第四章鐵碳合金

1、第四章 鐵碳合金生鐵的冶煉生鐵的冶煉4. 1 鐵碳合金的基本相和組織1）組 元工業(yè)純鐵的力學(xué)性能特點(diǎn)是強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。主要用于軟磁。磁性轉(zhuǎn)變 (居里點(diǎn))A. 純 鐵1394游離的碳有石墨和金剛石兩種晶體結(jié)構(gòu)，在鐵碳合金中的游離態(tài)是石墨。石墨(Graphite)具有簡(jiǎn)單六方晶格。同一晶面上碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合，間距0.142nm結(jié)合力較強(qiáng)，兩層晶面的間距為0.34nm，結(jié)合力弱。石墨晶體長(zhǎng)大時(shí)，沿層面的長(zhǎng)大速度較快，即層面的擴(kuò)大快而層的加厚慢，導(dǎo)致其結(jié)晶形態(tài)通常發(fā)展成片狀。石墨的性能特點(diǎn)為耐高溫，可導(dǎo)電，有一定的潤(rùn)滑性，但其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都極低。 B. 碳石墨烯石墨烯石墨烯（石

2、墨烯（GrapheneGraphene）是一種由碳原子以）是一種由碳原子以sp2sp2雜雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的牢固堅(jiān)硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。速度比已知導(dǎo)體都快。 石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至穩(wěn)定存在，直至20042004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)

3、家安德烈理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因?qū)嵥梢詥为?dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得為由，共同獲得20102010年諾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2）鐵碳合金中的基本相B. 相 C在-Fe中的間隙固溶體， fcc結(jié)構(gòu)。稱奧氏體組織，記為 A(Austenite)。最大溶碳量為2.11wt% (1148oC)C. 相C在-Fe中的間隙固溶體，bcc結(jié)構(gòu)。相出現(xiàn)的溫度較高，也稱高溫鐵素體。最大溶碳量為0

4、.09wt% (1495oC)A. 相 C在-Fe中的間隙固溶體， bcc結(jié)構(gòu)。鐵素體組織，記為 F (Ferrite)。 最大溶碳量為0.0218 wt% (727oC)E. 石墨 鐵碳合金中存在的游離碳為石墨，組織記G (Graphite)。 F: 液相鐵碳合金高溫下呈液相，相圖中標(biāo)記 L(Liquid)。 D. Fe3C相鐵和碳生成的間隙化合物，碳的重量百分比為6.69%，晶體結(jié)構(gòu)是復(fù)雜正交晶系，由Fe3C相構(gòu)成的組織稱為滲碳體，依然記為Fe3C，也有寫(xiě)為Cm (Cementite)。 3）鐵碳合金中的基本組織B. 萊氏體 碳的含量為4.3%的液態(tài)鐵碳合金冷卻到1148時(shí)，由液態(tài)中同時(shí)結(jié)

5、晶出的奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，組織記Ld (Ledeburite)。 在727以下，由珠光體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為變態(tài)萊氏體，組織記Ld。A. 珠光體 由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，組織記P (Pearlite)。其中碳的含量為0.77%，是一個(gè)雙相組織，性能介于鐵素體和珠光體之間，即具有一定的強(qiáng)度 、塑性和硬度。4. 2 鐵碳合金相圖 1) 相圖分析 點(diǎn)：14個(gè)。 線：三條等溫轉(zhuǎn)變線； 液相線、固相線 其余線：GS, GP, PQ, ES 區(qū)：5個(gè)單相區(qū) 7個(gè)兩相區(qū) 3個(gè)三相區(qū)2）相圖中各點(diǎn)的參數(shù)及含義3）相圖中相區(qū)五個(gè)單相區(qū)：液相區(qū) L 高溫固溶體 奧氏體 (A) 鐵素體

6、(F)滲碳體 Fe3C 七個(gè)雙相區(qū)： L L L Fe3C Fe3C Fe3C三個(gè)三相區(qū)：HJB線 L ECK線 L Fe3CPSK線 Fe3C4）鐵碳合金三相平衡轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共晶組織稱為萊氏體記為L(zhǎng)d (Ledeburite) 產(chǎn)物為兩相層片交替分布的共析體組織稱為珠光體，記為P (Pearlite) a. HJB線包晶反應(yīng)b. ECK線 共晶反應(yīng)c. PSK線 共析反應(yīng)產(chǎn)物為奧氏體組織，記為g或 A （Austenite）4.3 鐵碳合金平衡冷卻分析根據(jù)組織特征，鐵碳合金按含碳量分為： 工業(yè)純鐵 (C 0.02 wt.%) 鋼 (C 2.11wt.%) 亞共析鋼 ( C 2.11 wt.%）

