蔡启舟-工程材料学(ii)第四章

第四章铁碳合金,铁碳合金组元及基本相Fe-Fe3C相图分析铁碳合金的平衡结晶过程及其组织含碳量对组织和性能的影响钢中的杂质元素及钢锭组织碳钢,2,第一节铁碳合金的组元及基本相,1.1组元,Fe铁是过渡族元素,熔点或凝固点为1538,相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后,继续冷却到1394及912时,先后发生两次同素异构转变。,1394,(1)纯铁,铁的同素异构转变,3,工业纯铁：Fe99.899.9%，杂质0.10.2%，主要是碳。,抗拉强度b176274MPa屈服极限0.298166MPa延伸率3050%断面收缩率7080%冲击韧性ak160200J/cm2硬度5080HBS,主要机械性能如下：,纯铁的性能与应用,纯铁的塑性和韧性很好，但其强度很低，很少用作结构材料。纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性。工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率，可用于要求软磁性的场合，如各种仪器仪表的铁心等。,4,定义：Fe与C所形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：HBS=800，0，0硬而脆钢中强化相（耐磨性好）Fe3CFe+C（石墨）弱的铁磁性(230)理论计算其熔点为1227可用符号Cm(Cementite),(2)渗碳体（Fe3C）,5,(2)-铁素体,又称高温铁素体，是碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1394以上存在。碳的最大溶解度：0.09%(1495)。,1.2基本相,液相是铁与碳在高温下的液溶体，相图中标记L(Liquid)。,(1)液相,Fe3C相是一个化合物相，渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，是钢中主要的强化相，对铁碳合金的力学性能有很大影响。,(3)渗碳体（Fe3C或Cm）,6,定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）晶格结构：fcc溶解度：0.77%(727)2.11%(1148),(4)奥氏体（A或）,奥氏体的金相组织,7,定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体。晶格结构：bcc最大溶解度：0.0218%（727），室温时仅0.0008%。,铁素体的金相组织,(5)铁素体（F或）,(6)石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。将在铸铁一章中讲解。,8,第二节FeFe3C合金相图分析,2.1相图形式,点：14个。线：三条等温转变线；液相线、固相线其余线：GS,ES,PQ相区：5个单相区7个两相区3个三相区,9,2.2铁碳合金三相平衡转变,(1)包晶反应,这是一包晶反应，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。,10,当含碳量为0.17%，进行包晶反应时，奥氏体沿相与液相的界面生核，并向相和液相两个方向长大。包晶反应终了时，相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量在0.090.17之间的合金，由于铁素体的量较多，当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分铁素体。这部分相在随后的冷却过程中，通过同素异构转变而变成奥氏体。含碳量在0.170.53之间的合金，由于反应前的相较少，液相较多，所以在包晶反应结束后，仍残留一定量的液相，这部分液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体。,11,共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体，记录Ld(Ledeburite),(2)共晶反应,12,共析反应，产物为两相层片交替分布的共析体组织称为珠光体，记录P(Pearlite),(3)共析反应,13,不同放大倍数下的珠光体组织,14,2.3Fe-Fe3C相图特性点、特性线及相区,(1)14个特性点,15,16,AB、BC、CD线为液相线，AH、JE、ECF线为固相线。