铸铁和铸钢中的碳
碳还有一种非常奇妙的特点，即不溶于大多数的酸性或碱性溶液，而在熔融的液态铁中却有相当高的溶解度；同时，在常温下的固态铁中，碳的固溶度又很小。因此，铁液凝固、冷却时，溶于其中的碳将因具体条件不同而以不同的形态析出：可以是质地柔软的石墨；也可以是硬度很高的碳化物。钢、铁中的石墨和碳化物又都可以有多种不同的形态及不同的数量。这样，“碳”就可以使铸铁和铸钢的性能干变万化，说它非常奇妙一点也不过分。
影响碳自铁液和固态铁中析出的因素很多，如碳的含量、其他合金元素含量、冷却条件、各种特殊的铁液处理的方法和铸件的热处理方式等。铸造工作者的一项重要任务，就是在各方面创造适当的条件，控制碳的析出，使铸铁或铸钢具有所要求的性能。
古往今来，铸造行业中不知有多少仁人志士为认识和控制“碳”奉献了毕生精力，采用各种最新的科技成果对此进行研究和探索。回顾他们所取得的成就，真可说是硕果累累。正因为如此，历史悠久的铸造行业才能不断吸收各种新技术而与时俱进，保持长盛不衰。
铸钢
1.铸钢中的碳
与铸铁相比，碳在铸钢中的形态是比较简单的，除一种特殊的“石墨钢”外，基本上都以碳化物的形态析出，而不以石墨的形态析出。
石墨钢是含碳量相当高的过共析钢，经适当的热处理后，所含的碳一部分以石墨的形态析出，因而兼有铸钢和铸铁的性能。由于组织中含有游离石墨，是一种耐磨损的结构材料，曾用于制造曲轴、冲压模具等构件。近30年来，由于球墨铸铁和蠕墨铸铁生产工艺的进步和性能的改善，石墨钢的应用已经很少。
铁-碳合金中的碳化物是碳化铁(Fe3C)，通常称为“渗碳体”，是具有复杂晶体结构的间隙化合物，硬度约950～1050HV。渗碳体的晶体结构如图4所示，碳原子构成正交晶格，三个坐标轴间的夹角都是90º，三个晶格常数α=45.235nm、b=50.888nm、c＝67.431nm。每个晶胞中有12个铁原子、4个碳原子。每个碳原子周围都有6个铁原子构成八面体，而每个铁原子又为两个碳原子所共有。各八面体的轴彼此间都倾斜某一角度。
铸钢中除含碳以外，通常还含有其他合金元素和非故意加入的元素，因此，钢中除含有Fe3C外，会因成分不同而含有其他元素的碳化物，如Mn3C、Cr3C、Cr7C3、Cr23C6、Mo2C、MoC、WC、W2C、VC、V4C3、TiC、NbC、Nb4C3、ZrC等；还可能形成各种复合碳化物，如FeMo2C6、Fe4W2C、Fe21W2C6、(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C、Fe4Mo2 C、(Fe，Mo)3C、(Ni，Co)4C、(Mo，W)2C等。
纯铁的熔点为1538℃，固态铁有3种同素异晶体：从低温到910℃之间，为体心正立方品格，称为α-铁；在910～1400℃之间，为面心正立方品格，称为γ-铁；在1400℃以上，为体心正立方晶格，称为δ-铁。
碳在体心正立方晶格型铁中的溶解度极为有限。在α-铁中的溶解度最多为0.0218％(质量分数)，这种含碳量很低的固溶体称为铁素体；在δ-铁中的溶解度最多为0.09％(质量分数)，这种固溶体称为高温铁素体。
在铁-碳合金中，碳在γ-铁中的固溶体称为奥氏体，其溶解度因温度而异。在共晶温度下，溶解度的最大值为2.11％(质量分数)，且通常以这一含碳量作为区分铸铁与铸钢的界限，含碳量在2.11％以上的为铸铁，含量在此值以下的为铸钢。实际上，很少有含碳量低到接近此值的铸铁，也很少有高到接近此值的铸钢。
只有过共析钢的组织中才可见到游离的渗碳体，而通常用于制造工程与结构用铸钢件的都是亚共析钢，因此，在铸钢组织中不可能有游离的二次渗碳体。铸造工作者的一项重要任务就是：通过优选化学成分并采用适当的热处理工艺以控制碳的形态，从而保证钢的性能。含碳的基体组织有以下3种形态。
(1)珠光体 亚共析钢自奥氏体区冷却时，先自奥氏体中析出先共析铁素体，其中的含碳量随之提高，到奥氏体中的碳含量接近共析成分后就发生共析转变，通过铁原子和碳原子的扩散，形成珠光体组织。
在奥氏体成分比较均匀的条件下，冷却分解得到的珠光体通常都呈片层状，是由铁素体片和渗碳体片交替相间组成的。通过适当的热处理，也可得到粒状珠光体。片层状珠光体，可按其片层间距分为三类：
第一类：缓慢冷却，奥氏体在较高温度(700～650℃)下转变形成的粗珠光体，平均片层间距＞0.3μm，通常称为珠光体。
第二类：冷却较快，奥氏体在较低温度(650～600℃)下转变形成的细珠光体，平均片层间距在0.1～0.3μm之间，在高倍光学显微镜下才能分辨其片层，也称为索氏体。
第三类：快速冷却，奥氏体在更低的温度(600～550℃)下转变、形成的超细珠光体，平均片层间距＜0.1μm，即使在高倍光学显微镜下也无法分辨其片层，只有用电子显微镜才能观察其片层的特征，也称为托氏体(屈氏体)。
上述三种都属于片层状珠光体组织，只有粗细之分，并无本质的区别，它们之间的界限也是相对的。片层间距减小，珠光体的抗拉强度和硬度明显提高，而伸长率则改变不多。
(2)马氏体 经奥氏体化的钢以很快的速率冷却到低温时，各种元素的扩散都极为困难，因而转变过程中不发生化学成分的局部变化。铁原子不扩散，只发生铁的晶格重构，碳原子也不可能通过扩散以渗碳体的形态析出。于是，就形成碳在铁素体中过饱和的固溶体，通称为马氏体，其主要特点是具有很高的硬度。
(3)贝氏体 是介于扩散型的珠光体和非扩散型的马氏体之间的过渡型组织。形成贝氏体时，铁原子不扩散，只发生铁的晶格重构。由于转变温度略高，碳原子具有一定的扩散能力，形成碳化物沉淀析出。
钢中的贝氏体可分为上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体三种类型。
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