第章铁碳合金相图ppt课件.ppt

已学过的相关知识 第1章金属与合金的晶体结构第2章纯金属的结晶第3章二元合金相图与合金的凝固实验I金相试样的制备及显微镜的使用实验II热分析法测定二元合金相图第4章铁碳合金 1铁碳合金的组元及基本相 2Fe Fe3C 3铁碳合金的平衡结晶过程及组织 4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 5钢中的杂质元素及钢锭组织实验III铁碳合金平衡组织观察 第四章铁碳合金铁碳相图 1 铁碳合金中的碳的存在形式 1 渗碳体Fe3C 亚稳相2 石墨 碳稳定状态铁碳相图两种形式 1 Fe Fe3C2 Fe 石墨 2 4 1铁碳合金的组元及基本相 一 纯铁铁 第26个元素 相对原子质量为55 85 在一个大气压下 它于1538 熔化 2738 气化 在20 时的密度为7 87g cm3 1 铁的同素异晶转变三种同素异晶状态 Fe Fe和 Fe1 1538 结晶为体心立方 Fe2 1394 Fe 面心立方 Fe A4转变 平衡临界点称为A4点3 912 Fe 体心立方 Fe A3转变 平衡临界点称为A3点4 912 以下 结构不再发生变化5 770 A2 Fe有磁无磁转变 居里点6 727 A1转变 共析转变7 230 A0转变 渗碳体磁性转变点 3 重结晶 固态下的相变结晶过程 Fe的晶粒大小与 Fe晶粒大小有关 也与A3转变的条件有关 铁的多晶型转变具有很大的实际意义 它是钢的合金化和热处理的基础 4 Fe磁性转变A2770 由高温的顺磁性状态转变为低温的铁磁性状态 磁性转变温度称为铁的居里点 磁性转变 铁的晶格类型不变 5 2 铁素体与奥氏体铁素体 碳溶于 铁中的体心立方晶格间隙固溶体 表示 F或 奥氏体 碳溶于 铁中的面心立方晶格间隙固溶体 表示 A或 铁素体 碳溶于 Fe中的体心立方晶格间隙固溶体 表示 铁素体的性能与纯铁基本相同 居里点770 奥氏体的塑性很好 但它具有顺磁性 6 727 铁素体的最大溶碳量为wC0 0218 室温 铁素体溶碳量在0 001 以下 1148 奥氏体的最大溶碳量为wC2 11 为什么奥氏体比铁素体的溶碳能力大呢 与晶体结构中的间隙尺寸有关 Fe 950 八面体间隙半径0 0535nm 和碳原子0 077nm比较接近 Fe 20 八面体的间隙半径0 01862nm 碳原子通常溶于八面体间隙中 7 3 纯铁的性能与应用工业纯铁的含铁量 wFe99 8 99 9 工业纯铁的含杂质量 0 1 0 2 杂质主要是碳 纯铁的机械性能如下 因其纯度和晶粒大小不同而差异很大抗拉强度 b 176 274MPa屈服强度 s 98 166MPa延伸率 30 50 断面收缩率 70 80 冲击韧性ak 160 200J cm2硬度HB 50 80塑 韧性好 强度低 很少用作结构材料 8 二 渗碳体wC6 69 铁碳相图的重要基本相 一个晶胞中含有12个铁原子和4个碳原子 符合Fe C 3 1的关系 渗碳体具有很高的硬度 约为800HB 塑性很差 延伸率接近于零 低温下具有一定的铁磁性 230 是渗碳体的磁性转变温度 称为A0转变 熔点为1227 9 4 2Fe Fe3C相图分析 一 相图中的点 线 区及其意义图中各特性点符号国际通用 不能随意更换 10 1 特性点 2 主要线液相线 ABCD固相线 AHJECF包晶转变线 HJB共晶转变线 ECF共析转变线 PSK两条磁性转变线 MO 铁素体的磁性转变线230 虚线为渗碳体的磁性转变线 11 3 相区五个单相区 ABCD以上 液相区 L AHNA 固溶体区 NJESGN 奥氏体区 或A GPQG 铁素体区 或F DFKL 渗碳体区 Fe3C或Cm 七个两相区 L L L Fe3C Fe3C Fe三个三相区 HJB L ECF L Fe3CPSK Fe3C 12 A1538 H1495 0 09 C J1495 0 17 C B1495 0 53 C N1394 E1148 