铁碳合金相图及碳素钢.ppt

第五章铁碳合金相图及碳素钢 钢铁材料是铁碳合金系中具有实用价值的部分 是目前人类社会中应用最为广泛的工程材料 反映铁碳合金的化学成分 相 组织与温度关系的相图已经诞生一百多年 百余年来随着技术的进步世界各国的金属学工作者对这张相图进行了越来越精确的测定 形成了目前通用的图样 它是一个比较复杂的相图 是由多种基本类型相图组成 本课将较详细介绍铁碳相图中具有实用价值的部分的Fe Fe3C相图 并介绍与此相图相对应的 工业用量颇大的碳素钢 第一节铁碳合金中的相与基本组织 一 Fe的同素异晶转变及晶格结构Fe是元素周期表中第26号元素 相对分子质量56 体积质量7 8 cm3 熔点1538 Fe具有同素异晶转变现象 所谓同素异晶转变是指金属在结晶成固态之后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象 也称同素异构转变 同素异晶转变也是通过成核长大的过程来完成原子重新排列的 也是一种结晶过程 也有结晶潜热产生 但是 它是在固态下进行的晶格类型的转变 有别于液态金属的凝固结晶 也有别于变形金属再固态下的再结晶 因此 同素异晶转变也被称为重结晶 是一种固态相变 由于晶格类型不同 其原子排列的致密度也不同 因此 在同素异晶转变时 会引起宏观体积的变化和内应力的增加 由于同素异晶转变时也有潜热释放 所以 在金属冷却曲线上也会以一个平台形式表现出来 只是比结晶平台小些 图5 1是铁的冷却曲线 从冷却曲线上可见到第一个1538 的平台是铁的结晶温度 结晶后是体心立方晶格 Fe 当温度降到1394 出现第二个平台 这是Fe在固态下第一次同素异晶转变 转变成为面心立方的 Fe 当继续冷却到912 时出现第三个平台 这是Fe的第二次同素异晶转变 变成体心立方的 Fe 当继续冷却到769 时出现第四个平台 这个平台对应的温度称为居里点 它不是同素异晶转变 因为没有晶格类型的变化 只是Fe原子的外层电子排列的变化引起Fe的磁性状态的改变 使Fe由顺磁性变成铁磁性 使透磁率增加数万倍 晶格类型虽然仍是体心立方 但是晶格常数减小了 由0 293nm变成0 233nm 这种具有铁磁性的体心立方晶格的铁称为 Fe 在不是专门研究材料磁性时 同时体心立方结构的 Fe和 Fe可不加以区分统称为 Fe 我们在这里主要是讨论铁碳合金的力学性能 可以不必区分 Fe和 Fe 认为912 的同素异晶转变是由 Fe转变成 Fe 铁的同素异晶转变可简单的记作 Fe Fe Fe 正因为Fe具有这种同素异晶转变才使得钢也存在多种固体相变 这正是钢可以进行各种热处理的基础 二 铁碳合金中的相铁碳合金的组元Fe与C相互作用可以形成几种很重要的相 碳在Fe C合金中的存在形式主要有三种 固溶到铁晶格间隙中的固溶碳 与Fe形成间隙化合物的化合碳 游离在Fe C合金中的游离碳 铁与碳相互作用形成的主要相有以下几种 1 铁素体 铁素体是碳原子固溶到 Fe中形成的间隙固溶体 代号为F或 虽然 Fe的体心立方晶格总空隙度较大 32 但是每个具体的空隙直径都不大 仅有0 072nm 远小于碳原子的直径 0 154nm 所以 碳在 Fe中的溶解度很小 室温时溶解度Wc 0 0008 0 最大溶解度在727 Wc 0 0218 碳原子在 Fe晶格间隙中的可能位置见图5 2 铁素体是一种强度不高但是塑性很好的相 见表5 1 铁素体是钢铁材料在室温室时的重要相 常作为基体相存在 2 奥氏体 它是碳原子固溶到 Fe中所形成的间隙固溶体 代号为A或 它存于727 以上 面心立方的 Fe虽然总间隙为26 小于 Fe 但是 具体间隙的直径却较大 最大的直径是0 104nm近于碳原子直径 所以碳原子在 Fe中的溶解度大于在 Fe中的溶解度 在727 时 wc 0 77 最大溶解度在1148 时 wc 