第04章+铁碳合金.ppt

1、第四章 铁碳合金,工业纯铁的力学性能特点是:强度、硬度低，塑性、韧性好。主要用于软磁。,磁性转变 (居里点),A. 纯 铁,第一节 铁碳合金相图,1. 1 铁碳合金的组元及基本相,1）组 元,大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。,同素异构转变,当外部条件(如温度和压力)改变时，金属由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。,石墨(Graphite)具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合，间距0.142nm结合力较强，两层晶面的间距为0.34nm，结合力弱。,B. 碳,游离的碳有石墨和金刚石两种

2、晶体结构，在铁碳合金中的游离态是石墨。,石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。,石墨性能特点,耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。,B. 相 C在-Fe中的间隙固溶体， fcc结构。称奥氏体组织，记为 A(Austenite)。最大溶碳量为2.11wt% (1148oC),C. 相 C在-Fe中的间隙固溶体，bcc结构。相出现的温度较高，也称高温铁素体。最大溶碳量为0.09wt% (1495oC),A. 相 C在-Fe中的间隙固溶体， bcc结构。铁素体组织，记为 F (Ferrite)。 最大溶碳量为0.

3、0218 wt% (727oC),2）铁碳合金中的基本相,E. 石墨 铁碳合金中存在的游离碳为石墨，组织记G (Graphite)。,F: 液相 铁碳合金高温下呈液相，相图中标记 L(Liquid)。,D. Fe3C相 铁和碳生成的间隙化合物，碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm (Cementite)。,1.2 Fe Fe3C (C) 合金相图,点：14个。 线：两条磁性转变线 三条等温转变线； 液相线、固相线 其余线：GS, ES, PQ 区：5个单相区 7个两相区 3个三相区,1) 相图分析,2）相图中各点的

4、参数及含义,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： L L LFe3C Fe3C Fe3C,三个三相区：HJB线 L ECK线 L Fe3C PSK线 Fe3C,3）相图中相区,产物共晶组织称为莱氏体 记为Ld (Ledeburite),产物为两相层片交替分布的共析体组织称为珠光体，记为P (Pearlite),a. HJB线包晶反应,b. ECK线 共晶反应,c. PSK线 共析反应,产物为奥氏体组织，记为g或 A （Austenite）,4）铁碳合金三相平衡转变,根据组织特征，铁碳合金按含碳量分为：,工业纯铁 (C 0.02 wt

5、.%),钢 (C 2.11wt.%),亚共析钢 ( 0.77 wt.% ) 共 析 钢 ( 0.77 wt.% ) 过共析钢 ( 0.772.11% ),铸铁 (C 2.11 wt.%),白口铸铁 灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁,第二节 铁碳合金平衡冷却分析,球墨铸铁 铁水浇注前经球化处理后，石墨全部或部分转变为球状，制造 工艺简单，机械性能好。,白口铸铁 （ C以渗碳体形式存在）,亚共晶 ( 2.114.3 wt% ) 共 晶 ( 4.3 wt% ) 过共晶 ( 4.3 6.69 wt% ),灰口铸铁 C以游离态片状石墨形式存在，断口呈灰色。,可锻铸铁 一定成分的白口铸铁经石墨化处理获得，石墨

6、大部分或全部呈团状分布，具有较好的塑性。,铸铁介绍,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。 室温下三次渗碳体含量最大的是wc = 0.0218 wt%的铁碳合金，其百分含量为: w (Fe3CIII) = 0.0218/6.69100% 0.33% 但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。 通常组织为单一铁素体。,2.1 工业纯铁 ( C 0.0218 wt.% ),相转变过程：L L + g g (a + Fe3C)P,组织转变过程 L L+A P,2.2 共析钢（C = 0.77 wt.%）,共析转变：珠光体（a+Fe3C)P,珠光体中铁素体

7、和渗碳体的相对含量：,渗碳体和铁素体的相对含量比值约为1: 8。如果忽略两者在密度上的微小差别，铁素体体积约为渗碳体体积的8倍。,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。黑色为渗碳体，白色为铁素体。两相的重量比两相的厚度比8:1,成分为0.45%C的亚共析合金的冷却过程： L d L + d g (1495 oC) L g g a g P (727 oC) a Fe3CIII 室温平衡组织： a+ P + Fe3CIII,2.3 亚共析钢（0.020.77 wt.% C）,组织组成物相对数量计算：,组织转变：L LA A AFe3CII PFe3CII,2.4 过共