HJB为包晶反应线ECF为共晶反应线,(2)相图中的特性线,17,PSK为共析反应线(A1线)ES线为碳在奥氏体中的溶解度曲线(Acm)PQ线为碳在铁素体中的溶解度曲线GS线是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的温度线，通常称A3线,18,(3)相图中相区,五个单相区：液相区L高温固溶体奥氏体(A)铁素体(F)渗碳体Fe3C,七个双相区：LLLFe3CFe3CFe3C,三个三相区：HJB线LECF线LFe3CPSK线Fe3C,19,第三节铁碳合金平衡结晶过程分析,铁碳合金按组织、性能、应用特点分为以下类型：工业纯铁(C%2.11%)亚共晶白口铸铁(2.11%2.11%)亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁(第十二章),20,3.1工业纯铁(C%0.02%),含碳量大于Q点(0.008%)时，理论上将从-Fe中析出的Fe3C称为三次渗碳体。,21,但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。通常的组织为单一铁素体。,室温下三次渗碳体含量最大的是wc=0.0218wt%的铁碳合金，其百分含量为:w(Fe3CIII)=0.0218/6.69100%0.33%,22,3.2共析钢(C%0.77%),相转变过程,组织组成物：P(层片状)100%,23,共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比两相的厚度比8:1。,相组成物：,24,3.3亚共析钢(0.0218%C0.77%),组织组成物？相组成？,相转变过程,25,含0.4%C的亚共析钢的组织组成物为和P,它们的质量分数为：,钢的组成相为和Fe3C,它们的质量分数为：,(以上计算为室温条件下),26,0.20%C,0.40%C,0.60%C,随着含碳量的增加，组织中的珠光体量增加,27,3.4过共析钢(0.77%C2.11%),相转变过程,28,说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。,含1.2%C的过共析钢的组织组成物为Fe3CII和P。,相组成物为和Fe3C,29,在过共析钢中，二次渗碳体的数量随钢中含碳量的增加而增加，当含碳量较多时，除了沿奥氏体晶界呈网状分布外，还在晶内呈针状分布。当含碳量达到2.11%时，二次渗碳体的数量达到最大值，其含量可用杠杆定律求得：,30,3.5共晶白口铁(C%=4.3%),共晶温度：1148共晶反应：,高温莱氏体Ld,727时，奥氏体发生共析转变，高温莱氏体转变为变态莱氏体（珠光体、共晶渗碳体）,31,珠光体：黑色斑点或条块状Fe3C基体：白色,变态莱氏体的组织特征是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上。,组织组成物为：,相组成物：、Fe3C、,32,3.6亚共晶白口铁(C%=2.114.3%),组织转变：,33,室温平衡组织：,黑色带树枝状特征的是P，分布在P周围的白色网是Fe3C，具有黑白斑点状特征的是变态莱氏体。,3.0%C铸铁的组织组成物中初生奥氏体的含量为：,莱氏体含量：,从奥氏体中析出二次渗碳体的含量：,34,3.7过共晶白口铁(C%=4.36.69%),组织转变：,35,白色条状特征的是一次Fe3C，具有黑白点条状特征的是,组织组成物：,相组成物：、Fe3C,36,第四节碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响,4.1对平衡组织的影响,37,组织特征、组织组成物、相组成物,38,4.2对力学性能的影响,硬度、强度、塑性、韧性,HB：取决于相及相对量,含碳量性能,强度：C%,0.9%,塑性、韧性：C%塑性、韧性,39,4.2对工艺性能的影响,(1)切削加工性能,切削加工性能的评价：允许的切削速度、切削力、表面粗糙度。,材料的硬度太软，容易粘刀，切削热大，影响表面粗糙度;材料的硬度太硬，刀具磨损严重。钢的硬度在250HBw左右时，切削加工性最好。奥氏体钢的导热性差，切削加工性差。晶粒尺寸，粗晶易断屑，切削加工性较好。