2 11 碳原子在 Fe晶格间隙中的可能位置 见图5 3 奥氏体是一种强度不高塑性很好的高温相 是热变形加工所需要的相 一般情况奥氏体不存在于室温 3 渗碳体它是铁与碳形成的间隙化合物 分子式是Fe3C 其晶体结构见图2 16 有固定的Wc 6 69 熔点为1227 可视为是一种组元 渗碳体是具有高硬度 高脆性 低强度和低塑性的相见表5 1 渗碳体也是钢铁材料在室温下的重要相 常作为钢的第二相弥散强化的强化相 4 石墨它是Fe C合金中游离存在的碳 代号G 它以简单六方晶格结构存在 强度 塑性 硬度都很低 在钢中通常是不允许它存在 否则会降低钢的力学性能 但是在铸铁材料中为了增加铸铁的切削加工性和降低铸铁的脆性并能保证一定的强度和韧性 常采用一些工艺措施使大多数的化合碳转变成游离碳的石墨 使铸铁由白口变成灰口 成为有用的工程材料 详见铸铁一章 还有 在1394 以上有一个 铁素体相 它是碳固溶到 Fe中形成的一种间隙固溶体高温相 在1495 时有最大的溶解度为Wc 0 09 但是在我们所讨论的范围内一般用不到这个相 此外 铁碳合金在液态时成为液相 代号是L 上述这些相 在Fe C合金中的显微组织中均被称为相组成物 在室温下 铁碳合金中最重要的相是铁素体和渗碳体 它们在钢铁材料中既可一独立存在 也可以以机械混合物形式组成一些基本组织 三 铁碳合金中的基本组织 在铁碳合金中 当wc 0 77 温度在727 时 会产生共析转变 所共析转变是指在某一恒定温度时 一定成分的固相又重新结晶成两个不同的机械混合物 这种两相的机械混合物称为共析体 铁碳合金中的共析转变是指碳的质量分数为0 77 的奥氏体在727 时发生重结晶 形成铁素体和渗碳体的两相机械混合物 这种机械混合物的共析体命名为珠光体 代号为P铁碳合金中的共析转变可以表示为A0 77 F Fe3C P 珠光体和渗碳体以相间片层形式机械混合在一起 见图5 7 其力学性能见表5 1 当wc 4 3 温度为1148 时铁碳合金发生共晶转变 L4 3 A Fe3C Ld即碳的质量分数为4 3 铁碳合金液相结晶时发生共晶转变产生了奥氏体和渗碳体机械混合物的共晶体 这个共晶体命名为高温莱氏体 代号为Ld 高温莱氏体是存在于727 以上的一种基本组织 在727 以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变变成珠光体 这是的莱氏体就变成由P和Fe3C组成 成为低温莱氏体 低温莱氏体是铁碳合金在室温下的另一个基本组织 另外 各个相若是独立存在于铁碳合金中 也都可以看作是单相的基本组织 这些基本组织均被称为铁碳合金显微组织的组织组成物 第二节铁碳合金相图 铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织和性能有重要意义 对于制定钢铁材料的铸 锻 焊及热处理等工艺有直接的指导意义 一 Fe C相图与Fe Fe3C相图铁和碳两个组元不仅能形成各种固溶体相而且可以产生一系列的化合物 如 Fe3C Fe2C FeC等 这样一来 Fe C二元合金相图就可以看成是由Fe Fe3C Fe3C Fe2C Fe2C FeC FeC C四个二元相图组成 见图5 4 但是对于wc 6 69 的铁碳合金 因其力学性能很差 在机械工程中没有使用价值 因此 Fe C合金相图实际上只有Fe Fe3C相图是我们讨论的对象 见图5 5 Fe Fe3C相图对于了解碳素钢和白口铸铁及工业纯铁的显微组织与温度关系是很直观的 二 对Fe Fe3C相图的分析 相图中的主要点相图中各个点的碳的质量分数 温度值及各个点的含义 见表5 2 相图中的主要相变线ABCD线为液相线 温度高于此线铁碳合金均是液相 其中 AB线是L 开始线 BC是L A开始线 CD是L Fe3C开始线 从液相直接结晶出来的Fe3C称为一次渗碳体 