Transcript 第四章
第四章 铁碳合金 •钢铁是现代工业中应用最为广泛 的金属材料，是由铁和碳两个基 本元素组成，故称为铁碳合金， 包括碳钢和铸铁两大类。 •铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC 等一系列化合物，因此铁碳合金 中可以认为是由以上的化合物组 成，但铁碳合金的碳含量一般小 于5%（碳含量高于5%的铁碳合金 脆性很大，无实用价值），因而 只需研究Fe-Fe3C部分. 第一节 铁碳合金的组元与基本相 一、纯铁（pure iron） 物理性能 熔点1538℃，气化点2740℃，密度7.87g/㎝³。纯铁具有磁性转变 （一）铁的同素异构转变（多晶型转变） 纯铁固态下具有同素异构转变：912℃以下为体心立方(bcc)晶体 结构，912℃到1394℃之间为面心立方(fcc)结构, 1394℃到熔点之间 为体心立方(bcc)结构。 1538℃ 1394℃ 912℃ L → δ－Fe → γ－Fe → α－Fe bcc fcc bcc 纯铁的冷却曲线 （二）铁素体与奥氏体 铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶 格，常用符号F或α表示。 碳溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以δ表示，于 时的最大溶碳量为0.09%。 奥氏体是碳溶于γ-Fe 中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符 号A或γ表示。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多。奥氏体的最大溶碳量为2.11% (1148℃)， 而铁素体的最大溶碳量仅为0.0218% (727℃)，在室温下的溶碳能力更低，一般在 0.008%以下。 面心立方晶格比体心立方晶格具有较大的致密度，而奥氏 体比铁素体具有较大的溶碳能力的原因是与晶体结构中的 间隙尺寸有关。 铁素体的性能与纯铁基本相同，居里点也是770℃ 。奥氏体的塑性很好，且具有顺磁性。 （三） 纯铁的性能与应用 纯铁的力学性能其大致范围如下： 屈服强度：98MPa～166MPa 抗拉强度：176MPa～274MPa 延伸率：30%～50% 断面收缩率：70%～80% 冲击韧性：160J/cm2～200J/cm2 硬度：50HB～80HB 纯铁有很好塑性和韧性，但其强度和硬度 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芯等。 二、渗碳体Fe3C 渗碳体：具有复杂晶格的间隙化合物。 渗碳体的含碳量为6.69%，熔点为1227℃，有磁 性转变，在230℃以下具有弱磁性。 渗碳体硬度高、脆性大，塑性几乎为零。 渗碳体是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C（石墨） 渗碳体在铁碳合金中呈片状、球状、 网状或板状。 可用符号Cm表示，是铁碳合金中重 要的基本相。 第二节 Fe-Fe3C相图分析 分析点、线、 区特别是重要 的点、三条水 平恒温转变 线 、重要的 相界线 相图中点的含义 A.三条水平恒温转变线 ①包晶线： HJB线（1459℃），J为包晶点，wc=0.09～0.53% 的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即： L0.53+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ） ②共晶线： ECF水平线（1148℃），C点为共晶点， wc=2.11～6.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发 生共晶反应，即： L4.30→γ2.11+ Fe3C （LC→γE+ Fe3C） 转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏 体（Ledeburite），用Ld表示。 ③共析线： PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡 wc>0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生 共析反应，即： γ0.77→α0.0218 + Fe3C （γS→αP+ Fe3C） 转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠 光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常 用A1表示。 