铁碳相图和铁碳合金.ppt

图 铁碳相图,第四节 铁碳相图和铁碳合金,铁碳相图和铁碳合金,铁碳相图,铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。现在，我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。这不仅简化了我们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实际使用的金属合金其含碳量一般不超过5%，所以先来重点研究Fe-Fe3C相图也是必要的 。,1.铁碳合金中的组元及相,铁碳相图的组元为纯铁和碳。 铁碳相图中的相有碳在铁中形成的固溶体铁素体（F）、奥氏体（A）、高温铁素体（）和铁与碳形成的间隙化合物渗碳体（Fe3C）。,图 纯铁的同素异构转变,（1）纯铁,纯铁在从液相冷却到固相过程中会发生以下相变： L -Fe (15381394C) -Fe(1394912 C) -Fe(912 C ) 铁的同素异形体： -Fe(BCC) -Fe(FCC) -Fe(BCC),铁素体 碳原子溶解在-Fe(低温相)和-Fe(高温相)中形成的固溶体，为bcc结构。Fe原子位于点阵的结点上，而碳原子固溶到晶格的八面体间隙中。相的强度、硬度较低，但塑性和韧性较好。一般用F或表示。 奥氏体 碳原子溶解在-Fe中形成的固溶体为fcc结构。Fe原子位于点阵的结点上，而碳原子固溶到晶格的八面体间隙中。一般用A或 表示。,（2）铁的固溶体,（3）渗碳体,渗碳体wc=6.69%，熔点为1227，渗碳体不发生同素异晶转变；230以下时有弱铁磁性，硬度很高（9501050HV），而塑性和韧性几乎为零。 渗碳体是一个独立的相。因其性能又脆又硬，没有单独用它做为组织使用，而是多与铁素体或奥氏体共同组成双相组织。,图 渗碳体结构示意图,渗碳体,渗碳体(Fe3C)：是铁和碳的化合物，含碳量为6.69。熔点为1227C，硬度很高(约为HB800)，脆性大，塑性很低。在一定温度下能分解为石墨状的游离碳。 一次渗碳体：从液态合金中结晶析出的共晶深碳体。其形态呈粗大较规则的板片状。 二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体称之为二此渗碳体，一般在奥氏体晶界呈网状分布。 三次渗碳体：从-Fe中析出的渗碳体，沿奥氏体晶界分布，呈片状。,（2）铁的固溶体,2.Fe-Fe3C相图分析,图 铁碳相图,铁碳相图中的特征点,图 铁碳相图,铁碳相图中的特征点（续）,图 铁碳相图,铁碳相图中的特征线,图 铁碳相图,恒温转变线HJB,含碳量在0.09%0.53%之间的合金冷却到1495时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。 含碳量为0.17%的铁碳合金，在包晶反应终了时，相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。 含碳量为0.090.17%的铁碳合金，在包晶反应终了时，有多余的，随后通过通素异构转变变为奥氏体。 含碳量为0.170.53%的铁碳合金，在包晶反应终了时，有多余的液相，随后冷却过程中结晶成为奥氏体。,图 铁碳相图,恒温转变线ECF,莱氏体（又称高温莱氏体）共晶反应的产物，用符号“Ld”表示。 变态莱氏体（又称低温莱氏体）是由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成，用符号“Ld”表示。,图 铁碳相图,图 共晶白口铸铁平衡组织,恒温转变线PSK,珠光体是铁素体和渗碳体两相的混合物，是共析反应的产物，用符号“P”表示。 珠光体是一种双相组织。一般情况下，两相呈层片状分布，强度较高、硬度适中、有一定塑性。,图 铁碳相图,图 共析钢的室温组织,ES、PQ、GS线,ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。含碳量大于0.77%的合金，从1148冷到727的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。铁碳合金由727冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。 GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。