含碳量对组织和性能的影响

1、1234.44.44含碳量与含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系 5 含碳量对碳钢机械性能的影响含碳量对碳钢机械性能的影响n 在在C%1%后，随含碳后，随含碳量的增加，钢的硬度增加，量的增加，钢的硬度增加，但强度、塑性、韧性降低但强度、塑性、韧性降低n 这是因为这是因为Fe3C成连续成连续网状分布，进一步破坏了网状分布，进一步破坏了铁素体基体之间的连接作铁素体基体之间的连接作用所造成。用所造成。6n 碳碳(C)、硅、硅(Si)、锰、锰(Mn)、磷、磷(P)、硫、硫(S)通常被称为通常被称为钢铁材料的五大元素钢铁材料的五大元素

2、。n C，Si，Mn对钢铁材料是有益的，称为对钢铁材料是有益的，称为合金元素合金元素；n P和和S则是有害元素，称为则是有害元素，称为杂质元素杂质元素。 n N、H、O等元素的影响。等元素的影响。4.54.5（1 1）合金元素与杂质元素）合金元素与杂质元素7n锰在钢中的存在也属于有益元素，它与氧有较强的亲合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。力，具有较好的脱氧能力，在炼钢时作为脱氧剂加入。n另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成MnS，起，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影响。到去硫作用，大

3、大的消除了硫的有害影响。n钢中的含锰量一般为钢中的含锰量一般为0.250.80%，它一部分溶入铁素体，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（体形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C，使钢具有较高的强度；，使钢具有较高的强度；n另一部分锰与硫形成另一部分锰与硫形成MnS，与氧形成，与氧形成MnO，这些非金属，这些非金属夹杂物大部分进入炉渣。夹杂物大部分进入炉渣。（1）锰的影响）锰的影响8n硅在钢中的存在属于有益元素，由于它与氧有很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

4、炼钢时作为大的亲合力，具有很好地脱氧能力。在炼钢时作为脱氧剂加入，脱氧剂加入，Si+2FeO=2Fe+SiO2，硅与氧化铁反，硅与氧化铁反应生成二氧化硅（应生成二氧化硅（SiO2）非金属夹杂物，一般大部）非金属夹杂物，一般大部分进入炉渣，消除了分进入炉渣，消除了FeO的有害作用。但如果它以的有害作用。但如果它以夹杂物形式存在于钢中，将影响钢的性能。夹杂物形式存在于钢中，将影响钢的性能。n碳钢中的含硅量一般碳钢中的含硅量一般Si%0.4%，它大部分溶入铁，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。钢具有较高的强度。（2

5、）硅的影响）硅的影响9（3）硫的影响）硫的影响10n硫在钢中是有害的杂质。硫在钢中是有害的杂质。n液态时液态时Fe、S能够互溶，固态时能够互溶，固态时Fe几乎不溶解硫，几乎不溶解硫，而与硫形成熔点为而与硫形成熔点为1190的化合物的化合物FeS。形成的共。形成的共晶体（晶体（-Fe+FeS）以离异共晶形式分布在）以离异共晶形式分布在 -Fe晶晶界处。界处。n若将含有硫化铁共晶体的钢加热到轧制、锻造温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，这种现象称为钢的晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆热脆”或或“红

6、红脆脆”。11（4）磷的影响）磷的影响12n磷在钢中的存在一般属于有害元素。磷在钢中的存在一般属于有害元素。n在在1049时，磷在时，磷在Fe中的最大溶解度可达中的最大溶解度可达2.55%，在室温时溶解度仍在，在室温时溶解度仍在1%左右，因此磷具左右，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，这种现象称为使钢的脆性转折温度急剧升高，这种现象称为冷冷脆脆。 13（5）氮的影响）氮的影响Fe-NFe-N相图相图14n氮在钢中的存在一般认为

7、是有害元素。氮在钢中的存在一般认为是有害元素。nN在在中的最大溶解度在中的最大溶解度在650为为2.8%N，在，在中的最大中的最大溶解度在溶解度在590约为约为0.1%N,而在室温时的溶解度很小低而在室温时的溶解度很小低于于0.001%N，因此将钢由高温快速冷却后，可得到溶氮，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，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在室温长时间放置时N将以将以Fe4N的形式析出，使钢的强的形式析出，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性降低，这种现象称为度、硬度升高，塑性、韧性降低，这种现象称为时效硬时

8、效硬化化。n为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或加入加入Al、V、Nb、Ti等元素，使它们优先形成稳定的氮等元素，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。化物，以减小氮所造成的时效敏感性。15（6）氢的影响）氢的影响n氢在钢中的存在也是有害元素，它是由潮湿的炼钢原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。料和炉气而进入钢中的。n氢在钢中的溶解度甚微，但严重的影响钢的性能，氢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，脆性溶入铁中形成间隙固溶体，使钢的塑

