1、第四章 Fe-Fe3C相圖,Fe-Fe3C phase diagram,4.1 鐵碳合金的組元及基本相 4.2 Fe-Fe3C相圖分析 4.3 鐵碳合金平衡結(jié)晶過程 4.4 含C量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響 4.5 鋼中的雜質(zhì)元素及鋼錠組織,(6.69%C),滲碳體是個亞穩(wěn)定的相，石墨才是穩(wěn)定的相。但石墨的表面能很大，只有在極緩慢冷卻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，鐵碳相圖有兩類： 液體、固溶體和滲碳體之間亞穩(wěn)平衡，是緊靠鐵端部分，其中C含量的范圍是06.69 液體、固溶體和石墨之間的穩(wěn)定平衡，其中C含量的范圍是0100。,4.1 鐵碳合金中的組元及基

2、本相 4.1.1 純鐵（iron）,1394,1538,912, - Fe, - Fe, - Fe,力學(xué)性能：b176274MPa 0.298166MPa 3050，7080 HB5080 aK1.52MNm/m2 應(yīng) 用：主要應(yīng)用于電子材料，作為鐵芯。,碳在-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體，簡稱為鐵素體()；最大溶碳量為727時的wc=0.0218%，最小為室溫時的wc=0.0008%；性能為：b180280MPa、0.2100170MPa、30%50%，k160200J/2 、硬度80HB 。 碳在-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，()，最大溶碳量為1495時的0.09。,鐵素體（Ferr

3、ite）,碳在-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體(A)，最高溶碳量為1148時的wc=2.11；奧氏體具有高塑性、低硬度和強度，其力學(xué)性能為：b400MPa、40%50%、170220HB。 奧氏體主要存在于727以上的高溫范圍內(nèi)，利用這一特性，工程上常將鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行塑性成形。,奧氏體（Austenite）,4.1.2 滲碳體（Cementite）,滲碳體是指晶體點陣為復(fù)雜正交點陣，化學(xué)式近似于Fe3C的一種間隙式化合物，用符號Fe3C表示，其含碳量為wc=6.69%，滲碳體具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力學(xué)性能指標(biāo)大致為：硬度800HB、抗拉強度(b)30MPa、伸長率

4、()0、沖擊韌度(k)0。,珠光體（Pearlite）,FFe3C的一種機械混合物，用符號P表示，其組織為層片狀結(jié)構(gòu)，綜合了鐵素體和滲碳體優(yōu)點，其綜合力學(xué)性能好。,萊氏體（Ledeburite）,萊氏體是由AFe3C組成的一種機械混合物，用符號Ld表示，其組織結(jié)構(gòu)為滲碳體基體上分布的奧氏體，主要體現(xiàn)了滲碳體特點，硬而脆。,4.2 Fe - Fe3C 相圖分析,液相線：ABCD 固相線：AHJECF 五個單相區(qū)：L，和Fe3C 七個兩相區(qū)：L ，L ，L Fe3C， ， ， Fe3C， Fe3C 兩條磁性轉(zhuǎn)變線：MO（鐵素體的）及過230的虛線（滲碳體的） 三條水平相變線：HJB包晶轉(zhuǎn)變線 EC

5、F共晶轉(zhuǎn)變線 PSK共析轉(zhuǎn)變線,4.2.5 三條重要的特性曲線,GS線：A3線冷卻過程中奧氏體析出鐵素體的開始線。 ES線：Acm線C在奧氏體中的溶解度曲線。 PQ線C在鐵素體中的溶解度曲線。,共晶反應(yīng)析出的Fe3C為一次滲碳體。 奧氏體中析出的Fe3C為二次滲碳體。 鐵素體中析出的Fe3C為三次滲碳體。,4.3 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織,工業(yè)純鐵(iron)：C%0.0218% 鋼(steel)：C%：0.02182.11%，又分為： 共析鋼(eutectoid steel)： C%： 0.77% 亞共析鋼(hypeutectoid steel) ： C%： 0.02180.77% 過共