,图 铁碳相图,简化后的Fe-Fe3C相图,2.典型铁碳合金的平衡凝固,（1）共析钢,共析钢凝固过程示意图,（2）亚共析钢,亚共析钢凝固过程示意图,20、45和60钢的室温组织,（3）过共析钢,过共析钢凝固过程示意图,过共析钢光学显微组织照片,（4）共晶白口铸铁,共晶白口铸铁的凝固过程示意图,图 共晶白口铸铁的光学显微组织照片,（5）亚共晶白口铸铁,亚共晶白口铸铁的凝固过程示意图,亚共晶白口铸铁的光学显微组织照片,（6）过共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁的凝固过程示意图,过共晶白口铸铁的光学显微组织照片,按组织分区的铁碳合金相图,计算含碳量为3.0%的铁碳合金在室温下组织组成物的质量百分比。,碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响,含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系,1.碳的影响,含碳量对碳钢机械性能的影响,在C%1%后，随含碳量的增加，钢的硬度增加，但强度、塑性、韧性降低，这是因为Fe3C成连续网状分布，进一步破坏了铁素体基体之间的连接作用所造成。,思考题,1.如何用简单的方法鉴别低碳钢和铸铁? 2.钢铆钉为什么一般用低碳钢制成? 3.为什么钢适宜用于压力成形,而铸铁适宜用于铸造成形? 4.大家唱的“比铁还硬,比钢还强”能不能改成“比钢还硬,比铁还强”?,锰在钢中的存在也属于有益元素，它与氧有较强的亲合力，具有较好的脱氧能力，在炼钢时作为脱氧剂加入。 另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成MnS，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影响。 钢中的含锰量一般为0.250.80%，它一部分溶入铁素体起到固溶强化作用，提高铁素体的强度，锰还可溶入渗碳体形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C，使钢具有较高的强度； 另一部分锰与硫形成MnS，与氧形成MnO，这些非金属夹杂物大部分进入炉渣。,2.锰的影响,硅在钢中的存在属于有益元素，由于它与氧有很大的亲合力，具有很好地脱氧能力。在炼钢时作为脱氧剂加入，Si+2FeO=2Fe+SiO2,硅与氧化铁反应生成二氧化硅（SiO2）非金属夹杂物，一般大部分进入炉渣，消除了FeO的有害作用。但如果它以夹杂物形式存在于钢中，将影响钢的性能。 碳钢中的含硅量一般Si%0.4%，它大部分溶入铁素体，起固溶强化作用，提高铁素体的强度，而使钢具有较高的强度。,3.硅的影响,4.4 铁碳相图和铁碳合金,硫在钢中是有害的杂质。 液态时Fe、S能够互溶，固态时Fe几乎不溶解硫，而与硫形成熔点为1190的化合物FeS。形成的共晶体（r-Fe+FeS）以离异共晶形式分布在r-Fe晶界处。 若将含有硫化铁共晶体的钢加热到轧制、锻造温度时，共晶体熔化，进行轧制或锻造时，钢将沿晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆”或“红脆”。,4.硫的影响,图 Fe-S相图,磷在钢中的存在一般属于有害元素。 在1049时，磷在Fe中的最大溶解度可达2.55%，在室温时溶解度仍在1%左右，因此磷具有较高的固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但也使钢的塑性，韧性剧烈降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧升高，这种现象称为冷脆。,5.磷的影响,图 Fe-P相图,6.氮的影响,图 Fe-N相图,氮在钢中的存在一般认为是有害元素。 N在中的最大溶解度在650为2.8%N，在中的最大溶解度在590约为0.1%N,而在室温时的溶解度很小低于0.001%N，因此将钢由高温快速冷却后，可得到溶氮过饱和的铁素体。这种溶氮过饱和的铁素体是不稳定的，在室温长时间放置时N将以Fe4N的形式析出，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性降低，这种现象称为时效硬化。 为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或加入Al、V、Nb、Ti等元素，使它们优先形成稳定的氮化物，以减小氮所造成的时效敏感性。