1、第四章 Fe-Fe3C相图,Fe-Fe3C phase diagram,4.1 铁碳合金的组元及基本相 4.2 Fe-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06.69 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0100。,4.1 铁碳合金中的组元及基本
2、相 4.1.1 纯铁（iron）,1394,1538,912, - Fe, - Fe, - Fe,力学性能：b176274MPa0.298166MPa3050，7080HB5080aK1.52MNm/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：b180280MPa、0.2100170MPa、30%50%，k160200J/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
3、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%、170220HB。 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
4、韧度(k)0。,珠光体（Pearlite）,FFe3C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AFe3C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。,4.2 Fe - 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
5、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%：0.02182.11%，又分为： 共析钢(eutectoid steel)： C%： 0.77% 亚共析钢(hypeutectoid steel) ： C%： 0.02180.77% 过共析钢(hyp
6、ereutectoid steel) ： C%： 0.772.11% 铸铁(cast iron)： C%： 2.116.69%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。又分为： 共晶铸铁(eutectic cast iron)： C%： 4.30% 亚共晶铸铁(hypoeutectic cast iron) ： C%： 2.114.30% 过共晶铸铁(hypereutectic cast iron) ： C%： 4.306.69%,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,
7、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
8、铸铁组织金相图,组织组成： Fe3C+PLd,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
9、、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 b176274MPa 0.298
10、166MPa 3050， 7080HB5080,珠光体 b1000MPa 0.2600MPa 10， 1215HB241,4.4.3 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。
11、,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M
12、n，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
13、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（FeFeS）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。 （FeFeS）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（FeFeS）共晶体，在加热到11501200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（FeFeOFeS)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
14、；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3032%的硫铁为主要原料，用电弧炉，加入废钢和所需合金元素，16001650时加入硫铁，最后加入脱氧剂，镇静后出钢。钢中含硫量0.511%，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
15、、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150300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150300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.
16、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。,2019/3/15/08:41:35,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：0.0010.008 纯氧顶吹转炉钢：0.0030.006 电炉钢：0.0080.03。,5. N的影响,将含N较高的钢从高温快
17、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：0.0
18、20.03 电炉钢：0.010.02 侧吹碱性转炉钢：0.040.07。 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
19、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
20、，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成。蜂窝气泡带：分布在柱状晶内的长形气泡，常分布在钢锭下半部。中心坚固带：没有气泡的柱状晶组成的区域。,二次气泡带：碳氧反应在柱状晶间的小孔隙处反复发生，呈圆形气泡留在钢锭中。锭心带：粗大等轴晶,液态完全混合，成分偏析大，头部硫化物多，尾部氧化物多。,连铸坯,本章小结,铁碳相图,碳及元素对碳钢性能的影响,平衡凝固过程（纯铁、亚共析碳钢、共析碳钢、过共析碳钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）,碳钢中主要的组元与相,钢锭组织及宏观缺陷,章节要点,随碳含量变化，碳钢性能的变化,碳钢平衡凝固后的组织和相组成及百分含量,铁素体、珠光体、渗碳体、奥氏体、莱氏体,钢中的元素：冷脆、热脆、蓝脆、氢脆,