B. 两条磁性转变线 ① 230℃为水平线为Fe3C的磁性转变线，230℃以上 Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。常用A0表示 ② 770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁磁性， 770℃以下为铁磁体。常用A2表示 C. 几条重要的相界线(固态转变线) ① GS线：A中开始析 出α或α全部溶入(升温 时) γ的转变线。常用 A3表示。因这条线在 共析转变线以上，故又 称为先共析α相开始析 出线。常称为A3线或 A3温度。 ② ES线：C在γ中溶解 度曲线。常用Acm表示， 称为Acm温度。低于此 温度，溶解度降低，将 析出Fe3C。为了区别自 液(CD线)态合金中直接 析出的一次Fe3C，将γ 中析出的Fe3C称为二次 Fe3C。 ③ PQ线：C在α中溶解 度曲线。在727℃时，C 在α中的最大溶解度 0.0218%，但温度下降， C在中溶解度下降，会 析出少量的渗碳体，， 称为三次Fe3C。以区别 于沿CD线和ES线析出 的Fe3C。 D.Fe—Fe3C相图中的区 5个单相区：L、δ、γ、α, Fe3C 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C、 γ+α、α+ Fe3C · 3个三相共存区： ① L+γ+ Fe3C（ECF线）、 ② L+δ+γ（HJB线）、 ③ γ+α+ Fe3C（PSK线） 第三节 铁碳合金平衡结晶过程及组织 铁碳合金的组织是液态结晶和固态重结晶的综合结果，研究铁碳 合金的结晶过程，目的在于分析合金的组织形成，以考虑其对性能 的影响。为了讨论方便，先将铁碳合金进行分类。通常将其分为三 大类，即含碳量低于0.0218%的为 工业纯铁，含碳量在0.0218%～ 2.11%的为碳钢，含碳量大于2.11%的为铸铁。Fe-Fe3C系结晶的铸 铁，碳以Fe3C形式存在，断口呈亮白色，称为白口铸铁。 根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种 类型。 ① 工业纯铁：含碳量低于0.0218%； ② 共析钢：含碳量为0.77%； ③ 亚共析钢：含碳量为0.0218%～0.77%； ④ 过共析钢：含碳量为0.77%～2.11%； ⑤ 共晶白口铸铁：含碳量为4.30%； ⑥ 亚共晶白口铸铁：含碳量为2.11%～4.30%； ⑦ 过共晶白口铸铁：含碳量为4.30%～6.69%。 一、工业纯铁 室温组织为：α+ Fe3CⅢ，Fe3CⅢ最多 为0.33% L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+ Fe3CⅢ 工业纯铁室温组织 二、共析钢（Wc=0.77%） 三、亚共析钢（Wc=0.0218～0.77%） 结晶过程如下： L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→α+γ →α+ P +Fe3CⅢ 亚共析钢的室温组织 (a)含碳量0.20% (b)含碳量0.40% (c)含碳量0.60% 四、过共析钢（Wc=0.77～2.11%） 结晶过程：L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P + Fe3CⅡ 室温组织为：P+ Fe3CⅡ，白色为网 状Fe3CⅡ，暗黑色为P。 五、共晶白口铸铁（Wc=4.30%） 结晶过程：L→Ld （γ+Fe3C） →γ+Fe3CⅡ+Fe3C→Ld’（P + Fe3CⅡ+Fe3C） 六、亚共晶白口铸铁（Wc=2.11～4.30%） 过程如下： L→L+γ→γ+ Ld →γ+Fe3CⅡ+Ld→Fe3CⅡ+L’d +P 七、过共晶白口铸铁（Wc>4.30%） 结晶过程：L→L+Fe3CⅠ→Fe3CⅠ+ Ld →Fe3CⅠ+ Ld’ 按组织区分的铁碳合金相图 第四节含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 一、含碳量对平衡组织的影响 同一种组成相，由于生成条件的不同，虽然相的本质未变，但 其形态可以有很大的差异。例如，从奥氏体中析出的铁素体一般呈 块状，而经共析反应生成的珠光体中的铁素体，由于同渗碳体要相 互制约，呈交替层片状。又如渗碳体，由于生成条件的不同，使其 形态变得十分复杂，铁碳合金的上述组织变化主要是由它引起的。 当含碳量低于0.0218%时，三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈 小片状分布。共析渗碳体是经共析反应生成的，与铁素体呈交替层 片状，而从奥氏体中析出的二次渗碳体，则以网状分布于奥氏体的 晶界上。