7、亞共晶 ( 2.114.3 wt% ) 共 晶 ( 4.3 wt% ) 過(guò)共晶 ( 4.3 6.69 wt% ) 1）工業(yè)純鐵 ( C 0.0218 wt.% ) 含碳量大于Q點(diǎn)（0.0008%）時(shí)，理論上將從-Fe中析出的Fe3C稱為三次滲碳體。室溫下三次滲碳體含量最大的是wc = 0.0218 wt%的鐵碳合金，其百分含量為:w (Fe3CIII) = 0.0218/6.69100% 0.33% 但這個(gè)轉(zhuǎn)變大多被抑制，形成微量的過(guò)飽和狀態(tài)。 通常組織為單一鐵素體。1）工業(yè)純鐵 ( C 0.0218 wt.% ) 2) 共析鋼（C = 0.77 wt.%）相轉(zhuǎn)變過(guò)程：L L + ( + Fe

8、3C)P組織轉(zhuǎn)變過(guò)程 L L+A P 共析轉(zhuǎn)變?nèi)可晒参鼋M織，兩相一般為層片狀分布，組織為單一的珠光體。黑色為滲碳體，白色為鐵素體。6503250共析鋼顯微組織共析鋼顯微組織2) 共析鋼（C = 0.77 wt.%）3）亞共析鋼（0.02180.77 wt.% C）成分為0.45%C的亞共析合金的冷卻過(guò)程：L L + (1495 oC)L P (727 oC) Fe3CIII室溫平衡組織：+ P + Fe3CIII亞共析鋼顯微組織亞共析鋼顯微組織3）亞共析鋼（0.02180.77 wt.% C）4）過(guò)共析鋼 ( 0.77 2.11 wt.%） 組織轉(zhuǎn)變：L LA A AFe3CII PFe3

9、CII脆性的滲碳體以網(wǎng)分隔了材料，所以材料的性能特點(diǎn)很脆，工程中使用并不希望出現(xiàn)這種組織。4）過(guò)共析鋼 ( 0.77 2.11 wt.%） 過(guò)共析鋼顯微組織過(guò)共析鋼顯微組織5) 共晶白口鐵（4.3 wt.% C）組織轉(zhuǎn)變 L Ld (Fe3C) Ld（P+Fe3C）相變過(guò)程LFe3C I（萊氏體Ld） P (a+Fe3CII)Ld (P+Fe3CI)（低溫萊氏體）5) 共晶白口鑄鐵（4.3 wt.% C）共晶白口鑄鐵顯微組織共晶白口鑄鐵顯微組織6) 亞共晶白口鐵 (2.11 4.3 wt.% C ) 組織轉(zhuǎn)變 L LA ALd AFe3CIILd PFe3CIILd 亞共晶白口鑄鐵顯微組織亞共

10、晶白口鑄鐵顯微組織6) 亞共晶白口鐵 (2.11 4.3 wt.% C )7）過(guò)共晶白口鐵 (4.36.69 wt.%)組織轉(zhuǎn)變 L L+Fe3CI Fe3CI+Ld Fe3CI+Ld Fe3C的形式：一次滲碳體Fe3CI 二次滲碳體Fe3CII 三次滲碳體Fe3CIII Fe3CI過(guò)共晶白口鑄鐵顯微組織過(guò)共晶白口鑄鐵顯微組織7）過(guò)共晶白口鐵 (4.36.69 wt.%)4.4 碳對(duì)鐵碳合金的影響1）碳對(duì)室溫平衡組織的影響 P+Fe3CIII1）碳對(duì)室溫平衡組織的影響2）含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響3）含碳量對(duì)熱加工性能的影響4.5 碳 鋼1) 碳鋼中的主要雜質(zhì)元素 除Fe、C外，因冶金等因素碳鋼中

11、必然存在一些無(wú)法去除的雜質(zhì)元素，它們對(duì)性能有一定影響。一般指： Si、Mn 冶金時(shí)自然存在對(duì)性能無(wú)不利影響而保留 S、P 冶金時(shí)難以徹底清除而存在于鋼中，大致含量：Si0.250.30%Mn0.250.50%S0.05%P=0.0452）常見(jiàn)雜質(zhì)元素對(duì)性能的影響磷：P可溶入鐵素體，提高強(qiáng)度和硬度，但顯著降低了塑性 和韌性，特別是低溫下會(huì)使性能惡化冷脆性。硫：S在鋼中生成的FeS和Fe的共晶熔點(diǎn)僅988，在此溫度 以上工作和鍛造時(shí)因晶界熔化而開(kāi)裂熱脆。適量 的S可改善鋼的切削性能。硅：Si溶入鐵素體，可提高強(qiáng)度和硬度。錳：Mn與S、C的結(jié)合力比Fe強(qiáng)，可生成MnS，塑性和熔點(diǎn)比 FeS高，消除S