2 11 C 二 包晶转变 水平线HJB wC0 53 液相与wC0 09 的 铁素体发生包晶反应 形成wC0 17 奥氏体 13 1 wC0 09 0 17 合金 铁素体量较多 包晶反应结束 液相耗尽 残留一部分 铁素体 这部分 相在随后的冷却过程中 通过同素异晶转变而变成奥氏体 A1538 H1495 0 09 C J1495 0 17 C B1495 0 53 C N1394 E1148 2 11 C 14 2 wC0 17 0 53 合金 反应前的 相较少 液相较多 包晶反应结束后 残留一定量的液相 液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体 A1538 H1495 0 09 C J1495 0 17 C B1495 0 53 C N1394 E1148 2 11 C 15 3 低于wC0 09 合金 在按匀晶体转变为 固溶体之后 继续冷却时将在NH与NJ线之间发生固溶体的同素异晶转变 转变为单相奥氏体 A1538 H1495 0 09 C J1495 0 17 C B1495 0 53 C N1394 E1148 2 11 C 16 4 wC0 53 2 11 合金 按匀晶转变凝固后 组织为单相奥氏体 A1538 H1495 0 09 C J1495 0 17 C B1495 0 53 C N1394 E1148 2 11 C 17 三 共晶转变 水平线ECF 1148 恒温 wC4 3 液相转变为wC2 11 奥氏体和渗碳体组成的混合物 莱氏体 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物 以符号Ld表示 进行共晶转变的合金成分范围 wC2 11 6 69 莱氏体组织形态 颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上 莱氏体的力学性能 塑性很差 18 四 共析转变 水平线PSK 727 恒温 wC0 77 奥氏体转变为wC0 0218 铁素体和渗碳体组成的混合物 珠光体 共析转变的产物 用符号P表示 共析线 共析温度 共析转变的水平线PSK 以A1表示 共析转变铁碳合金成分范围 大于wC0 0218 珠光体组织形态 铁素体和渗碳体交替呈层片状铁素体和渗碳体的含量 19 铁素体的体积是渗碳体的8倍厚片 铁素体 薄片 渗碳体珠光体团 珠光体组织中片层排列方向相同的领域 相邻珠光体团取向不同导致不同珠光体团的片层粗细不同 20 五 三条重要的特性曲线 1 GS线GS线 A3线冷却 奥氏体析出铁素体开始线加热 铁素体溶入奥氏体终了线 GS线由G点 A3点 演变而来 随着含碳量的增加 使奥氏体向铁素体的同素异晶转变温度逐渐下降 从而由A3点变成了A3线 21 2 ES线ES线 碳在奥氏体中的溶解度曲线 ES线是二次渗碳体的开始析出线 ACm线 22 3 PQ线PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线 当铁素体从727 冷却下来时 要从铁素体中析出渗碳体 称之为三次渗碳体 记为Fe3C 23 4 3铁碳合金的平衡结晶过程及组织 按有无共晶转变将其分为碳钢和铸铁两大类1 碳钢 wC2 11 含碳量低于wC0 0218 的为工业纯铁 按Fe Fe3C系结晶的铸铁 碳以Fe3C形式存在 断口呈亮白色 称为白口铸铁 24 根据组织特征 将铁碳合金按含碳量划分为七种类型 工业纯铁 wC 0 0218 共析钢 wC 0 77 亚共析钢 0 0218 wC 0 77 过共析钢 0 77 wC 2 11 共晶白口铁 wC 4 30 亚共晶白口铁 2 11 wC 4 30 过共晶白口铁 4 30 wC 6 69 25 一 工业纯铁含碳量为wC0 01 的合金 的结晶过程 1 2点 匀晶转变 3 4点 同素异晶转变 5 6点 同素异晶转变 7点以下 三次渗碳体沿铁素体晶界片状析出 