渗碳体的形态，过共析钢为片状珠光体+二次渗碳体，加工性能很差，若组织为粒状珠光体，则可改善切削加工性。,40,对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度也不能过低，以免产生裂纹。,(2)可锻性,金属的可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。,41,(3)可焊性,钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢主要是低碳钢和低碳合金钢。,金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的倾向性为其技术判断指标。,42,(4)铸造性能,金属的铸造性包括，金属的流动性、收缩性和偏析倾向。,流动性：液相线和固相线距离越大，流动性差，分散缩孔多，偏析大，铸造性越差。所以，钢的铸造性差。共晶成分的铸铁流动性好，缩孔集中，铸造性好；,收缩性,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。共晶成分铸铁的偏析最小。,液态收缩、凝固收缩、固态收缩。影响因素：浇注温度、含碳量,43,4.3Fe-Fe3C相图的应用,在钢铁材料选用方面的应用；在铸造工艺方面的应用；在热锻、热轧工艺方面的应用；在热处理工艺方面的应用。,44,在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点：Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态,如含有其它元素,相图将发生变化。Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态,若冷却或加热速度较快时,其组织转变就不能只用相图来分析了。,45,第五节钢中的杂质元素及钢锭组织,碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶金必然带来的材料中存在，且对性能有一定影响其他元素，在碳钢中一般指：Si、Mn冶金时自然存在对性能无不利影响而保留，S、P冶金时难以彻底清除而存在于钢中。一般钢中大致含量：,46,(1)锰有益元素(0.250.50%)a.脱氧剂：减少FeO降低脆性，b.脱硫剂：Mn+SMnSMn能与S亲合力大，形成MnS，其熔点高(1620)，常呈粒状分布在晶内，且具有一定的塑性，可降低FeS的有害作用，改善热加工性能c.固溶强化：使性能更优。Mn可以溶于铁素体中，强化钢；Mn可以增加珠光体相对含量，并使珠光体细化，钢强度提高。,5.1钢中的杂质元素,47,(2)硅有益元素(0.250.30%)a.脱氧降低脆性b.固溶强化Si溶于铁素体中，提高钢的强度硬度和弹性；但硅使钢的塑性韧性降低，一般控制钢中含量小于0.35%。,48,硫在钢中与Fe形成FeS，FeS又与Fe形成低熔点989的共晶体，并常分布在晶界，当钢在1000以上热加工时，低熔点的共晶熔化，导致钢沿晶界开裂，使钢产生“热脆”性。加入Mn：Mn与S形成高熔点的MnS(1620)，可消除硫的有害作用（除硫）,(3)硫,49,磷能部分溶入铁素体中，部分形成脆性很大的化合物Fe3P，使钢在常温下塑性、韧性急剧下降，脆性转化温度提高，,(4)磷,50,(5)氮,来源：空气中的氮气在电弧作用下离解为氮离子而溶解的。形成化合物：Si3N4、ZrN、AlN。,少量氮化物具有细化钢的晶粒，能提高机械性能的作用；但当钢中氮化物数量多时，会使钢的塑性和韧性降低。为了避免氮对钢的性能的不利作用，应尽量控制钢N0.02%。,51,来源：空气中所含的水蒸气在电弧的作用下离解而产生的。危害：冷却速率较小，以气泡的形式析出，在铸件中形成气孔。凝固速率快，过饱和的氢分子来不及脱溶，而在铁的晶格内造成应力，则会降低钢的韧性，严重时会使钢脆化，称为“氢脆”。,(6)氢,氧在钢中存在的形态与氢、氮不同，它不是以原子形态存在，而是以氧化铁FeO的分子形态存在。氧化铁本身是一种非金属夹杂物，钢液凝固后，处于钢的晶粒边界，降低钢的力学性能。此外，当钢液中含氧量多时，还会与钢中的碳发生反应，生成一氧化碳气体，在铸件中形成气孔。,(7)氧,52,来源：在炼钢过程中产生的，也有的是在浇注过程中钢液二次氧化或钢液冲蚀铸型而形成的。分类：硫化物类(呈条状沿晶界分布)氧化铝类(呈链状沿晶界分布)这两类夹杂危害较大硅酸盐类(呈多角形以孤立状态分布)球状氧化物(孤立状态分布),(8)非金属夹杂物,a.FeS夹杂物b.Al2O3夹杂物c.