标记为Fe3C AHJECF线为固相线 温度降到次线之下铁碳合金全部都结晶成固相 HJB线为包晶线 当温度达到这条线 1495 时wc 0 09 0 53 的铁碳合金均有包晶转变 即H成分的 固溶体 H 和B成分的液相 LB 在1495 时共同结晶成J成分的奥氏体 AJ 表达式为 H LB AJ ECF线是共晶线 当温度达到这条线 1148 时 此线下2 11 wc 6 69 的铁碳合金均有共晶转变发生 PSK线是共析线 代号为A1 当温度到达这条线 727 时此线下0 02 wc 6 69 的铁碳合金均会有共析转变发生 ES线为固溶线 也称溶解度线 代号为Acm 它是奥氏体中碳的溶解度随温度变化曲线 当温度降到此线 奥氏体中多余的碳以渗碳体的形式析出 从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体 记为Fe3C PQ线也是固溶线 它是铁素体中碳的溶解度随温度变化的曲线 当温度降到此线 铁素体中多余的线也以渗碳体形式析出 从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体 记为Fe3C GS线是奥氏体向铁素体转变的开始线 也是铁素向奥氏体转变的终了线 代号为A3 GP线是奥氏体向铁素体转变的终了线 也是铁素向奥氏体转变的开始线 实际上相图中的这些线都是各个化学成分的合金随温度变化发生各种相转变的温度点 相变点 的分类集合 还要指出的是 一次渗碳体 二次渗碳体 三次渗碳以及珠光体和莱氏体中的渗碳体 它们本身并无本质区别 都具有相同的化学成分 晶格结构和性质 只是出处不同 并由此造成其形态 大小以及在合金中的分布等情况有所不同 因此 对合金的性能也有不同的影响 但是 渗碳体的形态 大小 分布不是一成不变的 可以通过有关的热处理或锻造等方法来改变 按需要来控制调整渗碳体对铁碳合金性能的影响 三 Fe Fe3C相图中的相区 单相区有五个 L A F Fe3C 具体位置见图5 5 其中 Fe3C相区因Fe3C有固定的化学成分 wc 6 69 所以是wc 6 69 的一条垂线DFKL 双相区有七个 L A A L L Fe3C A Fe3C A F F Fe3C 具体位置见图5 5 三相共存区有三个 是三条水平线 L A 包晶线 L A Fe3C 共晶线 A F Fe3C 共析线 三 典型铁碳合金的结晶过程 一 Fe Fe3C相图中铁碳合金的分类按合金中碳质量分数和显微组织的不同 铁碳合金可分为三大类 1 工业纯铁它是wc 0 02 的铁碳合金 2 碳素钢它是0 02 wc 2 11 的铁碳合金 按起室温下先微组织的不同又分为三种 共析钢 wc 0 77 亚共析钢 0 02 wc 0 77 过共析钢 0 77 wc 2 11 3 白口铸铁它是2 11 wc 6 69 的铁碳合金 按其室温下显微组织的不同又分为三种 共晶白口铸铁 wc 4 3 亚共晶白口铸铁 2 11 wc 4 3 过共晶白口铸铁 4 3 wc 6 69 二 典型合金的相变过程 在图5 5中标有 七条垂直的点划线 分别是工业纯铁 碳素钢 白口铸铁三类铁碳合金中七个典型合金所在的位置 1 工业纯铁在平衡状态下的相变过程合金 是工业纯铁中有代表性的合金 它是一种固溶体合金 图5 6a是该合金的相变过程的图示 从图5 5相图上可见 在1点以上均匀的液相 L 1 2点是该合金结晶温度区别 与L两相共存 先形成 相的晶核 后长大成为 固溶体晶粒 到2点结晶终了 全部液相都结晶成 固溶体 在2 3点之间是 固溶体单相区 没有相变 仅是 相简单的冷却 3 4点间 与A两相共存 即冷到3点以下时在 相晶界处先形成奥氏体 A 晶核 后长大成奥氏体晶粒 直到4点 相全部转变成奥氏体相 在4 5点之间时奥氏体单相区 没有相变 