金屬材料及熱處理第四章改好

1、第四章 鐵 碳 合 金第一節(jié) 鐵碳合金的組元及基本相 鐵是元素周期表上的第鐵是元素周期表上的第2626個(gè)元素，相對(duì)原子個(gè)元素，相對(duì)原子質(zhì)量為質(zhì)量為55.8555.85，屬于過渡族元素。在一個(gè)大氣壓下，屬于過渡族元素。在一個(gè)大氣壓下，它于它于15381538熔化，熔化，27382738汽化。在汽化。在2020時(shí)的密度時(shí)的密度為為7.87g/cm7.87g/cm3 3。一、純 鐵 如前所述，鐵具有多晶型性，圖4-1是鐵的冷卻曲線。由圖可以看出，鐵就具有三種同素異構(gòu)狀態(tài)，即-Fe、-Fe和-Fe。 通常把-Fe -Fe稱為A4轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)稱為點(diǎn)A4. 當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)至921時(shí)， -Fe

2、-Fe，稱為A3轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)稱為點(diǎn)A3.在921以下，鐵結(jié)構(gòu)不再發(fā)以下，鐵結(jié)構(gòu)不再發(fā)生改變。生改變。（一）鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變圖4-1 純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化 固態(tài)下同素異晶轉(zhuǎn)變與液態(tài)一樣，也是形核與長大，為了區(qū)別于液態(tài)結(jié)晶，將這種固態(tài)下的相變結(jié)晶過程稱為重結(jié)晶。 純鐵在凝固后的冷卻過程中，經(jīng)兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變后晶粒得到細(xì)化，如圖4-2所示。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變具有很大的實(shí)際意義，它是鋼的合金化和熱處理的基礎(chǔ)。（一）鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變圖4-2 純鐵結(jié)晶后的組織a）初生的-Fe晶粒 b）-Fe晶粒 c）室溫組織-Fe晶粒 鐵素體鐵素體是碳溶于是碳溶于-Fe-Fe中的間隙固溶體，為體心立中的間

3、隙固溶體，為體心立方晶格，常用符號(hào)方晶格，常用符號(hào)F F或或表示。表示。 奧氏體奧氏體是碳溶于是碳溶于-Fe-Fe中的間隙固溶體，為面心立中的間隙固溶體，為面心立方晶格，常用符號(hào)方晶格，常用符號(hào)A A或或表示。表示。 鐵素體和奧氏體是鐵碳相圖中鐵素體和奧氏體是鐵碳相圖中兩個(gè)兩個(gè)十分十分重要的基本重要的基本相。相。 兩者溶碳能力差別很大，鐵素體最大溶碳量在兩者溶碳能力差別很大，鐵素體最大溶碳量在727727僅為僅為0.0218%0.0218%，在室溫下就更低了，在，在室溫下就更低了，在0.001%0.001%以以下。而奧氏體在下。而奧氏體在11481148為為2.11%2.11%。 致密度分別為

4、致密度分別為0.680.68，0.74 0.74 ，顯然和晶體結(jié)構(gòu)的間，顯然和晶體結(jié)構(gòu)的間隙尺寸有關(guān)，據(jù)測(cè)，奧氏體八面體間隙半徑隙尺寸有關(guān)，據(jù)測(cè)，奧氏體八面體間隙半徑0.0535nm,0.0535nm,鐵素體八面體間隙半徑為鐵素體八面體間隙半徑為0.01826 nm.0.01826 nm.碳原子半徑碳原子半徑0.077 nm,0.077 nm,所以溶碳能力差別那么大原因。所以溶碳能力差別那么大原因。（二）鐵素體與奧氏體工業(yè)純鐵的含鐵量一般為wFe=99.8%99.9%，含有w=0.1%0.2%的雜質(zhì)，其中主要是碳。純鐵的力學(xué)性能因其純度和晶粒大小的不同而差別很大。 純鐵的塑性和韌性很好，但其強(qiáng)

5、度很低，很少用作結(jié)構(gòu)材料。(鐵素體性能與純鐵基本相同），奧氏體的塑性很好。 純鐵的主要用途是利用它所具有的鐵磁性。工業(yè)上煉制的電工純鐵和工程純鐵具有高的磁導(dǎo)率，可用于要求軟磁性的場(chǎng)合，如各種儀器儀表的鐵心等。 P108頁有機(jī)械性能。（三）純鐵的性能與應(yīng)用 純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化：純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的顯微組織純鐵的顯微組織: 單相的單相的Fe 滲碳體是鐵與碳形成的間隙化合物Fe3C，含碳量wC為6.69%，可以用符號(hào)C Cm m表示，是鐵碳相圖