8、析钢 ( 0.77 2.11 wt.%）,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。,组织转变 L Ld (gFe3C) Ld（P+Fe3C）,相变过程 L gFe3C I （莱氏体Ld） P (a+Fe3CII) Ld (P+Fe3CI) （低温莱氏体）,2.5 共晶白口铁（4.3 wt.% C）,组织转变 L LA ALd AFe3CIILd PFe3CIILd,2.6 亚共晶白口铁 (2.11 4.3 wt.% C ),3.0 wt.%,根据杠杆定律，右图合金 6中初晶奥氏体含量为：,莱氏体含量为：,从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体含量为：,组织转

9、变 L L+Fe3CI Fe3CI+Ld Fe3CI+Ld,2.7 过共晶白口铁 (4.36.69 wt.%),Fe3C的形式：一次渗碳体Fe3CI 二次渗碳体Fe3CII 三次渗碳体Fe3CIII,3.1 碳对室温平衡组织的影响,第三节 碳对铁碳合金的影响,3.2 含碳量对力学性能的影响,3.3 含碳量对热加工性能的影响,第四节 碳 钢,4.1 碳钢中的主要杂质元素,除Fe、C外，因冶金等因素碳钢中必然存在一些无法去除的杂质元素，它们对性能有一定影响。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，大致含量：,表层细晶区 柱状晶区 中心等轴

10、晶区,4.2、铸锭的晶粒组织,晶粒极细，取向随机致密，一般都很薄，实际意义不大。,铸模温度较低，靠近模壁的薄层液体产生极大的过冷度 模壁可作为非均匀形核的基底。,铸模的浇注时表面温度、热传导性能、浇注温度 模壁非均匀形核能力。,I. 表层等轴细晶区,成 因,特 点,影响因素,垂直于模壁方向定向生长，晶粒粗大。 柱晶生长方向为一次晶轴方向，立方晶系为。,激冷细晶层前沿液体温度高,过冷度变小，不足于独立形核，结晶主要靠晶体生长来维持。 垂直模壁方向散热最快，表层细晶区中一次晶轴取向平行于散热方向的晶粒生长最快，迅速地长入晶体，其它取向的晶粒受邻近晶粒的限制，不能发展。 优先生长的晶粒并排向液体中生

11、长，其侧面彼此限制不能发展，从而形成柱状晶区。,II. 柱状晶区,成 因,特 点,铸型和结晶体的导热性能。导热能力越好，形成越有利。 浇注温度与浇注速度。浇注温度越高，浇注速度越快，温度梯度越大，柱状晶形成越有利。浇注温度高于一定值是可以得到完全的柱状晶。 熔化温度。熔化温度越高，熔体过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，非均匀形核核心越少，减少了柱晶前沿形核的可能性，有利于柱状晶的发展。,II. 柱状晶区,影响因素,柱晶区取向一致，性能呈各向异性。又称结晶织构或铸造织构。 例1：磁性铁合金凝固时柱状晶的取向为其最大磁 导率方向，因此常利用定向凝固的方法生产。 例2：具有柱晶或单晶结构的定向凝固高

12、温合金，抗蠕变性能好。 例3：Bi2Te3系热电材料 柱晶之间界面比较平直，结合力不强；特别是互相垂直的柱晶交界面，更为脆弱。这些面成为弱面，轧制时容易开裂。,II. 柱状晶区,组织性能,III. 中心等轴晶区,等轴晶区的形成,凝固进行到后期，由于模壁散热和液体的对流，中心液体的温度达到均匀，降到熔点以下，也可以形核生长。,这些晶核在液体中自由生长，各方向的成长速度差不多，故成长为等轴晶，当它们成长到柱状晶相遇，凝固全部结束，因而形成等轴晶区。,模壁处细晶等轴晶区附近液体温度低密度大而下沉，中心处液体温度高密度小而上升，造成强烈对流，可能使部分晶粒受冲击分离并被带到中心成为晶核。 柱晶生长时形