仅是A的简单的冷却 5 6点之间A与F两相共存 即冷到5点以下时在奥氏体相的晶界处又形成铁素体 F 晶核 然后长大成F晶粒 直到6点A全部转不变成F 6 7点之间时铁素体 F 的单相区 没有相变 仅是F的简单冷却 7点以下直到室温是F和Fe3C 的两相共存区 即当冷却到7点以下时 F的溶解度小于F中的实际碳的质量分数 多余的碳以三次渗碳体的形式从F中析出 通常分布在F晶界处 随着温度的下降铁素体的溶解度也下降 析出的Fe3C 也增加 直到室温 最后形成F Fe3C 的显微组织 图5 6b是它的金相照片 从上所述可知工业纯铁缓慢冷却的相变过程可以简单地示意为 L A F F Fe3C 室温时工业纯铁显微组织的相组成物与组织组成物都是铁素体和渗碳体 2 共析钢在平衡态下的相变过程图5 5中合金 的wc 0 77 是共析成分的铁碳合金 共析钢 其相变过程见图5 7a从图5 5相图上可看到 在1点以上合金处于均匀的液相状态 在1 2点之间是它的结晶温度区间 是液相与奥氏体相的两相共存区 即当冷到1点以下从液相 L 中产生奥氏体 A 相晶核并长大 冷却直到2点时 全部液相都结晶成奥氏体 2 3点之间是奥氏体单相区 这个温度区间没有相变 只是A的简单冷却 当冷到3点发生共析转变 As P FP Fe3C 奥氏体相变成F和Fe3C的两相机械混合物的珠光体 P 珠光体中的F和Fe3C分别被称为共析铁素体和共析渗碳体 其形态一般情况下是片层状分布 片层位向基本相同的区域称为一个珠光体团 它不是晶粒 珠光体团的边界也不能称作晶界 珠光体中F和Fe3C两相各占的百分数可以用杠杆定理算出 在727 C共折转变刚完成时 F的wc 0 2 所以QF 6 69 0 77 6 69 0 02 88 8 QFe3C 0 77 0 02 6 69 0 02 11 2 随着温度下降直到室温 虽然珠光体的形貌没有什么变化 但是其内部的F由于对碳的溶解度的下降 将析出Fe3C 不过 Fe3C 并不独立于珠光体之外 而是与珠光体内的Fe3C混在一起 因此 冷却到室温时 珠光体内的F和Fe3C的相对质量百分数也要发生变化 这也可以用杠杆定理计算出来 室温时F的wc 0 而Fe3C的碳质量分数不随温度而变 所以 室温时珠光体内F和Fe3C的相对质量百分数是 QF 6 69 0 77 6 69 0 88 5 QFe3C 1 QF 11 5 可见 珠光体中的渗碳体增加了0 3 这个数值与碳质量分数最高的工业纯铁在室温时的Fe3C含量相同 共析钢的相变过程可简单的示意为 L A P F十Fe3C 室温时共析钢显微组织的相组成物是F和Fe3C 组织组成物是P 图5 7b是其金相照片 3 亚共析钢在平衡态下的相变过程图5 5中合金 是wc 0 45 的亚共析钢 其相变过程见图5 8a从图5 5相图L可看到 在1点以上 合金处于均匀的液相状态 在1 3点之间是它的结晶温度区间 其中1 2点之间是L 两相共存区 即合金液相冷却到1点以下 L相按匀晶转变方式先形成 相晶核 然后长大 到2点时仍有部分L相存在 剩余L相的wc 0 53 已生成的 相的wc 0 09 这时 相与包围它的液相发生包晶转变 0 09 L0 53 A0 17 包晶转变之后仍剩有部分液相 因此 在2 3点之间是A L两相共存区 在这个温度区间内随温度下降 剩下的液相按匀晶转变的方式逐渐结晶成A 直到3点剩余液相也全部转变成A 与先前包晶转变的A混合在一起 在3 4点之间是单相A简单冷却 没有相变 当冷到4点以下 在A的晶界上形成F晶核并逐渐长大 这些F称为先共析铁素体 1495 C 在4 5点之间是先共析F和A共存的两相区 随温度下降先共析F相的相对质量分数逐渐增加 剩余的A相的相对质量分数逐渐减少 并且剩余A中的碳的质量分数沿GS线逐渐增加 当温度降到5点 727 C 时剩余奥氏体的Wc 