6、析鋼(hypereutectoid steel) ： C%： 0.772.11% 鑄鐵(cast iron)： C%： 2.116.69%，有較好的鑄造性能、質(zhì)脆，不能鍛造。又分為： 共晶鑄鐵(eutectic cast iron)： C%： 4.30% 亞共晶鑄鐵(hypoeutectic cast iron) ： C%： 2.114.30% 過共晶鑄鐵(hypereutectic cast iron) ： C%： 4.306.69%,4.3.1 工業(yè)純鐵 ( Wc 0.0218% ),純鐵組織金相圖,4.3.2 共析鋼 ( Wc = 0.77% ),共析鋼組織金相圖,相組成：+Fe3C 組

7、織組成：P,共析鋼 ( Wc = 0.77% ),4.3.3 亞共析鋼 ( Wc = 0.45% ),亞共析鋼組織金相圖,組織組成： +P,亞共析鋼 ( Wc = 0.45% ),相組成： +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 過共析鋼 ( Wc = 1.2% ),過共析鋼組織金相圖,組織組成： Fe3C+P,過共析鋼 ( Wc = 1.2% ),相組成： +Fe3C,a) 硝酸酒精浸蝕 b) 苦味酸鈉的浸蝕 白色網(wǎng)狀相為二次滲碳體 黑色網(wǎng)狀為二次滲碳體 暗黑色為珠光體 淺白色為殊光體,4.3.5 共晶白口鑄鐵 ( Wc = 4.3%

8、),共晶白口鑄鐵組織金相圖,組織組成： Fe3C+PLd,共晶白口鑄鐵 ( Wc = 4.3% ),相組成： +Fe3C,4.3.6 亞共晶白口鑄鐵 ( Wc = 3.0% ),亞共晶白口鑄鐵組織金相圖,組織組成： Fe3C+P+Ld？,亞共晶白口鑄鐵 ( Wc = 3.0% ),相組成： +Fe3C,4.3.7 過共晶白口鑄鐵 ( Wc = 5.0% ),過共晶白口鑄鐵組織金相圖,組織組成： Fe3C+Ld,過共晶白口鑄鐵 ( Wc = 5.0% ),相組成： +Fe3C,總結(jié)：從Fe-Fe3C相圖可知，鐵碳合金室溫下的相組成物都是鐵素體和滲碳體，并且隨含碳量的增加，滲碳量不斷增多。而室溫組

9、織組成物卻有、Fe3C、P、 Fe3C、Fe3C 和Ld。,Fe - Fe3C 相圖,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,共晶相圖,共析相圖,勻晶相圖,( P+Fe3C ),4.4 含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響,4.4.1 碳對平衡組織的影響,相組成相對量圖表,4.4.2 碳對力學(xué)性能的影響,純鐵與珠光體性能對比,純鐵 b176274MP

10、a 0.298166MPa 3050， 7080 HB5080,珠光體 b1000MPa 0.2600MPa 10， 1215 HB241,4.4.3 碳對工藝性能的影響,1. 切削加工性能,2. 可鍛性 鋼的可鍛性首先與含碳量有關(guān)。低碳鋼的可鍛性較好，隨著含碳量的增加，可鍛性逐漸變差。 奧氏體具有良好的可鍛性，易于塑性變形。因此鋼材的始鍛或始軋溫度一般選在單相奧氏體區(qū)。終鍛溫度不能過低，以免塑性變差。,3. 鑄造性,包括金屬的流動性、收縮性和偏析傾向。,（1）流動性： C量增加，結(jié)晶溫度間隔增大，流動性應(yīng)該變差。但是，隨C量增加，液相線溫度降低。因此，同樣澆鑄溫度下，含C量高的鋼過熱度大，對

11、鋼液的流動性有利。,鑄鐵液相線較低，流動性比鋼好。共晶成分鑄鐵流動性最好。,（2）收縮性：,兩個主要影響因素：化學(xué)成分和澆注溫度,化學(xué)成分一定，澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大；澆注溫度一定，碳含量增加，體積收縮增大；固態(tài)收縮減小。,（3）偏析傾向：,固液相線的水平距離和垂直距離越大，偏析越嚴(yán)重。鑄鐵成分越靠近共晶點，偏析越小。,煉鋼脫氧時，Mn可把FeO還原成鐵，并形成MnO。降低鋼種脆性，提高強度和硬度。 Mn還可與鋼液中的S形成MnS（熔點：1600oC），一定程度上消除S的影響。 這些反應(yīng)產(chǎn)物大部分進(jìn)入爐渣，小部分殘留在鋼中成為 非金屬夾雜物。,1. Mn的影響,4.5,4.5.1 鋼中常見