共晶渗碳体是与奥氏体相关形成的，在莱氏体中为连续的 基体，比较粗大，有时呈鱼骨状。一次渗碳体是从液体中直接结晶 的，呈规则的长条状。可见，化学成分的变化，不仅引起相的相对 含量的变化，而且引起组织的变化，对铁碳合金的性能产生很大影 响。 二、含碳量对力学性能的影响 三、含碳量对工艺性能的影响 1. 切削加工性能 金属材料的切削加工性问题，是一个十分复杂的问题，一般要从 允许的切削速度、切削力、表面粗糙度等几个方面进行评价，材料的 化学成分、硬度、韧性、导热性以及金属的组织结构和加工硬化程度 等对其均有影响。 钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响。低碳钢中的铁素体较多，塑性韧性 好，切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗 糙度，因此切削加工性能不好。高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具， 切削性能也差。中碳钢中的铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性也比较适中 ，其切削加工性能较好。一般认为，钢的硬度大致为240HB时切削加工性能较好 。 钢的导热性对切削加工性能具有很大的影响。具有 奥氏体组织的钢导热性低，切削热很少为工件所吸收， 而基本上集中在切削刃附近，因而使刃具的切削刃变 热，降低了刀具使用寿命。因此，尽管奥氏体钢的硬 度不高，但切削加工性能不好。 钢的晶粒尺寸的大小并不显著影响硬度。但粗晶 粒钢的韧性较差，切屑易断，因而切削性能较好。 珠光体中的渗碳体组织同样影响切削加工性，亚共析钢的组织 是铁素体+片状珠光体，具有较好的切削加工性能，若过共析钢的组 织为片状珠光体+二次渗碳体，则其加工性能很差，若其组织是由粒 状珠光体组成的，则可改善切削加工性能。 2. 可锻性 金属的锻造性能是指金属在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹 的性能。钢的锻造性能首先与含碳量有关。低碳钢的可锻性较好，随着 含碳量的增加逐渐变差。 奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形。钢加热到高 温可获得单相奥氏体组织，具有良好的锻造性能。因此钢 材的始锻或终锻温度一般在固相线以下100℃～200℃范围 内。终锻温度不能过低，以免因温度过低而使塑性变差， 产生裂纹。一般对亚共析钢终锻温度控制在 GS线以上较近 处，对过共析钢控制在SE线以上较近处。 白口铸铁无论在低温或高温，其组织 都是以硬而脆的渗碳体为基体，其锻造性 能很差。不能通过锻造进行变形。 3. 铸造性 金属的铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。 1) 流动性 流动性是指液态金属充满铸型的能力。流动性受很多因素的影 响，其中最主要的是化学成分和浇注温度的影响。 在化学成分中，碳对流动性影响最大，随着含碳量的增加，钢 的结晶温度范围增大，流动性应该变差。但是，随着含碳量的增加 ，液相线温度降低，因而，当浇注温度相同时，含碳量高的钢，其 液相线温度与钢液温度之差较大，即过热度较大，对钢液的流动性 有利。所以钢液的流动性随含碳量的提高而提高。浇注温度越高， 流动性越好。当浇注温度一定时，过热度越大，流动性越好。 铸铁因其液相线温度比钢低，其流动性总 是比钢好。亚共晶铸铁随含碳量的提高， 结晶温度范围缩小，流动性也随之提高。 共晶铸铁结晶温度最低，同时又是在恒温 下凝固，流动性最好；过共晶铸铁随着含 碳量的提高，流动性变差。 2) 收缩性 铸铁从浇注温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩 性。收缩是铸造合金本身的物理性质，使铸件产生缺陷，如缩孔、缩松、残余内 应力、变形和裂纹。 金属从浇注温度冷却到室温要经历3个互相联系的收缩阶段。 ① 液态收缩：从浇注温度到开始凝固(液相线温度)这一温度范围内的收缩为液 态收缩。 ② 凝固收缩：从凝固开始到凝固终止(固相线温度)这一温度范围内的收缩称凝 固收缩。 ③ 固态收缩：从凝固终了到冷却到室温这一温度范围内的收缩称为固态收缩。 液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，其收缩量用体积分数表示，称 为体收缩。它们是铸件产生缩孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固态收缩虽然也 是体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的变化，其收缩量通常用长度百分数表示 ，称为线收缩。