13、成的侧旁枝晶，因杂质的偏聚和限制可能熔断被对流液体带到中心成为晶核。 铸锭的上表层散热快，先降至熔点以下，也可形核生长，由于固相比重大，漂浮在上部的晶核可能沉降成为中部等柱晶核。,III. 中心等轴晶区,等轴晶核的来源,组织性能,取向无规，无明显弱面，强度高，不易开裂。对于铸锭一般都要求获得细等轴晶组织。,4.3、铸锭中的组织缺陷,缩孔,材料凝固后体积收缩后留下的空腔称为缩孔,缩孔是不可避免的，可通过加液体补缩减小缩孔，让缩孔在不使用部位，如铸锭或铸件的冒口，凝固后切去来保证使用部位无缩孔。,疏松,实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间收缩孔被凝固封闭而得不到液体补充而留下的缺陷。,中部比边缘

14、多，大铸件比小铸件严重。对型材的轧制可减小或消除其不利的影响。,气孔,气体在凝固体内形成的缺陷。,气体的来源有析出型(气体在液、固中的溶解度不同)和反应型(凝固过程中发生的化学反应生成),夹杂物,外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如 耐火材料、破碎铸模物等。,成分偏析,多组元体系中，不同位置材料的成分不均匀 叫做偏析。,磷：P可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性 和韧性，特别是低温下会使性能恶化冷脆性。,硫：S在钢中生成的FeS和Fe的共晶熔点仅988，在此温度 以上工作和锻造时因晶界熔化而开裂热脆。 适量的S可改善钢的切削性能。,硅：Si溶入铁素体，可提高强度和硬度。,锰：Mn与

15、S、C的结合力比Fe强，可生成MnS，塑性和熔点比 FeS高，消除S的不利影响，但MnS会降低疲劳强度和断 裂韧性，所以依然要控制含硫量。,Si、Mn含量以自然出现为原则，人为专门加入组成合金钢。,4.4 常见杂质元素对性能的影响, 按含碳量分,低碳钢 WC 0.25,中碳钢 0.25 WC 0.6,高碳钢 WC0.6,4.5 碳钢的分类,a.分 类, 按冶金质量分,普通碳素钢,WP 0.045 WS 0.055,优质碳素钢,WP 0.040 WS 0.040,高级优质碳素钢,WP 0.035 WS 0.030,a.分 类,1。普通碳素结构钢,Q195， Q215， Q235， Q255， Q

16、275,牌 号,b.牌号及用途,1。普通碳素结构钢,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)，不再进行热处理。,用 途,合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于工程构件（桥梁、建筑）或要求不高的普通简单结构零件,2。优质碳素结构钢,牌 号,08、08F、10、15、20、45、50、65,钢号是二位数字，表示钢平均含碳量的万分之几，0.05一档。对其中含S、P较低的优质钢后加字母 A，如45A。,2。优质碳素结构钢,特点,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

17、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。,随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低。而以45钢附近的韧性较好。 质量性能优于普碳钢，用于制造机械零件。 一般须进行热处理提高性能后再使用。,3。碳素工具钢,牌号,T7、T8、T10、T12、T13,数字表示钢平均含碳量的千分之几。 全部都是优质钢。还有高级优质钢，在钢号后尾以A, 如T8A. 用于制造要求高硬度、高耐磨性，但尺寸不大、形状不复杂，使用温度不高的工具，如钳工工具等。 应在热处理后使用。,4。碳素铸钢,钢号是ZGxxx-xxx, 后为两组数字，分别表示 钢的屈服强度和抗拉强度， 如ZG230-4

18、50, ZG310-570等。,用于形状复杂不能锻造成形，性能要求较高 的机械零件。,成分范围,C: 2.54.0% Si: 1.03.0% Mn: 0.51.4% S: 0.020.20% P: 0.010.50%,铸铁中碳以石墨G的形式存在，可以与Fe构成平衡状态。,第五节 铸 铁,1）热力学原理,石墨化是指铸铁在冷却的过程中，当碳处于过饱和时，碳原子析出形成石墨的过程。,5.1、 铁碳合金的石墨化,第一阶段 高温石墨化，发生在1154,第二阶段 中间石墨化，发生在1154738之间,奥氏体随温度在下降，对碳的溶解度也下降，这时过饱和的碳以石墨的方式析出，奥氏体的成分沿ES变化，析出的石墨