0 77 达到了共折成分 于是 这些剩余的奥氏体就发生了恒温 727 C 的共析转变 转变成珠光体 这时合金 显微组织是先共析FP十P 在温度降到5点之下直到室温 由于碳在F中的溶解度逐渐下降则先共析F中多余的碳以Fe3C 形式析出 因此 在室温下合金 的显微组织是F Fe3C P 但是Fe3C 的含量很少 可以忽略不计 因此 合金 所代表的亚共析钢在室温时的显微组织可近似的看作是F十P 见图5 8b 若Wc 0 45 则F与P在室温下的相对质量白分数可用杠杆定理来计算QF 0 77 0 45 0 77 0 42 QP 0 45 0 0 77 0 58 对于亚共析钢在室温时的组织组成物F和P两者的相对质量百分数是随具体合金的wc变化而变化的 随wc增加QP也增加 在光学显微镜下F是白色的 P是黑色的 因此可观察到F和P各占截面积的比例 由于Fe3C F P的体积质量都很相近 因此截面比可视为质量比 这样 通过光学显微镜观察估计出某一铁碳合金中的P所占比例 就可用杠杆定理估算出该合金的wc 对于亚共析钢其计算可以简化为wc 0 77 QP 因为在室温下F中的wc 0 4 过共析钢在平衡态下的相变过程图5 5中合金 是wc 1 2 的过共析钢 其相变过程的图示 见图5 9a当温度在1点以上合金 是均匀的液相状态 在1 2点之间是该合金的结晶温度区间 是A和L两相共存区 即当温度降到1点以下从L相中按成核长大方式结晶出A相 当温度降到2点则L相全部结晶成单相A 2 3点之间A单相区只有A的简单冷却 无相变 3 4点之间是A和Fe3C 的两相区 即温度降到3点以下 由于碳在奥氏作中的溶解度下降 因而从奥氏体中以二次渗碳体 Fe3C 的形式析出多余的碳 这种渗碳体也称先共析渗碳体 随温度下降Fe3C 的相对质量百分数逐渐增加 而A的相对质量百分数逐渐减少 并且二次渗碳体沿着A的晶界呈网状分布 与此同时A中碳的质量分数沿ES线也不断的减少 当温度降到4点 727 C 时A的Wc 0 77 于是A就发生恒温的共析转变 全部A转变成P 这时合金 的显微组织是P 网状Fe3C 直到室温这个显微组织保持不变 见图5 9b若合金 的wc 1 2 则合金 中的Fe3C 在室温时的相对质量分数可以用杠杆定理计算QFe3C 1 2 0 77 6 69 0 77 7 3 在过共析钢中Fe3C 的相对质量百分数随钢中wc的增加而增加 过共析钢中最高碳的质量分数为wc 2 11 与此相对应的Fe3C 最大相对质量百分数可用杠杆定理算出QFe3C 2 11 0 77 6 69 0 77 22 6 5 共晶白口铸铁平衡态下的相变过程图5 5中合金 是碳的质量分数为共晶成分 wc 4 3 的共晶铁碳合金 其相变过程图示 见图5 10a从相图上可看到当温度在1点 1148 C 之上是均匀的液相 L 状态 当温度降到1点之后发生恒温共晶转变 即L4 3 A2 11 Fe3C Ld 液相全部以共晶转变的方式结晶成高温莱氏体 Ld 组成高温莱氏体的奥氏体和渗碳体分别被称为共晶奥氏体和共晶渗碳体 共晶奥氏体通常以树枝状分布在共晶渗碳体的基体上 但当温度降到1点以下 随温度的下降 碳在奥氏体中溶解度的下降 Ld中的共晶奥氏体也同样会析出Fe3C 并与Ld中作为基体的共晶渗碳体混成一体 在1 2点之间合金 的显微组织是Ld 当Ld中的共晶奥氏体析出Fe3C 时其本身的碳的质量分数也不断下降 当温度降到2点 727 时共晶奥氏体的wc 0 77 随即发生共析转变 共晶奥氏体转变成珠光体 从2点直到室温 合金 的显微组织是在渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体 这种显微组织称为低温莱氏体 也称为变态莱氏体 符号是Ld 见图5 10b 1148 C 6 亚共晶白口铁平衡态下相变过程图5 