9、性大大降低，脆性大大升高，这种现象称为大大升高，这种现象称为氢脆氢脆。n含有较多氢的钢，在加热热轧时溶入，冷却时溶解度含有较多氢的钢，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，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，这种组织缺陷称为头发丝一样，也称发裂，这种组织缺陷称为白点白点。16（7）氧的影响）氧的影响n氧在钢中的存在也是有害元素，由于

10、炼钢是一个氧化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，在小，在700时为时为0.008%，在，在500时在铁素体中的溶时在铁素体中的溶解度解度0.001%。n氧溶入铁素体一般降低钢的强度、塑性和韧性，氧在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（钢中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe2O3、Fe3O4、MnO、SiO2、Al2O3等），所以它对钢的性能的影响

11、主等），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。要取决于这些氧化物的性能，数量、大小和分布等。17（2 2）钢锭的宏观组织与缺陷）钢锭的宏观组织与缺陷（1）钢锭的宏观组织）钢锭的宏观组织18192021（2）偏析）偏析n 合金凝固时，随着结晶过程的进行，在液、固相合金凝固时，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，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，这种现象称为先后结晶的固相中成份不均匀，这种现象称为偏析偏析

12、。根据产生偏析的范围不同，可分为根据产生偏析的范围不同，可分为宏观偏析宏观偏析和和微观微观偏析偏析。 n宏观偏析是大范围的成分不均匀的现象，又称宏观偏析是大范围的成分不均匀的现象，又称远远程偏析程偏析。n微观偏析是晶粒尺度范围的成分不均匀现象，又微观偏析是晶粒尺度范围的成分不均匀现象，又称称短程偏析短程偏析。22宏观偏析宏观偏析n 宏观偏析表现为铸锭宏观偏析表现为铸锭(件件)从里层到外层或从上到从里层到外层或从上到下成份不均匀。下成份不均匀。n 根据表现形式不同，可分为根据表现形式不同，可分为正偏析正偏析、反偏析反偏析和和比比重偏析重偏析。 23正常偏析（正偏析）正常偏析（正偏析）n当平衡分配

13、系数当平衡分配系数k01的合金以平直界面定向凝固时，沿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，故称为象是正常凝固的结果，故称为正常偏析正常偏析或或正偏析正偏析。n正常偏析的程度与凝固速度、液体对流以及溶质扩散条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

14、液体中的溶质浓度逐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。渐升高。凝固后所产生的正常偏析就比较严重。n在正常偏析程度比较大的情况下，最后凝固的液体溶质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。浓度高，有时会形成其它非平衡相。24反常偏析反常偏析n反偏析正好是与正偏析相反，即在反偏析正好是与正偏析相反，即在k01合金铸锭合金铸锭(件件)中表层溶质浓度高于内层的溶质浓度。中表层溶质浓度高于内层的溶质浓度。n目前认为反偏析形成的主要原因与铸模中心的液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

15、金凝固时，先凝固部分发生体倒流有关。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，形成反质浓度较高的液体沿技晶间隙吸回到表层，形成反偏析。偏析。 25比重偏析比重偏析n比重偏析是由于合金凝固时形成的先共晶相与液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，从而导致体比重不同而引起先共晶相上浮或下沉，从而导致了铸锭了铸锭(件件)中组成相上下分布和成份不均匀的一种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宏观偏析。这种宏

16、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。系合金中，并在缓慢冷却条件下产生的。n防止或减轻比重偏析的方法有：增大冷却速度，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。偏析相的沉浮。26显微偏析显微偏析n 微观偏析是在一个晶粒范围内成份不均匀的现象。微观偏析是在一个晶粒范围内成份不均匀的现象。n 根据凝固时晶体生长形态的不同，可分为根据凝固时晶体生长形态的不同，可分为枝晶偏枝晶偏析析、胞状

17、偏析胞状偏析和和晶界偏析晶界偏析。 27胞状偏析胞状偏析n当成份过冷比较小时，固溶体以胞状方式生长。当成份过冷比较小时，固溶体以胞状方式生长。n对于对于k01的合金，在凹陷的胞界处将富集着溶质。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。这种胞内和胞界处成份不均匀的现象称为胞状偏析。胞状生长时溶质分布示意图胞状生长时溶质分布示意图28枝晶偏析枝晶偏析n 当合金以树枝状方式凝固时，形成枝晶偏析。在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

18、。通常凝固含高熔点组元多，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，速度越快，液体的对流扩散越不充分，k0值越小值越小（k01），则枝晶偏析越严重。），则枝晶偏析越严重。n 枝晶偏析的产生对铸锭枝晶偏析的产生对铸锭(件件)的性能是有害的，特的性能是有害的，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。以通过扩散退火消除。 29晶界偏析晶界偏析n 当合金以树枝状方式凝固，最终形成晶粒组织时，在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。束后晶界处产生溶质富集，形成晶界偏析。n 一种情