,7.氢的影响,氢在钢中的存在也是有害元素，它是由潮湿的炼钢原料和炉气而进入钢中的。 氢在钢中的溶解度甚微，但严重的影响钢的性能，氢溶入铁中形成间隙固溶体，使钢的塑性大大降低，脆性大大升高，这种现象称为氢脆。 含有较多氢的钢，在加热热轧时溶入，冷却时溶解度降低，析出的氢结合成氢分子，使钢的塑性大大降低，脆性大大升高，加上热轧时产生的内应力，当它们的综合作用力大于钢的时，在钢中就会产生许多微细裂纹如头发丝一样，也称发裂，这种组织缺陷称为白点。,8.氧的影响,氧在钢中的存在也是有害元素，由于炼钢是一个氧化过程，氧在钢液中起到去除杂质的积极作用，但在随后的脱氧过程中不能完全将它除净，氧在钢中的溶解度很小，在700时为0.008%，在500时在铁素体中的溶解度0.001%。 氧溶入铁素体一般降低钢的强度、塑性和韧性，氧在钢中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe203、Fe304、MnO、SiO2、Al2O3等），所以它对钢的性能的影响主要取决于这些氧化物的性能，数量、大小和分布等。,4.4.3 合金铸件的组织与缺陷,铸件从宏观组织来看，可分为激冷晶区、柱状晶区和等轴晶区。 铸件主要的宏观缺陷有缩孔、缩松、气泡、裂纹、偏析等。,4.4 铁碳相图和铁碳合金,1.铸锭（件）的三晶区,图 铸锭组织的形成,铸件凝固后宏观组织具有三个性质、晶体形态不同的三个区域： 激冷区 柱状晶区 等轴晶区,2.偏析,合金凝固时，随着结晶过程的进行，在液、固相中的溶质要发生重新分布。在非平衡凝固条件下，凝固速度比较快，溶质原子来不及重新分布，使得先后结晶的固相中成份不均匀，这种现象称为偏析。根据产生偏析的范围不同，可分为宏观偏析和微观偏析。 宏观偏析是大范围的成分不均匀的现象，又称远程偏析。 微观偏析是晶粒尺度范围的成分不均匀现象，又称短程偏析。,（1）宏观偏析,宏观偏析表现为铸锭(件)从里层到外层或从上到下成份不均匀。 根据表现形式不同，可分为正偏析、反偏析和比重偏析。,正常偏析（正偏析）,当平衡分配系数k01的合金以平直界面定向凝固时，沿着垂直于界面的纵向会产生明显的成份不均匀。先凝固的固相溶质浓度低于后凝固部分。这种内外成份不均匀的现象是正常凝固的结果，故称为正常偏析或正偏析。 正常偏析的程度与凝固速度、液体对流以及溶质扩散条件等因素有关。当凝固速度比较慢，液体对流比较强，溶质原子能够向液体纵深扩散，使剩余液体中的溶质浓度逐渐升高。凝固后所产生的正常偏析就比较严重。 在正常偏析程度比较大的情况下，最后凝固的液体溶质浓度高，有时会形成其它非平衡相。,反常偏析,反偏析正好是与正偏析相反，即在k01合金铸锭(件)中表层溶质浓度高于内层的溶质浓度。 目前认为反偏析形成的主要原因与铸模中心的液体倒流有关。由于在合金凝固时，先凝固部分发生收缩，在枝晶之间产生空隙和负压，使铸模中心溶质浓度较高的液体沿技晶间隙吸回到表层，形成反偏析。,比重偏析,比重偏析是由于合金凝固时形成的先共晶相与液体比重不同而引起先共晶相上浮或下沉，从而导致了铸锭(件)中组成相上下分布和成份不均匀的一种宏观偏析。这种宏观偏析主要存在于共晶系和偏晶系合金中，并在缓慢冷却条件下产生的。 防止或减轻比重偏析的方法有：增大冷却速度，使先共晶相来不及上浮或下沉；加入第三组元，形成高熔点的、比重与液体相近的树枝状新相，阻止偏析相的沉浮。,2.显微偏析,微观偏析是在一个晶粒范围内成份不均匀的现象。 根据凝固时晶体生长形态的不同，可分为枝晶偏析、胞状偏析和晶界偏析。,（1）胞状偏析,当成份过冷比较小时，固溶体以胞状方式生长。 对于k01的合金，在凹陷的胞界处将富集着溶质。这种胞内和胞界处成份不均匀的现象称为胞状偏析。,图 胞状生长时溶质分布示意图,（2）枝晶偏析,当合金以树枝状方式凝固时，形成枝晶偏析。在先结晶枝干和后结晶的枝间溶质分布不均匀。枝干含高熔点组元多，枝间含低熔点组元多。通常凝固速度越快，液体的对流扩散越不充分，k0值越小（k01），则枝晶偏析越严重。 枝晶偏析的产生对铸锭(件)的性能是有害的，特别使铸件的韧性、塑性及抗蚀性下降。枝晶偏析可以通过扩散退火消除。,（3）晶界偏析,当合金以树枝状方式凝固，最终形成晶粒组织时，在各晶粒之间的界面处是液体最后凝固的地方。对于k01的合金，最后凝固的液体中溶质含量高。因此凝固结束后晶界处产生溶质富集，形成晶界偏析。 一种情况是两个晶粒并排生长，