑性变形主要表现为错位，或沿变形方向被拉长或压扁。随着冷加工塑性变形量的增加，金属晶粒细化，其硬度和强度都会相应地增加，而韧性、塑性也会降低，内部会残存应力。因此经过冷塑性变形的加工件要经过回火处理，使得内部原子运动增强，使金属尽量接近变形前的力学性能。

4 结束语

碳钢在金属零件加工中应用广泛，而钢的成分也是根据零件或工程构件的使用性能选择的。大多数零件和工程构件主要选择低碳钢和中碳钢，可以通过热处理工艺进一步提高钢的使用性能和工艺性能。中低碳钢的切削加工性较好，切削硬度控制在170HBW～230HBW。锻造和轧制时应注意控制温度在奥氏体区域，温度过高或过低都会使组织晶粒变得粗大，材料变得又硬又脆，力学性能下降。碳钢也可以铸造，但其熔点高，结晶温度范围大，所以铸造性能差。碳钢还可以通过正火、退火、淬火和回火的热处理工艺来改善加工前后的内部结构和形态，但一定要考虑碳的质量分数、合金元素、杂质及冷却和加热速度对碳钢工艺性能和使用性能的影响。