5中合金 是一种亚共晶白口铸铁 其相变过程 见图5 11a从Fe Fe3C相图上可见 当温度高于1点时合金 处于均匀的液相 L 状态 在1 2之间是合金 的结晶温度区间 是L和A两相共存区 即当温度降到1点以下液相中先以成核长大方式产生A相 称为先共晶奥氏体 随温度下降 先共晶奥氏体相的比例增加 L相比例减少 但是剩余液相的wc沿BC线增加 当温度降到2点 1148 C 时剩余液相的wc 4 3 于是剩余液相发生共晶转变生成高温莱氏体 Ld 当温度低于2点 1148 C 后先共晶奥氏体由于对碳溶解度的下降开始析出Fe3C 并使先共晶奥氏体的wc下降 在2 3点之间合金 的显微组织是A Fe3C Ld 当温度降到3点 727 C 时先共晶奥氏体中的碳的质量分数降到0 77 于是先共晶奥氏体发生共析转变成为珠光体 而高温莱氏体 Ld 也转变成低温莱氏体 Ld 因此 自3点以下直到室温合金 的显微组织是P Fe3C Ld 见图5 11b并且随着亚共晶白口铸铁的wc增加 P和Fe3C 所占比例减少 直到wc 4 3成为共晶白口铸铁时 P和Fe3C 所占比例为0 7 过共晶白口铸铁在平衡态下的相变过程图5 5中合金 是一种过共晶白口铸铁 其相变过程见图5 12a从Fe Fe3C相图上可见 当温度高于1点时合金 处于均匀的液相 L 状态 在1 2点之间是合金 的结晶温度区间 是L和Fe3C 两相共存区 即当温度降到1点以下时 液相中以成核长大方式产生一次渗碳体相 Fe3C 称为先共晶渗碳体 随着温度的下降 Fe3C 不断增加 而剩余的液相不断减少 而且其wc也沿着DC线不断降低 当温度降到2点 1148 C 时剩余液相的 wc也降到4 3 于是剩余的液相发生共晶转变形成高温荣氏作 Ld 2 3点之间的显微组织是先共晶渗碳体和高温莱氏体 Fe3C Ld 当温度降到3点时Ld中的奥氏体变成珠光体 于是高温莱氏体变成低温莱氏体 Ld 从3点直到室温合金 的显微组织是Fe3C Ld 见图5 12b 并且随着过共晶白口铸铁中wc的增加 Fe3C 所占的比例也增加 当wc时 QLd 0 QFe3C 100 四 按组织组成物分区的Fe Fe3C相图 根据以上七个典型合金的相变过程的分析可以把Fe Fe3C乡土中的各个相去进一步细分成按组织组成物分区的相区 见图5 13 五 碳的质量分数对铁碳合金组织与性能的影响 从图5 5和图5 13中可以看出 在室温时随着铁碳合金中wc的增加 合金中的相组成物质虽然都是F和Fe3C这两个相 但是 其相对的质量百分数却是逐渐变化的 铁碳合金在室温时显微组织的组织组成物也随着wc从0增加到6 69 而发生一系列变化 F F Fe3C P F Fe3C P P Fe3C Ld P Fe3C Ld Ld Fe3C Fe3C 见图5 14在室温下 由于铁碳合金的显微组织随wc的变化而变化 所以 它的力学性能也要随wc变化而变化 见图5 15 六 Fe Fe3C相图在工业生产中的应用 Fe Fe3C相图给出了碳的质量分数与钢的组织与性能之间的关系 这便于根据零件所需的使用性能来合理选用适当碳含量的钢 显然相图可与指导我们对钢材的合理选用 Fe Fe3C相图还给出了各种铁碳合金的温度与组织之间的关系 这对指导铸 锻 热处理工艺有直接意义 1 在铸造方面的应用根据相图上的液相线可以确定铸件的合理浇注温度 一般选在液相线之上50 100 2 在锻造方面的应用从F Fe3C相图上可知 当把钢加热到A3和Acm线之上都会变成单相奥氏体 奥氏体状态的刚塑性好 强度较低 很适用于大变形量的热变形加工 从工艺角度考虑既要易于变形加工又要避免晶粒粗大 过热和严重氧化 所以 锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200 3 在热处理方面的应用F