球形夹杂物,53,5.2钢锭的宏观组织及其缺陷,根据钢中的含氧量和凝固时放出CO的程度，可将钢分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。,镇静钢：浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，氧的质量分数不超过0.01%(0.002%-0.003%)，钢液中不析出一氧化碳，成分均匀，组织比较致密。,沸腾钢：脱氧不完全的钢；仅用少量Al进行轻度脱氧(含氧量0.03%-0.07%)，浇注时钢中氧与碳发生反应，析出大量一氧化碳气体，引起钢的沸腾。凝固后，未排除的气体在钢中形成气泡，补偿了凝固收缩，头部没有集中缩孔，轧制时切头率低，成材率高。,54,(1)镇静钢,宏观组织特征和纯金属铸锭基本相同。,表层细晶区是紧靠铸型壁的激冷组织，也称激冷区，由无规则排列的细小等轴晶所组成。柱状晶区由垂直于型壁（沿热流方向）彼此平行排列的柱状晶粒所组成。中心等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。等轴晶的尺寸比表面细晶粒区的晶粒尺寸粗大。,55,主要缺陷：,缩孔,凝固后体积收缩留下的空腔。在开坯时应将缩孔切除干净，如果切头时未被除净，遗留下的残余部分称为缩孔残余。,微小分散的收缩孔，枝晶间或晶粒间凝固的封闭而得不到液体补充而留下的缺陷。轧制可减小或消除其部分不利影响。,缩松,56,偏析,V型偏析,气孔(气泡),方框形偏析,点状偏析,皮下气孔暴露于钢锭表面，内壁被氧化，压力加工不能焊合，须清除。内部气孔钢锭内部，呈蜂窝状，未被氧化，热加工可以焊合。,57,(2)沸腾钢,坚壳带：急冷等轴细晶层(要求不小于15-20mm)。蜂窝气泡带：分布在柱状晶带内的长形气泡所构成。中心坚固带：浇注完毕，钢锭头部封顶，碳氧反应受抑制，气泡停止生成，这时形成没有气泡的由柱状晶粒组成的中心坚固带。二次气泡带：结晶过程中晶粒收缩在柱状晶之间形成小空隙，促使碳氧反应在此处重又发生，但生成气泡不能排除，呈圆形留在锭中，形成二次气泡带。锭心带：由粗大等轴晶组成，分散的小气泡。,由表面到心部由五个带组成：,58,6.1碳钢的分类,按含碳量分：低碳钢wC0.25%中碳钢0.25%0.6%,按质量用途分：普碳钢普通碳素结构钢碳结钢优质碳素结构钢碳工钢碳素工具钢,按质量分：普通碳素钢wP0.045%,wS0.055%优质碳素钢wP0.040%,wS0.040%高级优质碳素钢wP0.035%,wS0.030%,冶炼方法：沸腾钢半镇定钢镇定钢,第六节碳钢,59,6.2普通碳素结构钢,早期牌号：A1、A2、A3、A7，数字越大，强度越高，相应塑性就低一些。,牌号,近代推荐：Q195、Q215、Q235A、Q255B、Q275，Q的含义为“屈”，数字为钢的屈服强度，MPa。A、B、C、D表示钢材质量等级，P、S量依次降低。,特点：检查标准为仅检查材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型材(钢板、圆、扁、管、角)。钢厂出厂状态为热轧制后在空气中自然冷却(正火)。,用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。,60,常用碳素结构钢Q195、Q215、Q235A、Q235B塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。Q235、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。,这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。,钢板、钢筋,螺钉、铆钉,钢桥梁,61,6.3优质碳素结构钢,牌号,08、08F、10、15、20、45、50、65，数字为钢中C的含量(万分之几)基本范围，0.05一档。对其中含S、P较低的优质钢后加字母A，如45A。,出厂检验要求保证化学成分为主，力学性能为辅助检验项目。钢厂出厂时保证碳的含量，为达到相应的力学性能指标，其他元素各厂有少量的差异。,特点,优质碳素结构钢主要用来制造机器零件，一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