19、也称为二次石墨GII。,2）石墨化过程,第三阶段 低温石墨化，发生在738,2）石墨化过程,工程实际中这三个阶段有时可能发生， 有时只能发生部分转变。,5.1、 铁碳合金的石墨化,石墨化程度,冷却速度越缓慢，石墨化的效果越强。而快速冷却时，难聚集100%形成石墨，聚集到6.69%以Fe3C方式析出。 在高温下，渗碳体易发生石墨化分解。温度越高，保温时间越长，转变就越强烈。低于550难以生成石墨。 合金元素的作用，C、Si、Al、Cu、Ni、Co将促进石墨的形成，Cr、W、Mo、V、Mn能和碳形成碳化物，阻碍石墨化。,5.2、 影响石墨化的主要因素,对形成石墨形状的影响,在一般的冷却条件下，从液

20、体中析出长大的石墨为片状。冷却速度越大，石墨片越细小。 变质处理，在浇铸前向铸铁中加少量的孕育剂，可以促进石墨的形核，对渗碳体的析出有阻碍作用，析出的石墨可细化。 加入表面活性合金元素，如Mg、Re元素可以改变石墨在液体中表面张力的方向性，促进石墨从片状而转成球状。 石墨化方式不同，析出的石墨的形态也有区别，从液体中析出的石墨易成片状，而从固体下渗碳体分解产生的石墨为团絮状。,5.2、 影响石墨化的主要因素,铸铁的组织依石墨化的程度不同而呈现不同的状态。,石墨的形状有片状、细片状、蠕虫状、絮状、球状之分。,5.3、 铸铁的分类,1、铸铁的组织,1.牌号：HT1026 HT1533 HT2142

21、 其中HT表 示灰口铸铁，第一部分数字为抗拉强度，第二部分数字为抗弯强度。,2.成分：C:2.54.0% Si:1.03.0% 一般C 1/3 Si4 （碳当量）,3.组织：片状石墨铁素体和珠光体的混合组织。减少碳的含量、提高冷却速度、变质处理可以提高其牌号。,2、灰口铸铁,4.用途：HT1026 对力学性能无明显要求的构件； HT1533 HT2142 大型复杂的机体； HT2142 高性能要求的重要床身，如压力 机等。,5.热处理： 灰口铸铁的热处理不能改变石墨的形状，只能改变基体的组织，而许多性能是由石墨决定的，因此热处理的应用有一定的限制。,2、灰口铸铁,组织：片状石墨铁素体和珠光体的

22、混合组织。,2、灰口铸铁,1.牌号：QT4017 QT602 QT702 其中QT表示 球墨铸铁，第一部分数字为抗拉强度，第二部分数字为延伸率。,2.成分：C: 3.63.8% Si: 2.02.8% Mn: 0.60.8% 浇铸时加入0.030.05% Mg或0.020.04% Re，进行球化处理。,3.组织：球状石墨铁素体和珠光体的混合组织。减少碳的含量、提高冷却速度、变质处理可以提高其牌号。,3、球墨铸铁,4.性能：其性能与石墨球的球化形状、大小和分布有关。,5.用途：代替铸钢、锻钢来制造重要的、形状复杂的机械零件，如曲轴、连杆、涡轮、齿轮、水压机缸套、汽车后桥壳等。,球化越完整，球的尺寸越细小，性能越优越； 由于石墨是球形，所引起的应力集中效应小，因此其力学性能主要取决于它的基体组织， 对球墨铸铁可以进行与钢类似的各种热处理，得到不同的基体组织，以满足不同的性能要求。,3、球墨铸铁,显微组织,F+G,F+P+G,P+G,G+热处理,3、球墨铸铁,1）牌号：KT3510 KTZ455 其中KT表示可锻铸 铁，第一部分数字为抗拉强度，第二部分数字为延伸率。这里的字母Z表示为珠光体铸铁。,2）成分： C:2.52.8% Si:1.22.