12、雜質(zhì)元素,殘余的Mn，凝固后溶于奧氏體或鐵素體中，起固溶強化作用。還可溶于滲碳體，形成合金滲碳體（Fe，Mn）3C。 是鋼中的有益元素。,鋼中Si含量通常小于0.5%，脫氧時進(jìn)入，形成SiO2進(jìn)入爐渣或者成為非金屬夾雜物。 Si同樣可以溶于奧氏體或鐵素體中，起固溶強化作用。含量不超過1時，不降低鋼的塑性和韌性。所以，認(rèn)為Si是鋼中的有益元素。,2. Si的影響,冷鐓件和冷沖壓件的鋼材，因Si對鐵素體的強化作用，使鋼的彈性極限升高，以至在加工過程中造成模具的磨損過大，動力消耗過大，因此冷鐓件和冷沖壓件常常采用含Si很低，不脫氧的沸騰鋼。,硅鋼中的Si,提高鐵的電阻率和最大磁導(dǎo)率，降低矯頑力、鐵芯

13、損耗和磁時效。,S可溶于液態(tài)鐵中，但在固態(tài)鐵中的溶解度極小，并可與鐵形成FeS。 FeS與鐵形成熔點為989的（FeFeS）的共晶體，這種共晶體將在鋼液凝固后期凝固，并存在于奧氏體枝晶間。 （FeFeS）共晶體的量很少，幾乎都是離異共晶。網(wǎng)狀FeS對鋼的力學(xué)性能損害極大。,3. S的影響,如果鋼中存在（FeFeS）共晶體，在加熱到11501200之間時，會成為液體 。變形過程中會開裂，稱這種現(xiàn)象為熱脆或紅脆。 如果鋼液脫氧不良，含較多FeO，還會形成熔點更低的（FeFeOFeS)三相共晶體，其危害更大。 可以加Mn防止MnS。,所以，S是一種有害元素。普通質(zhì)量鋼中其含量0.055；優(yōu)質(zhì)鋼中其含

14、量在0.040以下；高級優(yōu)質(zhì)鋼則0.030；要求更高時，甚至限制其含量0.020。,高硫鋼又稱高硫合金鋼（HS），與傳統(tǒng)的純凈鋼概念相對應(yīng)，在傳統(tǒng)鋼材中，一般鋼的含硫量必須低于0.004，優(yōu)質(zhì)鋼不得高于0.003；而在高硫鋼中，含硫量在0.5-11%之間。 以含硫3032%的硫鐵為主要原料，用電弧爐，加入廢鋼和所需合金元素，16001650時加入硫鐵，最后加入脫氧劑，鎮(zhèn)靜后出鋼。鋼中含硫量0.511%，耐磨性提高。可取代鋼、鐵、銅及其銅合金（各種機器的軸瓦、蝸輪、滑塊等）的耐磨制品、延長使用壽命,高硫鋼具有耐高溫、自潤滑、耐磨損、抗粘結(jié)（咬和）的優(yōu)良性能，它可以廣泛應(yīng)用于鋼鐵、機械、礦山、油田

15、、港口、汽車、農(nóng)用車、結(jié)構(gòu)件，高硫合金鋼取代低硫合金鋼，并具有長的使用壽命。,4. P的影響,由于Fe-P相圖中液相線和固相線距離很大，因此P在Fe中具有很強的偏析傾向。 在鐵基合金中，P對鐵素體較之其它元素具有更強的固溶強化能力，但在P含量較高時，它會劇烈地降低鋼的塑性和韌性。,P會降低鋼的沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度，提高鋼的冷脆。 P還會使鋼發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象。藍(lán)脆就是指鋼在加熱到150300時，產(chǎn)生硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。這是因為在空氣中加熱到150300時，由于氧化作用，鋼的表面呈現(xiàn)藍(lán)色。藍(lán)脆一般是有害的。 因此，在含量較高時，P是一種有害元素。一般情況下，普通鋼的P含量限制在0