Fe3C相图中的A1 A2 A3 Acm三条相变现实确定碳素钢热处理工加热温度的依据 第三节碳素钢 在Fe Fe3C相图中碳的质量分数在0 02 2 11 范围内的铁碳合金属于非合金钢 称为碳素钢 其价格低廉 工艺性好 具有一定使用性能 能满足许多场合的需要 因而在机械制造及其它一些工程中得到广泛使用 一 钢中的常存杂质对钢性能的影响钢在冶炼过程中不可避免地存有杂质 杂质是指一些不作为合金元素的各种元素的统称 对钢性能影响较大的杂质有Si Mn S P和氧 氮 氢等 其中前四种称为常存杂质 是生产中需要经常检查的杂质 1 Mn的影响对于碳素钢锰属于杂质 锰是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素 Mn有较强的脱氧能力 清除FeO可改善钢的品质 降低钢的脆性 锰还可以与钢中有害杂质碳形成MnS 降低S对钢的危害 提高热变形加工的工艺性 锰大部分溶于F 形成含锰的铁素体 使钢强化 也能部分溶于渗碳体 但是锰的质量分数过高会相图中共析点向左下方移动使钢的过热敏感性增加易使晶粒粗大 总的说来锰对钢是有益的 在一般碳素钢中把锰控制在0 25 0 8 范围内 对于某些碳素钢为提高其性能将杂质锰的含量控制在0 7 1 2 称为锰的质量分数较高的碳素钢 2 硅的影响硅主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂 硅比锰的脱氧能力强 可使钢液中FeO变成炉渣脱离钢液 提高钢的品质 硅能溶与铁素体 提高钢的强度 硬度 但会降低钢的塑性和韧性 硅能够使Fe3C稳定性下降 促进Fe3C分解生成石墨 若钢中出现石墨会钢的韧性严重下降 产生所谓的 黑脆 所以 杂质硅在碳素钢中一般控制在0 17 0 37 范围内 特殊需要可至0 03 3 硫的影响杂质硫主要来源于矿石和燃料 S几乎不溶于铁 而于铁形成FeS化合物作为夹杂物存留钢中 FeS熔点为1190 而FeS有能于Fe形成共晶体 其熔点仅是985 见图5 16 由于 F FeS 共晶体的熔点低于钢的热变形加工温度 1000 1200 易使钢在热变形加工中开裂 使钢的 热脆 性增加 除特殊需要 如提高切削工艺性 外 钢中的S含量不大于0 05 前文已说过锰的存在可使硫形成MnS 它的熔点可高达1620 从而可消除由S引起钢的热脆性 MnS在铸态钢中是呈粒状分布于铁素体晶粒内或晶界上 由于MnS有一定的塑性 在轧时被轧成条状 但是若含量较大 它会引起轧钢中F和P呈带状分布 见图5 17 这种带状组织会使热轧也出现个向异性 用有带状组织的钢材加工成的零件虽然切削工艺很好 但是 若进行淬火处理易引起工件开裂 因此钢中的硫含量愈少 钢的品质愈好 硫的含量常被用作衡量钢材质量等级的指标之一 4 磷的影响磷主要是矿石带到钢中的 磷可以固溶到铁素体中提高钢在室温时的强度 但是 磷也易与铁形成极脆的化合物Fe3P 使钢的塑性和韧性显著下降 并且随着钢所处的温度愈低脆性愈严重 磷会引起钢的 冷脆 另外 磷也降低钢的可焊性 磷的有益的一面是能增加钢的耐大气腐蚀的能力 也能提高钢的切削工艺性 但是 若无特殊需要钢中的磷含量最多不超过0 045 磷也是衡量钢材品质的指标之一 5 氧的影响钢液中免不了和大气接触 另外 在炼钢工艺中有氧化过程以降低钢中的碳含量 因此 钢总会有一定的氧 为此在熔炼的后期应加脱氧剂造渣除氧 主要脱氧剂有锰铁 硅铁 铝等 除氧后 钢中仍会有一些氧的化合物以夹杂形式存在于钢中 也有极少量氧固溶到F中 主要氧化物有Fe3O4 FeO MnO Mn3O4 SiO2 Al2O3等 钢中氧化物及其它化合物夹杂的存在会降低钢中的力学性能 尤其是会严重降低钢的疲劳强度 因此 钢的品质检测中规定了夹杂物的控制级别 一般小于3级 杂质氧对钢无益 愈少愈好 6 