26 在室温下 析出三次渗碳体量最多的是含碳量为0 0218 的铁碳合金 含量为 27 室温组织 铁素体 三次渗碳体 28 二 共析钢合金 1 2点 匀晶转变成奥氏体 3点恒温 共析转变 S P Fe3C 产物为珠光体 继续冷却 从珠光体的铁素体相中析出三次渗碳体 室温组织 珠光体 三次渗碳体 29 缓慢冷却 三次渗碳体在铁素体与渗碳体的相界上形成 与共析渗碳体连结在一起 在显微镜下难以分辨 同时其数量也很少 对珠光体的组织和性能没有明显影响 30 三 亚共析钢合金 含碳量0 40 碳钢 1 2 匀晶转变结晶出 固溶体 到2点 液相和 固溶体发生包晶转变 LB H J 形成奥氏体 2 3点 剩余液相匀晶转变成奥氏体 4 5点 析出铁素体 5点 共析转变 形成珠光体 5点 共析转变 形成珠光体 5点以下 析出三次渗碳体 室温组织 先共析铁素体 珠光体 三次渗碳体 31 32 含碳量越高 组织中的珠光体量越多 灰黑部分为珠光体片层片 33 34 四 过共析钢合金 wC1 2 1 2点 匀晶转变为单相奥氏体 3点 开始析出二次渗碳体 直到4点为止 4点时 共析转变 形成珠光体 过共析钢室温平衡组织 珠光体 二次渗碳体 三次渗碳体 35 36 五 共晶白口铁合金 共晶白口铁含碳量wC4 3 l点时 共晶转变形成莱氏体 Ld 1点以下 共晶奥氏体中析出依附于共晶渗碳体上的难以分辨的二次渗碳体2点时 共晶奥氏体共析转变为珠光体 室温组织 珠光体分布在共晶渗碳体的基体上的低温莱氏体 或变态莱氏体或室温莱氏体 用符号Ld 表示 37 38 六 亚共晶白口铁合金 亚共晶白口铁wC3 0 1 2点 匀晶转变结晶出初晶 或先共晶 奥氏体 2点时 液相发生共晶转变 形成莱氏体 2 3点 从初晶奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体 3点 共析转变 奥氏体转变为珠光体 39 大块黑色部分是由初晶奥氏体转变成的的珠光体 由初晶奥氏体析出的二次渗碳体与共晶渗碳体连成一片 难以分辨 室温平衡组织 共晶渗碳体 珠光体 二次渗碳体 三次渗碳体 40 亚共晶白口铁组织组成物中 初晶奥氏体的含量为 莱氏体的含量为从初晶奥氏体中析出二次渗碳体的含量为 41 七 过共晶白口铁合金 过共晶白口铁wC5 1 2 结晶出粗大的先共晶一次渗碳体Fe3C 渗碳体 2点时 剩余液相共晶转变形成莱氏体 2 3 析出二次渗碳体 3点 共析转变 形成珠光体 过共晶白口铁室温组织 一次渗碳体和低温莱氏体 42 室温平衡组织 先共晶渗碳体 共晶渗碳体 珠光体 二次渗碳体 三次渗碳体 43 4 4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 一 对平衡组织的影晌将Fe Fe3C相图相区按组织组成物加以标注 44 铁碳合金的成分与平衡结晶后的组织组成物及相组成物之间的定量关系 1 从相组成的角度来看 铁碳合金在室温下的平衡组织皆由铁素体和渗碳体两相所组成 2 从组织组成的角度看 含碳量的变化 要以引起组织的变化 随着含碳量的增加 铁碳合金的组织变化顺序为 F F Fe3C F P P P Fe3C P Fe3C Ld Ld Ld Fe3C 45 同一组成相 因生成条件不同 形态差异很大 1 从奥氏体中析出的铁素体呈块状2 共析反应生成的铁素体 与渗碳体呈交替层片状3 从铁素体中析出的三次渗碳体 沿晶界呈小片状分布4 共析渗碳体与铁素体呈交替层片状5 从奥氏体中析出的二次渗碳体 以网络状分布于奥氏体的晶界6 共晶渗碳体在莱氏体中为连续的基体 比较粗大 呈鱼骨状7 从液体中直接形成的一次渗碳体 呈规则的长条状成分的变化 不仅引起相的相对含量的变化 而且引起组织的变化 对铁碳合金的性能产生很大影响 46 二 对力学性能的影响铁素体 软韧相渗碳体 硬脆相珠光体 强度 硬度较高 塑性较差 平衡结晶形成的珠光体机械性能 抗拉强度 b 1000Mpa屈服强度 0 2 