它是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。 影响碳钢收缩性的主要因素是化学成分和浇注温 度等。对于化学成分一定的钢，浇注温度越高， 则液态收缩越大；当浇注温度一定时，随着含碳 量的增加，钢液温度与液相线温度之差增加，体 积收缩增大。同样，含碳量增加，其凝固温度范 围变宽，凝固收缩增大。 含碳量对钢的体收缩的影响见表。由表可见，随着含碳 量的增加，钢的体收缩不断增大。与此相反，钢的固态收缩 则是随着含碳量的增加，其固态收缩不断减小，尤其是共析 转变前的线收缩减少得更为显著。 碳对碳素钢体积收缩率的影响 % 0.10 0.35 0.75 1.0 钢的体积收缩率% 10.7 11.8 12.9 14.0 3) 枝晶偏析 固相线和液相线的垂直距离越大，枝晶 偏析越严重。铸铁的成分越靠近共晶点，偏 析越小；相反，越远离共晶点，则枝晶偏析 越严重。 第五节 钢中的杂质元素及钢锭组织 一、杂质元素对性能的影响 钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱 氧残留的元素。 1、Mn: 0.8%时为杂质, 是有益元素。作用为： ① 强化铁素体； ② 消除硫的有害作用。 2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为： ① 强化铁素体； ② 增加钢液流动性。 3、S：是有害元素。 常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶 (985℃)，热加工时(1150~1200℃)，由于其熔化而导致 开裂，称热脆性. 钢中的硫应控制在0.045%以下. 合金晶界的低熔点硫化物共晶 Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn → Fe + MnS， MnS熔点高(1600℃)。 4、P：也是有害元素。 能全部溶入铁素体中，使钢在常 温下硬度提高，塑性、韧性急剧 下降，称冷脆性。 P一般控制在0.045%以下. 钢中的MnS夹杂 比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生 冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中 5、气体元素 ① N：室温下N在铁素体中溶解度 很低，钢中过饱和N在常温放置过 程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化. 加Ti、V、Al等元素可使N固定，消 钢中TiN夹杂 除时效倾向。 ② O：氧在钢中以氧化物的形式存 在，其与基体结合力弱，不易变形， 易成为疲劳裂纹源. 钢中氧化物夹杂 ③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢 中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。 当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。 钢中白点 钢的氢脆断口 二、钢锭的组织及其宏观缺陷 1.镇静钢 钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行充分脱氧、使所含的氧不超过 0.01%，以使钢液在凝固时不析出一氧化碳，得到成分比较均匀、组织 比较致密的钢锭，这种钢叫镇静钢。 2.沸腾钢 钢液脱氧不完全，含有相当数量的氧，在凝固过程中析出大量的一氧化 碳，引起沸腾，得到形成大量气泡组织疏松的钢锭，这种钢叫沸腾钢。 各有优缺点： ①沸腾钢成本低，成材率高； ②沸腾钢表面质量好，冲压性能好，焊接性能好； ③镇静钢的钢材质量好。机械性能好。 因此，凡要求冲压性能好，含碳量较低的 普通结构件都选用沸腾钢，如建筑用钢、汽 车外壳用深冲钢板等。凡是重要的结构件如 锅炉、化工容器用钢和机械上需经热处理的 受力零件用钢都选用镇静钢。 镇静钢锭中的组织缺陷 缩孔：凝固后体积收缩留下的空腔。可让其集中在冒口切去。 疏松：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。 气孔：凝固中未排出气体形成的缺陷。 夹杂：与基体成分和组织都不相同的杂质。外来夹杂物有浇铸中冲入的耐火材 料、破碎铸模物等。 成分偏析：成分不均匀叫做偏析。有宏观偏析和微观偏析 沸腾钢锭中的宏观组织 坚壳带：急冷等轴细晶层。 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。