16、.045以下；優(yōu)質(zhì)鋼在0.04以下；高級優(yōu)質(zhì)鋼在0.035以下。,高P鋼也可被利用： 1）在炮彈鋼中加入較多的P，可使炮彈在爆炸時產(chǎn)生更多的彈片，殺傷更多的敵人； 2）在易削鋼中使鐵素體適當(dāng)脆化，提高切削加工零件的表面光潔度； 3）P和Cu一起加入鋼中，可以提高鋼在大氣中的抗蝕性。,2020/7/28/12:17:45,高強深沖鋼及P的作用,隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和節(jié)約能源、減輕汽車自重的需要，高強度深沖鋼成為研發(fā)熱點。 目前日本開發(fā)的含P深沖鋼： 屈服強度：235MPa 抗拉強度：390MPa,平爐鋼：0.0010.008 純氧頂吹轉(zhuǎn)爐鋼：0.0030.006 電爐鋼：0.0080.03。,

17、5. N的影響,將含N較高的鋼從高溫快速冷卻（淬火），就會得到N的過飽和固溶體，室溫下長期放置或稍微加熱，N就會以FeN的形式析出，使鋼的強度、硬度增高，塑性、韌性降低。這種現(xiàn)象叫做淬火時效。,可以加入足量的Al，與N形成AlN，固定N，從而減弱或消除時效現(xiàn)象。AlN還可以細(xì)化晶粒。,含有N的低碳鋼在冷塑性變形后，性能將隨時間變化，即強度、硬度增高，塑性、韌性降低。這種現(xiàn)象叫做應(yīng)變時效。,H溶入鋼中使鋼的塑性和韌性降低氫脆。 H由原子態(tài)變?yōu)榉肿討B(tài)，體積膨脹形成裂紋白點。,6. H的影響,白點對鋼的性能影響：使鋼的力學(xué)性能大大下降，造成工件開裂、破壞或使用中嚴(yán)重失效，故在任何情況下，凡有白點的鋼

18、材或工件都被禁止使用。,平爐鋼：0.020.03 電爐鋼：0.010.02 側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐鋼：0.040.07。 700時，鐵能溶氧0.008 500 以下降至0.001。 常見的氧化物有Al2O3、MnO、SiO2、 FeO等，往往還會形成復(fù)合氧化物或硅酸鹽。,7. O的影響,4.5.2 鋼錠的組織及其宏觀缺陷,按澆注前鋼液的脫氧程度鋼錠分為： 鎮(zhèn)靜鋼：鋼液澆注前用錳鐵、硅鐵、鋁進(jìn)行充分脫氧，澆注時鋼液不發(fā)生碳-氧反應(yīng)，處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)。 沸騰鋼：冶煉過程中僅用少量錳鐵輕度脫氧，鋼液含氧量高，澆注時發(fā)生碳-氧反應(yīng)，析出大量CO氣體，引起鋼液沸騰。 半鎮(zhèn)靜鋼：介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間。,鎮(zhèn)靜鋼 半沸騰鋼 沸騰鋼,通常注成上大下小帶保溫帽的錠型，澆注時鋼液鎮(zhèn)靜不沸騰。 由于錠模上部有保溫帽（在鋼液凝固時作補充鋼液用），這節(jié)帽頭在軋制開坯后需切除，故鋼的收得率低，但組織致密，偏析小，質(zhì)量均勻。 優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼。,1. 鎮(zhèn)靜鋼,鎮(zhèn)靜鋼錠上部硫磷雜質(zhì)較多，而下部的硅酸鹽夾雜較多，中間部分質(zhì)量最好。 常見缺陷：縮孔和疏松、氣泡、偏析。 與合金凝固過程中的缺陷及形成原因相同。,外殼層凝固速率很大，成分和鋼的平均成分相同。 在柱狀晶形成和成長期間，雜質(zhì)和合金元素富集在柱狀晶間的隧道中。同時在鋼錠中液相發(fā)生擴散以及鋼液的循環(huán)流動，把