第四章 铁碳相图

第四章Fe Fe3C相图 Fe Fe3Cphasediagram 4 1铁碳合金的组元及基本相4 2Fe Fe3C相图分析 4 3铁碳合金平衡结晶过程 4 4含C量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 4 5钢中的杂质元素及钢锭组织 6 69 C 渗碳体是个亚稳定的相 石墨才是稳定的相 但石墨的表面能很大 只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低 碳才能以石墨的形式存在 因此 铁碳相图有两类 液体 固溶体和渗碳体之间亚稳平衡 是紧靠铁端部分 其中C含量的范围是0 6 69 液体 固溶体和石墨之间的稳定平衡 其中C含量的范围是0 100 4 1铁碳合金中的组元及基本相4 1 1纯铁 iron 1394 1538 912 Fe Fe Fe 力学性能 b 176 274MPa 0 2 98 166MPa 30 50 70 80 HB 50 80aK 1 5 2MNm m2应用 主要应用于电子材料 作为铁芯 碳在 Fe中的间隙固溶体称为 铁素体 简称为铁素体 最大溶碳量为727 时的wc 0 0218 最小为室温时的wc 0 0008 性能为 b180 280MPa 0 2100 170MPa 30 50 k160 200J 2 硬度 80HB 碳在 Fe中形成的间隙固溶体称为 铁素体 最大溶碳量为1495 时的0 09 铁素体 Ferrite 碳在 Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体 A 最高溶碳量为1148 时的wc 2 11 奥氏体具有高塑性 低硬度和强度 其力学性能为 b400MPa 40 50 170 220HB 奥氏体主要存在于727 以上的高温范围内 利用这一特性 工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形 奥氏体 Austenite 4 1 2渗碳体 Cementite 渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵 化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物 用符号Fe3C表示 其含碳量为wc 6 69 渗碳体具有很高的硬度和耐磨性 脆性很大 其力学性能指标大致为 硬度800HB 抗拉强度 b 30MPa 伸长率 0 冲击韧度 k 0 珠光体 Pearlite F Fe3C的一种机械混合物 用符号P表示 其组织为层片状结构 综合了铁素体和渗碳体优点 其综合力学性能好 莱氏体 Ledeburite 莱氏体是由A Fe3C组成的一种机械混合物 用符号Ld表示 其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体 主要体现了渗碳体特点 硬而脆 4 2Fe Fe3C相图分析 液相线 ABCD固相线 AHJECF五个单相区 L 和Fe3C七个两相区 L L L Fe3C Fe3C Fe3C两条磁性转变线 MO 铁素体的 及过230 的虚线 渗碳体的 三条水平相变线 HJB 包晶转变线ECF 共晶转变线PSK 共析转变线 4 2 5三条重要的特性曲线 GS线 A3线 冷却过程中奥氏体析出铁素体的开始线 ES线 Acm线 C在奥氏体中的溶解度曲线 PQ线 C在铁素体中的溶解度曲线 共晶反应析出的Fe3C为一次渗碳体 奥氏体中析出的Fe3C为二次渗碳体 铁素体中析出的Fe3C为三次渗碳体 4 3铁碳合金的平衡结晶过程及组织 工业纯铁 iron C 0 0218 钢 steel C 0 0218 2 11 又分为 共析钢 eutectoidsteel C 0 77 亚共析钢 hypeutectoidsteel C 0 0218 0 77 过共析钢 hypereutectoidsteel C 0 77 2 11 铸铁 castiron C 2 11 6 69 有较好的铸造性能 质脆 不能锻造 又分为 共晶铸铁 eutecticcastiron C 4 30 亚共晶铸铁 hypoeutecticcastiron C 2 11 4 30 过共晶铸铁 hypereutecticcastiron C 4 30 6 69 4 3 1工业纯铁 Wc 0 0218 纯铁组织金相图 4 3 2共析钢 Wc 0 77 共析钢组织金相图 相组成 Fe3C组织组成 P 共析钢 Wc 0 77 4 3 3亚共析钢 Wc 0 45 亚共析钢组织金相图 组织组成 P 亚共析钢 Wc 0 45 相组成 Fe3C a 含碳量0 20 b 含碳量0 40 c 