12、的不利影響，但MnS會(huì)降低疲勞強(qiáng)度和斷裂 韌性，所以依然要控制含錳量。Si、Mn含量以自然出現(xiàn)為原則，人為專門(mén)加入組成合金鋼。 3）鋼錠的宏觀組織及其缺陷l 鎮(zhèn)靜鋼：澆注前用錳鐵、硅鐵、鋁進(jìn)行充分脫氧，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.01%，鋼液中不析出一氧化碳，成分均勻，組織比較致密。l 沸騰鋼：脫氧不完全的鋼；僅用少量Al進(jìn)行輕度脫氧，相當(dāng)數(shù)量的氧留在鋼中，澆注時(shí)鋼中氧與碳發(fā)生反應(yīng)，析出大量一氧化碳?xì)怏w，引起鋼的沸騰。凝固后，未排除的氣體在鋼中形成氣泡，補(bǔ)償了凝固收縮，頭部沒(méi)有集中縮孔，軋制時(shí)切頭率低，成材率高。根據(jù)鋼中含氧量和凝固時(shí)放出一氧化碳的程度，可將鋼錠分為：a. 鎮(zhèn)靜鋼錠中的組織缺陷縮 孔

13、：凝固后體積收縮留下的空腔?？勺屍浼性诿?口切去。疏 松：微小分散的收縮孔，枝晶間或晶粒間凝固的 封閉而得不到液體補(bǔ)充而留下的缺陷。軋制可 減小或消除其部分不利影響。氣 孔：凝固中未排出氣體形成的缺陷。夾 雜：與基體成分和組織都不相同的雜質(zhì)。外來(lái)夾雜 物有澆鑄中沖入的耐火材料、破碎鑄模物等。成分偏析：成分不均勻叫做偏析。有宏觀偏析和微觀偏析 l 堅(jiān)殼帶：急冷等軸細(xì)晶層。l 蜂窩氣泡帶：分布在柱狀晶帶內(nèi)的長(zhǎng)形氣泡所構(gòu)成。l 中心堅(jiān)固帶：澆注完畢，鋼錠頭部封頂，碳氧反應(yīng)受擬制，氣泡停止生成，這時(shí)形成沒(méi)有氣泡的由柱狀晶粒組成的中心堅(jiān)固帶。l 二次氣泡帶：結(jié)晶過(guò)程中晶粒收縮在柱狀晶之間形成小空隙，促

14、使碳氧反應(yīng)在此處重又發(fā)生，但生成氣泡不能排除，呈圓形留在錠中，形成二次氣泡帶。l 錠心帶：由粗大等軸晶組成。b. 沸騰鋼錠中的宏觀組織4）碳鋼的分類(lèi)按含碳量分：低碳鋼 WC 0.25中碳鋼 0.25 0.6按質(zhì)量用途分： 普碳鋼 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳結(jié)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳工鋼 碳素工具鋼按質(zhì)量分：普通碳素鋼 WP 0.045 WS 0.055 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 WP 0.040 WS 0.040 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼WP 0.035 WS 0.030冶煉方法：沸騰鋼半鎮(zhèn)定鋼 鎮(zhèn)定鋼 特殊鎮(zhèn)靜鋼5）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼早期牌號(hào)：A1、A2、A3、A7，數(shù)字越大，強(qiáng)度越高， 相應(yīng)塑性就低一些。近期推薦：Q195、Q

15、215、Q235、Q255、Q275，Q的含義為 “屈”，數(shù)字為鋼的屈服強(qiáng)度 MPa。特 點(diǎn)：檢查標(biāo)準(zhǔn)為僅檢查材料的力學(xué)性能，不考察其成 分，大多為軋制的型材(鋼板、圓、扁、管、 角)。鋼廠出廠狀態(tài)為熱軋制后在空氣中自然 冷卻(正火)。性能標(biāo)準(zhǔn)參閱GB70088 用 途：合適的強(qiáng)度，一定的塑性和韌性，價(jià)格較低，大 量用于一般簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)零件。6）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)：08、08F、10、15、20、45、50、65數(shù)字為鋼中C的 含量(萬(wàn)分之幾)基本范圍，0.05一檔。對(duì)其中含S、P較低的 優(yōu)質(zhì)鋼后加字母 A，如45A。特點(diǎn)：出廠檢驗(yàn)要求保證化學(xué)成分為主，力學(xué)性能為輔助檢驗(yàn)項(xiàng) 目。鋼廠出廠時(shí)保證碳的含量，為達(dá)到相應(yīng)的力學(xué)性能指 標(biāo)，其它元素各廠有少量的差異。性能標(biāo)準(zhǔn)參閱GB69988用途：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用來(lái)制造機(jī)器零件，一般都要熱處理以 提高其力學(xué)性能。隨著C含量的增加，材料的強(qiáng)度和硬度愈 高，塑性相應(yīng)會(huì)降低。而以45鋼附近的韌性較好。 此外，鑄鋼的成分參照標(biāo)準(zhǔn)GB11352-89，牌號(hào)ZGxxxxxx，性能一般比相應(yīng)鋼標(biāo)準(zhǔn)略低，用于形狀復(fù)雜性能要求較高或大型難鍛造而又要求較高的強(qiáng)度和塑性，并承擔(dān)沖擊載荷的零件。 7）碳素