600MPa延伸率 10 断面收缩率 12 15 硬度HB 241 47 1 wC0 77 过共析钢 wC1 时 强度达到最高值 含碳量继续增加 强度下降 4 白口铁 含有大量渗碳体 脆性很大 强度很低 5 渗碳体 提高硬度 降低塑性 韧性 48 三 对工艺性能的影响1 切削加工性能切削加工性能评价指标 允许的切削速度 切削力 表面粗糙度等影响切削加工性能因素 化学成分 硬度 韧性 导热性 组织结构 加工硬化程度等含碳量对切削加工性能的影响 低碳 铁素体较多 塑性韧性好 切削热较大 容易粘刀 切屑不易折断 影响表面粗糙度 切削加工性能不好 高碳 渗碳体多 硬度较高 严重磨损刀具 切削性能差 中碳 铁素体与渗碳体的比例适当 硬度和塑性也比较适中 切削加工性能较好 导热性对切削加工性能的影响 钢导热性低 切削刃变热 切削加工性能不好 晶粒尺寸的影响 粗晶粒钢的韧性较差 切屑易断 切屑性能较好组织结构的影响 铁素体 片状珠光体 较好的切削加工性片状珠光体 二次渗碳体 加工性能很差粒状珠光体 可改善切削加工性能 49 2 可锻性可锻性 金属在压力加工时 能改变形状而不产生裂纹的性能 可锻性与含碳量有关 低碳钢的可锻性较好 随着含碳量的增加 可锻性逐渐变差 奥氏体有良好的塑性 易于塑性变形 可锻性好 始轧或始锻温度一般在固相线以下100 200 范围内 终锻温度不能过低 以免钢材因温度过低而使塑性变差 导致产生裂纹 一般对亚共析钢终锻温度控制在GS线以上较近处 对过共析钢控制在PSK线以上较近处 50 3 铸造性铸造性 流动性 收缩性和偏析倾向等 1 流动性 液态金属充满铸型的能力 影响流动性的因素 1 化学成分 钢液的流动性随含碳量的提高而提高 2 浇注温度 浇注温度越高 流动性越好 铸铁流动性比钢好亚共晶铸铁随含碳量的提高 流动性提高共晶铸铁流动性最好过共晶铸铁随着含碳量的提高 流动性变差 51 2 收缩性 铸铁从浇注温度至室温的冷却过程中 其体积和线尺寸减少的现象 三个互相联系的收缩阶段 液态收缩 浇注温度到开始凝固这一温度范围的收缩 凝固收缩 凝固开始到凝固终止这一温度范围的收缩 固态收缩 从凝固终止至冷却到室温这一温度范围的收缩 体收缩 合金体积的缩小 体收缩是铸件产生缩孔 缩松缺陷的基本原因 线收缩 合金固态收缩引起的铸件外部尺寸的变化 线收缩铸件产生内应力 变形和裂纹等缺陷的基本原因 3 枝晶偏析固相线和液相线的水平距离和垂直距离越大 枝晶偏析越严重 铸铁的成分越靠近共晶点 偏析越小 相反 越远离共晶点 则枝晶偏析越严重 52 4 5钢中的杂质元素及钢锭组织 一 钢中的杂质元素及其影响少量的锰 硅 硫 磷 氧 氢 氮的存在 会影响钢的质量和性能 1 锰和硅的影响1 锰 硅的来源 脱氧剂2 锰的作用 脱氧 还原FeO 除硫 溶于铁素体固溶强化 增加珠光体的相对量 3 硅的作用 脱氧 还原FeO 溶于铁素体固溶强化 53 2 硫的影响1 硫的来源 矿石 燃料2 固态钢中存在形式 FeS3 硫的危害 造成热脆 使钢铸件产生热裂纹 使焊缝产生气孔和缩松热脆 引起钢在热加工时开裂的现象 4 硫致热脆原因 FeS严重偏析Fe FeS离异共晶5 防止热脆的方法 脱硫 加Mn6 硫的益处 提高钢切削加工性能 晶界FeS熔点低 54 3 磷的影响1 磷的来源 矿石 生铁等原料 2 存在形式 固溶于铁 3 磷的益处 固溶强化 显著提高强度 硬度 降低铁素体韧性 进而提高钢的切削加工性 与铜共存 显著提高钢的抗大气腐蚀能力 4 磷的危害 剧烈降低韧性 尤其是低温韧性 具有严重的偏析倾向 难于消除 55 4 氮的影响1 氮的危害 使钢材变脆氮的有害作用主要是通过淬火时效和应变时效造成的 淬火时效 含氮钢高温急速冷却下来 氮在 Fe中过饱和固溶 在室温下长期放置或稍加热时 氮以氮化铁的形式从铁素体中析出 钢的强度 硬度升高 塑性韧性下降 变脆的现象 应变时效 含氮低碳钢经冷塑性变形后 强度 硬度升高 塑性 韧性明显下降的现象 2 去除氮的危害的方法 