含碳量0 60 a b c 4 3 4过共析钢 Wc 1 2 过共析钢组织金相图 组织组成 Fe3C P 过共析钢 Wc 1 2 相组成 Fe3C a 硝酸酒精浸蚀b 苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体浅白色为殊光体 4 3 5共晶白口铸铁 Wc 4 3 共晶白口铸铁组织金相图 组织组成 Fe3C P Ld 共晶白口铸铁 Wc 4 3 相组成 Fe3C 4 3 6亚共晶白口铸铁 Wc 3 0 亚共晶白口铸铁组织金相图 组织组成 Fe3C P Ld 亚共晶白口铸铁 Wc 3 0 相组成 Fe3C 4 3 7过共晶白口铸铁 Wc 5 0 过共晶白口铸铁组织金相图 组织组成 Fe3C Ld 过共晶白口铸铁 Wc 5 0 相组成 Fe3C 总结 从Fe Fe3C相图可知 铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体 并且随含碳量的增加 渗碳量不断增多 而室温组织组成物却有 Fe3C P Fe3C Fe3C 和Ld Fe Fe3C相图 A C D E F G S P Q 1148 727 L A L A L Fe3C 6 69 C A Fe3C Ld Ld Fe3C A Ld Fe3C F A F A Fe3C F Fe3C P P F P Fe3C Ld Ld Fe3C P Ld Fe3C K 共晶相图 共析相图 匀晶相图 P Fe3C 4 4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 4 4 1碳对平衡组织的影响 相组成相对量图表 4 4 2碳对力学性能的影响 纯铁与珠光体性能对比 纯铁 b 176 274MPa 0 2 98 166MPa 30 50 70 80 HB 50 80 珠光体 b 1000MPa 0 2 600MPa 10 12 15 HB 241 4 4 3碳对工艺性能的影响 1 切削加工性能 2 可锻性钢的可锻性首先与含碳量有关 低碳钢的可锻性较好 随着含碳量的增加 可锻性逐渐变差 奥氏体具有良好的可锻性 易于塑性变形 因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区 终锻温度不能过低 以免塑性变差 3 铸造性 包括金属的流动性 收缩性和偏析倾向 1 流动性 C量增加 结晶温度间隔增大 流动性应该变差 但是 随C量增加 液相线温度降低 因此 同样浇铸温度下 含C量高的钢过热度大 对钢液的流动性有利 铸铁液相线较低 流动性比钢好 共晶成分铸铁流动性最好 2 收缩性 两个主要影响因素 化学成分和浇注温度 化学成分一定 浇注温度越高 液态收缩越大 浇注温度一定 碳含量增加 体积收缩增大 固态收缩减小 3 偏析倾向 固液相线的水平距离和垂直距离越大 偏析越严重 铸铁成分越靠近共晶点 偏析越小 炼钢脱氧时 Mn可把FeO还原成铁 并形成MnO 降低钢种脆性 提高强度和硬度 Mn还可与钢液中的S形成MnS 熔点 1600oC 一定程度上消除S的影响 这些反应产物大部分进入炉渣 小部分残留在钢中成为非金属夹杂物 1 Mn的影响 4 5 4 5 1钢中常见杂质元素 残余的Mn 凝固后溶于奥氏体或铁素体中 起固溶强化作用 还可溶于渗碳体 形成合金渗碳体 Fe Mn 3C 是钢中的有益元素 钢中Si含量通常小于0 5 脱氧时进入 形成SiO2进入炉渣或者成为非金属夹杂物 Si同样可以溶于奥氏体或铁素体中 起固溶强化作用 含量不超过1 时 不降低钢的塑性和韧性 所以 认为Si是钢中的有益元素 2 Si的影响 冷镦件和冷冲压件的钢材 因Si对铁素体的强化作用 使钢的弹性极限升高 以至在加工过程中造成模具的磨损过大 动力消耗过大 因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低 不脱氧的沸腾钢 硅钢中的Si 提高铁的电阻率和最大磁导率 降低矫顽力 铁芯损耗和磁时效 S可溶于液态铁中 但在固态铁中的溶解度极小 并可与铁形成FeS FeS与 铁形成熔点为989 的 Fe FeS 的共晶体 这种共晶体将在钢液凝固后期凝固 并存在于奥氏体枝晶间 Fe FeS 共晶体的量很少 几乎都是离异共晶 网状FeS对钢的力学性能损害极大 3 S的影响 如果钢中存在 Fe FeS 共晶体 在加热到1150 1200 之间时 会成为液体 变形过程中会开裂 称这种现象为热脆或红脆 如果钢液脱氧不良 含较多FeO 还会形成熔点更低的 Fe FeO FeS 三相共晶体 其危害更大 可以加Mn防止 MnS 所以 S是一种有害元素 普通质量钢中其含量 0 055 优质钢中其含量在0 040 以下 高级优质钢则 0 030 