6、中的重要基本相。 滲碳體屬于正交晶系，晶體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，三個(gè)晶格常數(shù)分別為a=0.452nm，b=0.509nm，c=0.674nm。圖4.3（P108頁）示出了滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)，晶胞中含有12個(gè)鐵原子和4個(gè)碳原子，符合Fe：C=3：1的關(guān)系。 滲碳體具有很高的硬度，約為800HB，但塑性很差，伸長率接近于零。滲碳體于低溫下具有一定的鐵磁性，但是在230以上，這種鐵磁性就消失了，所以230是滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度，稱為A0轉(zhuǎn)變。根據(jù)理論計(jì)算，滲碳體的熔點(diǎn)為1227。二、滲 碳 體滲 碳 體圖4-3 滲碳體晶胞中的原子配置 純鐵純鐵(工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵)的性能的性能 強(qiáng)度低：強(qiáng)度低：(b=18023

7、0MPa); 硬度低：硬度低：(50HBS80HBS)、軟、軟; 塑性好：塑性好：(:3050； :70 80 )純鐵、鐵素體、奧氏體、滲碳體性能小結(jié)純鐵、鐵素體、奧氏體、滲碳體性能小結(jié) 基本組元基本組元： Fe、C 基本相基本相： 鐵素體鐵素體(或或 F ) ： 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能性能: 強(qiáng)硬度低強(qiáng)硬度低(50HBS80HBS)， 塑韌性好塑韌性好(:70 80 ; Ak=160J ) 與工業(yè)純鐵基本相同與工業(yè)純鐵基本相同良好塑韌性良好塑韌性鋼鋼中基體相中基體相 鐵素體鐵素體 奧氏體奧氏體(或或 A ) 基本組元基本組元： Fe、C 基本相基本相： 奧

8、氏體奧氏體 (或或 A ) ： 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能性能: 強(qiáng)硬度較低強(qiáng)硬度較低； 塑性較好塑性較好 合金化后成為室溫合金化后成為室溫基體相基體相 滲碳體滲碳體(Fe3C) Fe與與C形成的金屬化合物，含形成的金屬化合物，含6.69%C， 性能性能 強(qiáng)度低：強(qiáng)度低：b= 30MPa; 硬度高：硬度高：800HB 無塑性：無塑性：=0; =0; Ak=0 硬、脆硬、脆 鋼中強(qiáng)化相鋼中強(qiáng)化相三相區(qū)三相區(qū) P D C（包晶線），（包晶線），D點(diǎn)稱為包晶點(diǎn)點(diǎn)稱為包晶點(diǎn) 包晶轉(zhuǎn)變式：包晶轉(zhuǎn)變式： L（液相）（液相） + （固相）（固相） (固相）固相）包晶相圖包晶相圖共

9、晶相圖共晶相圖EABCDFG冷卻曲線冷卻曲線結(jié)晶過程示意圖結(jié)晶過程示意圖當(dāng)合金緩慢冷卻共晶點(diǎn)時(shí)：當(dāng)合金緩慢冷卻共晶點(diǎn)時(shí)：L LE E C C+ + D D共析相圖 共析轉(zhuǎn)變式： s p+FeC3 在一定溫度下，有一種固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N固在一定溫度下，有一種固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N固態(tài)的混合物。共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為態(tài)的混合物。共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體，符號(hào)珠光體，符號(hào)P表示。共析轉(zhuǎn)變水平線稱為共析線或共析溫度，表示。共析轉(zhuǎn)變水平線稱為共析線或共析溫度，常用常用A1表示表示。第二節(jié) Fe-Fe3C相圖分析 圖4.4是Fe-Fe3C相圖，圖中各特性點(diǎn)的溫度，碳濃度及意義示于表4-1中。各特性點(diǎn)的符號(hào)是國際通用的，不能隨意更

10、換。 圖中有圖中有1414個(gè)點(diǎn)，個(gè)點(diǎn)，A AQ Q，每個(gè)點(diǎn)有自己的溫度、含碳量每個(gè)點(diǎn)有自己的溫度、含碳量及意義。及意義。 兩條線：液、固相線；兩條線：液、固相線； 五個(gè)單相區(qū)；五個(gè)單相區(qū)； 七個(gè)兩相區(qū)；七個(gè)兩相區(qū)； 兩條磁性轉(zhuǎn)變線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線：M0M0為鐵素體磁性轉(zhuǎn)變線，為鐵素體磁性轉(zhuǎn)變線，230230虛虛線為滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變線。線為滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變線。 三條水平線：（包晶、共晶、包析）轉(zhuǎn)變線，包含三三條水平線：（包晶、共晶、包析）轉(zhuǎn)變線，包含三個(gè)反應(yīng)。個(gè)反應(yīng)。一、相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)及其意義相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)及其意義圖4-4 以相組成表示的鐵碳相圖相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)及其意義表4-1 鐵碳合

11、金相圖中的特性點(diǎn)LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912HJ點(diǎn)點(diǎn)包晶點(diǎn)包晶點(diǎn) 1495 0.17% CC點(diǎn)點(diǎn)共晶點(diǎn)共晶點(diǎn) 1148 4.3% CS點(diǎn)點(diǎn)共析點(diǎn)共析點(diǎn) 727 0.77% LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008E點(diǎn)點(diǎn)的最大溶碳量的最大溶碳量 2.11% CP點(diǎn)點(diǎn)的最大溶碳量