加铝 AlN 56 5 氢的影响1 氢的来源 炉料 炉气 含氢还原性气氛 酸洗和电镀过程等 2 氢的危害 氢脆 产生细微裂纹缺陷 白点 6 氧及其它非金属夹杂物的影响1 氧化物夹杂 FeO Al2O3 SiO2 MnO CaO MgO等 2 非金属夹杂物的危害 破坏钢基体连续性 成为裂纹起点 降低钢的塑性 韧性 疲劳强度和抗腐蚀性能等 57 二 钢锭的组织及其宏观缺陷钢锭宏观组织与缺陷 直接影响其热加工性能 影响热变形后钢的性能 根据钢含氧量和凝固时放出一氧化碳的程度 将钢锭分为1 镇静钢2 沸腾钢3 半镇静钢 1 镇静钢镇静钢 钢液在浇注前用锰铁 硅铁和铅进行充分脱氧 使所含的氧不超过wC0 01 一般常在wC0 002 0 003 以使钢液在凝固时不析出一氧化碳 得到成分比较均匀 组织比较致密的钢锭 这种钢叫做镇静钢 58 镇静钢锭的宏观组织特征 表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区 钢锭下部由等轴晶粒组成的致密的沉积锥体 沉积锥体的形成 中心等轴晶区的凝固时间较长 等轴晶体的密度较大 它将往下沉 大量等轴晶的降落到钢锭的底部 形成锥形体 59 镇静钢锭主要缺陷 缩孔 缩松 偏析 气泡等 1 缩孔及缩孔残余钢 液 固收缩造成的 2 缩松钢 结晶 枝晶封闭 无法补缩 中含有较多的气体和夹杂物时 会增加缩松的严重程度 3 偏析偏析 无法避免 枝晶偏析可经高温塑性变形和扩散退火后消除 而区域偏析主要是方框形偏析和点状偏析 将影响钢材的质量 60 方框形偏析 最常见的正偏析 在经过酸浸的低倍组织切片上常可见到 其特征是在钢材半径的一半处 大致呈正方形 出现内外两个色泽不同的区域 61 方框形偏析形成过程 钢锭表层的细晶粒区 固结晶速度快 基本上不产生偏析 在柱状晶的形成过程中 由于是选择结晶 把碳 硫 磷等杂质不同程度地推向钢液内部 结果在柱状晶与中心等轴晶区之间集聚了较多杂质 形成区域偏析 由于此处含碳量高于先结晶表面细晶区的含碳量 所以它属于正偏析 方框形偏析对钢材质量有显著影响 轧钢时易产生夹层 又会恶化钢的机械性能 如产生热脆和冷脆 使塑性指标降低 尤其是使横向性能下降 减轻或改善方框形偏析的方法 主要是提高钢液的纯静度 采用合理的浇注工艺 并在压力加工时采用较大的锻压比 62 点状偏析 在钢锭的横截面上呈分散的 形状和大小不同并略为凹陷的暗色斑点 斑点中碳和硫的含量都超过正常含量 夹杂物的含量也较高 并有大量的氧化铝 通常认为 点状偏析的产生与夹杂物和气体有关 严重的点状偏析容易在斑点处产生应力集中 并导致早期疲劳断裂 63 4 气泡 气孔 镇静钢中的气泡分 1 皮下气泡2 内部气泡皮下气泡 暴露于钢锭表面的 肉眼可见的孔眼和靠近表面的针状孔眼 皮下气泡多出现于钢锭尾部 时常成群出现 在加热时 钢锭表皮被烧掉后 气泡内壁即被氧化 无法通过压力加工将其焊合 结果在钢材表面出现成簇的沿轧制方向的小裂纹 在轧制前必须将皮下气泡予以清除 内部气泡 产生在钢锭内部 在低倍试片上呈蜂窝状 内壁较光滑 未氧化 在热加工时可以焊合 64 2 沸腾钢沸腾钢是脱氧不完全的钢 在冶炼末期仅进行轻度脱氧 使相当数量的氧 wO0 03 0 07 留在钢液中 钢液注入锭模后 钢中的氧与碳发生反应 析出大量的一氧化碳气体 引起钢液的沸腾 钢液凝固后 未排出的气体在锭内形成气泡 补偿了凝固收缩 所以沸腾钢锭的头部没有集中缩孔 轧制时的切头率低 3 5 成材率高 沸腾钢的结晶过程与镇静钢基本相同 但是由于钢液沸腾 使其宏观组织具有与镇静钢锭不同的特点 从表面至心部由五个带组成 1 坚壳带 2 蜂窝气泡带 3 中心坚固带 4 二次气泡带 5 锭心带 65 1 坚壳带坚壳带由致密细小的等轴晶粒所组成 由于受到模壁的激冷 模内因沸腾而强烈循环的钢液把附在晶粒之间的气泡带走 从而形成无气泡的坚壳带 通常要求坚壳带的厚度不小于15 20mm 66 2 蜂窝气泡带蜂窝气泡带由分布在柱状