要求更高时 甚至限制其含量 0 020 高硫钢又称高硫合金钢 HS 与传统的纯净钢概念相对应 在传统钢材中 一般钢的含硫量必须低于0 004 优质钢不得高于0 003 而在高硫钢中 含硫量在0 5 11 之间 以含硫30 32 的硫铁为主要原料 用电弧炉 加入废钢和所需合金元素 1600 1650 时加入硫铁 最后加入脱氧剂 镇静后出钢 钢中含硫量0 5 11 耐磨性提高 可取代钢 铁 铜及其铜合金 各种机器的轴瓦 蜗轮 滑块等 的耐磨制品 延长使用寿命 高硫钢具有耐高温 自润滑 耐磨损 抗粘结 咬和 的优良性能 它可以广泛应用于钢铁 机械 矿山 油田 港口 汽车 农用车 结构件 高硫合金钢取代低硫合金钢 并具有长的使用寿命 4 P的影响 由于Fe P相图中液相线和固相线距离很大 因此P在Fe中具有很强的偏析倾向 在铁基合金中 P对铁素体较之其它元素具有更强的固溶强化能力 但在P含量较高时 它会剧烈地降低钢的塑性和韧性 P会降低钢的冲击韧性 提高钢的韧脆转化温度 提高钢的冷脆 P还会使钢发生蓝脆现象 蓝脆就是指钢在加热到150 300 时 产生硬度升高 塑性 韧性下降的现象 这是因为在空气中加热到150 300 时 由于氧化作用 钢的表面呈现蓝色 蓝脆一般是有害的 因此 在含量较高时 P是一种有害元素 一般情况下 普通钢的P含量限制在0 045 以下 优质钢在0 04 以下 高级优质钢在0 035 以下 高P钢也可被利用 1 在炮弹钢中加入较多的P 可使炮弹在爆炸时产生更多的弹片 杀伤更多的敌人 2 在易削钢中使铁素体适当脆化 提高切削加工零件的表面光洁度 3 P和Cu一起加入钢中 可以提高钢在大气中的抗蚀性 2020 4 21 12 31 05 高强深冲钢及P的作用 随着汽车工业的快速发展和节约能源 减轻汽车自重的需要 高强度深冲钢成为研发热点 目前日本开发的含P深冲钢 屈服强度 235MPa抗拉强度 390MPa 平炉钢 0 001 0 008 纯氧顶吹转炉钢 0 003 0 006 电炉钢 0 008 0 03 5 N的影响 将含N较高的钢从高温快速冷却 淬火 就会得到N的过饱和固溶体 室温下长期放置或稍微加热 N就会以FeN的形式析出 使钢的强度 硬度增高 塑性 韧性降低 这种现象叫做淬火时效 可以加入足量的Al 与N形成AlN 固定N 从而减弱或消除时效现象 AlN还可以细化晶粒 含有N的低碳钢在冷塑性变形后 性能将随时间变化 即强度 硬度增高 塑性 韧性降低 这种现象叫做应变时效 H溶入钢中使钢的塑性和韧性降低 氢脆 H由原子态变为分子态 体积膨胀形成裂纹 白点 6 H的影响 白点对钢的性能影响 使钢的力学性能大大下降 造成工件开裂 破坏或使用中严重失效 故在任何情况下 凡有白点的钢材或工件都被禁止使用 平炉钢 0 02 0 03 电炉钢 0 01 0 02 侧吹碱性转炉钢 0 04 0 07 700 时 铁能溶氧0 008 500 以下降至 0 001 常见的氧化物有Al2O3 MnO SiO2 FeO等 往往还会形成复合氧化物或硅酸盐 7 O的影响 4 5 2钢锭的组织及其宏观缺陷 按浇注前钢液的脱氧程度钢锭分为 镇静钢 钢液浇注前用锰铁 硅铁 铝进行充分脱氧 浇注时钢液不发生碳 氧反应 处于镇静状态 沸腾钢 冶炼过程中仅用少量锰铁轻度脱氧 钢液含氧量高 浇注时发生碳 氧反应 析出大量CO气体 引起钢液沸腾 半镇静钢 介于镇静钢与沸腾钢之间 镇静钢半沸腾钢沸腾钢 通常注成上大下小带保温帽的锭型 浇注时钢液镇静不沸腾 由于锭模上部有保温帽 在钢液凝固时作补充钢液用 这节帽头在轧制开坯后需切除 故钢的收得率低 但组织致密 偏析小 质量均匀 优质钢和合金钢一般都是镇静钢 1 镇静钢 镇静钢锭上部硫磷杂质较多 而下部的硅酸盐夹杂较多 中间部分质量最好 常见缺陷 缩孔和疏松 气泡 偏析 与合金凝固过程中的缺陷及形成原因相同 外壳层凝固速率很大 成分和钢的平均成分相同 在柱状晶形成和成长期间 杂质和合金元素富集在柱状晶间的隧道中 同时在钢锭中液相发生扩散以及钢液的循环流动 把柱状晶前沿富集杂质和合金元素的钢液带到锭子的心部 形成正偏析 在中心等轴晶形成期间 发生游离晶体下沉 游离晶体含杂质及合金元素少 它的下沉引起钢锭下部的负偏析 锭子的上部最后凝固 浓集了杂质和溶质 发生正偏析 钢锭心部大小不同枝晶的沉积 沉积层发生凝固收缩时 枝晶的沉积层妨碍钢液穿过 于是形成 形偏析带 中心等轴晶带结晶初期晶体下沉时 被排挤的一部分钢液上升 这部分富集杂质及合金元素的钢液被仍在生长的柱晶带留住 形成了 形偏析带 一般皆为低碳钢 它是脱氧不完全的钢 浇注时钢水在锭模中放出大量一氧化碳气体 造成沸腾现象 与镇静钢比较 这种钢的收率大 成本低 表面质量好 但其内部质量不均匀 2 沸腾钢 坚壳带 致密细小的等轴晶粒所组