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)純鐵的力學性能特點是強度、硬度低，塑性、韌性好。主要用于軟磁。磁性轉(zhuǎn)變 (居里點)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)具有簡單六方晶格。同一晶面上碳原子以共價鍵結(jié)合，間距0.142nm結(jié)合力較強，兩層晶面的間距為0.34nm，結(jié)合力弱。石墨晶體長大時，沿層面的長大速度較快，即層面的擴大快而層的加厚慢，導致其結(jié)晶形態(tài)通常發(fā)展成片狀。石墨的性能特點為耐高溫，可導電，有一定的潤滑性，但其強度、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，只有一個碳原子厚度的二維材料。有一個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，還非常牢固堅硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的牢固堅硬；作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。速度比已知導體都快。 石墨烯一直被認為是假設性的結(jié)構(gòu)，無法單獨石墨烯一直被認為是假設性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至穩(wěn)定存在，直至20042004年，英國曼徹斯特大學物年，英國曼徹斯特大學物理學

3、家安德烈理學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，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因?qū)嵥梢詥为毚嬖?，兩人也因“在二維石墨烯在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得為由，共同獲得20102010年諾年諾貝爾物理學獎。貝爾物理學獎。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，由液態(tài)中同時結(jié)

5、晶出的奧氏體和滲碳體的機械混合物，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械混合物，組織記P (Pearlite)。其中碳的含量為0.77%，是一個雙相組織，性能介于鐵素體和珠光體之間，即具有一定的強度 、塑性和硬度。4. 2 鐵碳合金相圖 1) 相圖分析 點：14個。 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個單相區(qū) 7個兩相區(qū) 3個三相區(qū)2）相圖中各點的參數(shù)及含義3）相圖中相區(qū)五個單相區(qū)：液相區(qū) L 高溫固溶體 奧氏體 (A) 鐵素體

6、(F)滲碳體 Fe3C 七個雙相區(qū)： L L L Fe3C Fe3C Fe3C三個三相區(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Ld (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b. ECK線 共晶反應c. PSK線 共析反應產(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% ) 過共晶 ( 4.3 6.69 wt% ) 1）工業(yè)純鐵 ( C 0.0218 wt.% ) 含碳量大于Q點（0.0008%）時，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% 但這個轉(zhuǎn)變大多被抑制，形成微量的過飽和狀態(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)變過程：L L + ( + Fe

8、3C)P組織轉(zhuǎn)變過程 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很脆，工程中使用并不希望出現(xiàn)這種組織。4）過共析鋼 ( 0.77 2.11 wt.%） 過共析鋼顯微組織過共析鋼顯微組織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過共晶白口鑄鐵顯微組織過共晶白口鑄鐵顯微組織7）過共晶白口鐵 (4.36.69 wt.%)4.4 碳對鐵碳合金的影響1）碳對室溫平衡組織的影響 P+Fe3CIII1）碳對室溫平衡組織的影響2）含碳量對力學性能的影響3）含碳量對熱加工性能的影響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、必然存在一些無法去除的雜質(zhì)元素，它們對性能有一定影響。一般指： Si、Mn 冶金時自然存在對性能無不利影響而保留 S、P 冶金時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）常見雜質(zhì)元素對性能的影響磷：P可溶入鐵素體，提高強度和硬度，但顯著降低了塑性 和韌性，特別是低溫下會使性能惡化冷脆性。硫：S在鋼中生成的FeS和Fe的共晶熔點僅988，在此溫度 以上工作和鍛造時因晶界熔化而開裂熱脆。適量 的S可改善鋼的切削性能。硅：Si溶入鐵素體，可提高強度和硬度。錳：Mn與S、C的結(jié)合力比Fe強，可生成MnS，塑性和熔點比 FeS高，消除S

12、的不利影響，但MnS會降低疲勞強度和斷裂 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、鋁進行充分脫氧，氧的質(zhì)量分數(shù)不超過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進行輕度脫氧，相當數(shù)量的氧留在鋼中，澆注時鋼中氧與碳發(fā)生反應，析出大量一氧化碳氣體，引起鋼的沸騰。凝固后，未排除的氣體在鋼中形成氣泡，補償了凝固收縮，頭部沒有集中縮孔，軋制時切頭率低，成材率高。根據(jù)鋼中含氧量和凝固時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 堅殼帶：急冷等軸細晶層。l 蜂窩氣泡帶：分布在柱狀晶帶內(nèi)的長形氣泡所構(gòu)成。l 中心堅固帶：澆注完畢，鋼錠頭部封頂，碳氧反應受擬制，氣泡停止生成，這時形成沒有氣泡的由柱狀晶粒組成的中心堅固帶。l 二次氣泡帶：結(jié)晶過程中晶粒收縮在柱狀晶之間形成小空隙，促

14、使碳氧反應在此處重又發(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：A1、A2、A3、A7，數(shù)字越大，強度越高， 相應塑性就低一些。近期推薦：Q195、Q

15、215、Q235、Q255、Q275，Q的含義為 “屈”，數(shù)字為鋼的屈服強度 MPa。特 點：檢查標準為僅檢查材料的力學性能，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)。性能標準參閱GB70088 用 途：合適的強度，一定的塑性和韌性，價格較低，大 量用于一般簡單結(jié)構(gòu)零件。6）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號：08、08F、10、15、20、45、50、65數(shù)字為鋼中C的 含量(萬分之幾)基本范圍，0.05一檔。對其中含S、P較低的 優(yōu)質(zhì)鋼后加字母 A，如45A。特點：出廠檢驗要求保證化學成分為主，力學性能為輔助檢驗項 目。鋼廠出廠時保證碳的含量，為達到相應的力學性能指 標，其它元素各廠有少量的差異。性能標準參閱GB69988用途：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用來制造機器零件，一般都要熱處理以 提高其力學性能。隨著C含量的增加，材料的強度和硬度愈 高，塑性相應會降低。而以45鋼附近的韌性較好。 此外，鑄鋼的成分參照標準GB11352-89，牌號ZGxxxxxx，性能一般比相應鋼標準略低，用于形狀復雜性能要求較高或大型難鍛造而又要求較高的強度和塑性，并承擔沖擊載荷的零件。 7）碳素