氮的影响氮杂质主要来源于钢液与大气的接触 氮在铁素体中的最大溶解度为0 1 590 室温下溶解度极小 近于零 若钢由高温快冷到室温时 氮使铁素体处于过饱和状态 如果在200 250 加热 氮会以氮化物形式析出 可增加钢的强度 硬度 但是也降低钢的塑性和韧性 使钢变脆 因200 250 加热会使钢表面氧化成蓝色 所以 称为 蓝脆 7 氢的影响氢杂质也主要来自大气 钢中含有少量的氢就会使钢的脆性显著增加 对此现象称为氢脆 另外 当钢进行热轧或锻造时 若工艺不当 氢杂质可能引起 白点 缺陷 白点会使钢的力学性能严重降低 甚至引起钢材开裂报废 对于大直含铬 钼的合金钢更易产生白点 为了保证钢在使用中不出问题 钢材生产厂都严格按国家标准控制杂质含量和夹杂物的等级 用户也需对进厂钢材进行必要的化学成分及杂质的化学分析 对组织和缺陷及夹杂物作金相检查 对力学性能作材料力学试验 二 碳素钢的分类 钢号和主要用途 为了满足使用的需要 碳素钢有许多品种 为了生产 使用和管理必须对碳素钢进行分类并确定钢的牌号 碳素钢的分类分类的方法很多 常见的方法有以下几种 按钢中碳含量的多少分 可分为 低碳钢wc 0 25 中碳钢0 25 wc 0 6 高碳钢wc 0 6 按钢的质量分 可分为 普通钢ws 0 05 wp 0 045 优质钢ws 0 035 wp 0 035 高级优质钢ws 0 02 wp 0 03 按钢的用途分 主要有 碳素结构钢 GB700 88 见表5 3 优质碳素结构钢 GB699 88 见表5 4 碳素工具钢 GB1298 86 见表5 5 一般工程用铸造碳素钢件 GB11352 89 见表5 6 按炼钢时的脱氧程度分 可分为 沸腾钢是脱氧不彻底的钢 代号F 镇静钢是脱氧彻底的钢 代号Z 半镇静钢是脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 代号为b 特殊镇静钢进行脱氧的钢 代号为TZ 碳素钢的钢号和命名方法和主要用途 碳素结构钢这类钢主要用于各类工程 应用量很大 对这类钢通常是热轧后空冷供货 用户一般不需要再进行热处理而是直接使用 所以 这类钢的钢号主要是以其力学性能中的屈服点来命名 具体命名方法如下 标志符号Q 最小 s值 等级符号 脱氧程度符号 这类钢的标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q 等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号 也是按S P杂质多少来分 以A B C D四个符号代表四个等级 其中 A级ws 0 05 wp 0 045 B级ws 0 045 wp 0 045 C级ws 0 04 wp 0 04 D级ws 0 035 wp 0 035 这类钢中质量等级最高级 D级 达到了碳素结构钢的优质级 其余A B C三个等级均属于普通级范围 从这类钢的钢号中 人们可以直接知道钢的最低屈服点 质量等级和脱氧程度 用起来很方便 例如 Q235 AF 此钢 s 235Mpa 质量等级为A级 S P杂质含量较多 脱氧不充分的沸腾钢 这类钢中共分五个强度等级 见表5 3 这类钢适用于一般工程结构所需的热轧钢板 钢带 钢管 盘条 型钢 棒钢等 可供焊接 铆接 栓接等构件使用 其中 Q195 Q215 A Q215 B碳的含量较低 塑性好 强度低 一般用于螺钉 螺母 垫片 钢窗等强度要求不高的工件 Q235 A Q255 A可用于农机具中不太重要的工件 如拉杆 小轴 链等 也可常用建筑钢筋 钢板 型钢等 Q235 B Q255 B可作为建筑工程中质量要求较高的焊接构件 在机械中可用作一般的转动轴 吊钩 自行车架等 Q235 C Q235 D质量较好 可作一些较重要的焊接构件及机件 Q255 Q275强度较高 可作摩擦离