碳元素在材料中的作用与控制方法

1.碳元素在高锰钢中的作用

碳元素是高锰钢中最重要的元素。高锰钢中含碳量（质量分数）为0.70%～1.45%。其作用有以下两方面：

（1）形成和稳定奥氏体 碳是钢中形成和稳定奥氏体的主要元素。碳形成奥氏体的能力是锰的60倍。随着钢中碳含量的增加，奥氏体稳定性增强，奥氏体在高温和室温存在的区域扩大。

碳与锰匹配合适，可以保持固溶处理后获得单一的固溶体组织。碳、锰含量对固溶处理组织的影响如图8-1所示。从图中可知：对于中锰钢，碳、锰含量的调配更为重要。含碳量过低，会出现马氏体；含碳量过高，又会出现碳化物。

图8-1 碳、锰含量对固溶处 理组织的影响

A—奥氏体 M—马氏体 Me₃C—碳化物

（2）奥氏体的固溶强化和碳化物强化 碳是使高锰钢实现固溶强化和碳化物强化，提高强度和耐磨损性能的主要元素。通过固溶处理，碳化物完全溶解使钢强化；通过固溶处理+时效处理，又使碳化物呈弥散状析出在奥氏体基体上，使钢进一步强化。由此可见，碳对强化高锰钢起着重要作用。

图8-2 碳对高锰钢冲击韧度的影响

注：高锰钢的化学成分（质量分数）：Mn=11.6%、Si=0.58%、S=0.032%、P=0.096%。

2.碳对高锰钢力学性能的影响(www.xing528.com)

（1）碳对高锰钢冲击韧度的影响冲击韧度是评价高锰钢在冲击载荷作用下使用的重要力学性能。图8-2示出碳对高锰钢冲击韧度的影响。从图中可以看出：随着钢中含碳量的增加，固溶处理后，钢的室温（20℃）和-40℃低温冲击韧度下降。这是因为碳对奥氏体的固溶化效果随含碳量的升高而增强，而韧度下降。

（2）碳对高锰钢强度和塑性的影响 图8-3示出碳对高锰钢室温下抗拉强度和伸长率的影响。图中试验数据表明：含Mn=11.6%（质量分数）的高锰钢，室温强度随含碳的增加而升高，而钢的伸长率则下降，即塑性下降。当含碳量（质量分数）达到1.40%时，伸长率小于15%，塑性进一步降低。

图8-3 碳对高锰钢室温抗拉强度和伸长率的影响

注：高锰钢化学成分（质量分数）：Mn=11.6%、Si=0.58%、S=0.032%、P=0.096%。

总之，碳对高锰钢室温力学性能的影响非常明显。严格控制钢中含碳量，是获得优良综合力学性能的关键。

3.钢中含碳量的冶金控制

在不同工作条件下使用的高锰钢部件，对钢材的强度、韧性有不同的要求，相应对冶炼钢中含碳量的要求也不相同。因此，根据高锰钢部件的工作条件来确定钢中含碳量是比较合理的。以下按此原则确定冶炼钢的含碳量。

（1）高冲击、挤压载荷下工作部件用钢含碳量的控制 这种条件下工作的部件，多数属于厚壁而结构简单的部件。首先要求材质具有高的冲击韧性，对耐磨性能和强度要求居第二位。为此，冶炼配料时应将含碳量控制在中下限，以保证材质具有高的韧性。例如：含C=0.90%～1.35%（质量分数，下同）的高锰钢，含碳量应控制在0.90%～1.00%。

（2）低冲击、挤压载荷下工作部件用钢含碳量的控制 这种条件下工作的部件，多数属于薄壁而结构复杂的部件。要求材质强度高、耐磨性能好，而韧性居第二位。为此，冶炼配料时，含碳量应控制在中上限。以含C=0.90%～1.35%（质量分数，下同）的高锰钢为例，含碳量应控制在1.20%～1.30%。

（3）普通用途高锰钢含碳量的控制 普通用途的高锰钢铸件，其含碳量应根据结构而定。厚壁铸件冷速慢，碳化物容易偏析，含碳量应低控；薄壁铸件冷速快，碳化物析出量少，含碳量可以高控。结构简单的铸件，铸造应力小，允许含碳量高控；结构复杂的铸件，应力大容易产生裂纹，含碳量应低控。