12、的最大溶碳量 0.0218% CGS:又稱為又稱為A3線，是線，是 ，奧氏體與鐵素體轉(zhuǎn)，奧氏體與鐵素體轉(zhuǎn)變線；隨含碳量增加，變線；隨含碳量增加， 異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008ES:是碳在是碳在中溶解中溶解度曲線，當(dāng)溫度低于度曲線，當(dāng)溫度低于此曲線，就從此曲線，就從析出析出滲碳體，通常稱為二滲碳體，通常稱為二次滲碳體，次滲碳體， Fe3C該該曲線可稱為二次滲碳曲線可稱為二次滲碳體開始析出線。體開始析出線。ES也叫也叫Acm線。線

13、。PQ:是碳在鐵素體中溶解度曲線。在是碳在鐵素體中溶解度曲線。在727時(shí)達(dá)到中最大值，隨時(shí)達(dá)到中最大值，隨溫度降低，溫度降低，F(xiàn)溶碳量減低。當(dāng)溶碳量減低。當(dāng)F從從727冷卻下來時(shí)冷卻下來時(shí)，從，從F析出析出滲碳體，稱為三次滲碳體。符號(hào)滲碳體，稱為三次滲碳體。符號(hào)Fe3CIII圖4-1 純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008包晶線包晶線HJB LB+H J共析線共析線PSKS P+Fe3C產(chǎn)物珠光體，產(chǎn)物珠光體，P是層是層片狀，用片狀

14、，用P表示。產(chǎn)表示。產(chǎn)物可用杠桿定律計(jì)算。物可用杠桿定律計(jì)算。共晶線共晶線ECF LC E+Fe3C混合物稱為萊氏體混合物稱為萊氏體 符號(hào)表示符號(hào)表示 Ld，滲碳，滲碳體很脆，塑性很差。體很脆，塑性很差。不同放大倍數(shù)不同放大倍數(shù)下下P的顯微組織的顯微組織 組織組織 Fe-C合金成分范圍寬，相構(gòu)成只三個(gè)，合金成分范圍寬，相構(gòu)成只三個(gè)，但性能差別大，原因：相之間具體組合方式但性能差別大，原因：相之間具體組合方式不同，或單相或混合相存在不同，或單相或混合相存在 不同組織不同組織 （1）鐵素體）鐵素體(F) （2）奧氏體）奧氏體(A) （3）滲碳體）滲碳體(Fe3C) （4）珠光體）珠光體(P) ：F

15、 Fe3C；共析共析反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物 （5）萊氏體）萊氏體(Ld)：AFe3C；共晶共晶反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物 （6）變態(tài)萊氏體）變態(tài)萊氏體(Ld)：PFe3C單單相相組組織織兩兩相相組組織織 在1495的恒溫下，wC=0.53%的液相與wC=0.09%的鐵素體發(fā)生包晶反應(yīng)，形成wC=0.17%的奧氏體。 進(jìn)行包晶反應(yīng)時(shí)，奧氏體沿相與液相的界面生核，并向相和液相兩個(gè)方向長大。包晶反應(yīng)終了時(shí)，相與液相同時(shí)耗盡，變?yōu)閱蜗鄪W氏體。含碳量wC在0.09%0.17%之間的合金，由于鐵素體的量較多，當(dāng)包晶反應(yīng)結(jié)束后，液相耗盡，仍殘留一部分鐵素體。這部分相在隨后的冷卻過程中，通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變而變成奧氏體。含碳量w

16、C在0.17%0.53%之間的合金，由于反應(yīng)前的相較少，液相較多，所以在包晶反應(yīng)結(jié)束后，仍殘留一定量的液相，這部分液相在隨后冷卻過程中結(jié)晶成奧氏體。二、包 晶 轉(zhuǎn) 變（水平線HJB）包 晶 轉(zhuǎn) 變（水平線HJB） wC0.09%的合金，在按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶為固溶體之后，繼續(xù)冷卻時(shí)將在NH與NJ線之間發(fā)生固溶體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，變?yōu)閱蜗鄪W氏體。含碳量wC在0.53%2.11%之間的合金，按勻晶轉(zhuǎn)變凝固后，組織也是單相奧氏體。 總之，含碳量wC2.11%的合金在冷卻過程中，都可在一定的溫度區(qū)間內(nèi)得到單相的奧氏體組織。 應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于鐵碳合金來說，由于包晶反應(yīng)溫度高，碳原子的擴(kuò)散較快，所以包晶偏析并不嚴(yán)重

17、。但對(duì)于高合金鋼來說，合金元素的擴(kuò)散較慢，就可能造成嚴(yán)重的包晶偏析。 Fe-Fe3C相圖上的共晶轉(zhuǎn)變是在1148的恒溫下，由wC=4.3%的液相轉(zhuǎn)變?yōu)閣C=2.11%的奧氏體和滲碳體組成的混合物。 共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體和滲碳體的混合物，稱為萊氏體，以符號(hào)Ld表示。凡是含碳量wC在2.11%6.69%范圍內(nèi)的合金，都要進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變。 在萊氏體中，滲碳體是連續(xù)分布的相，奧氏體呈顆粒狀分布在滲碳體的基底上。由于滲碳體很脆，所以萊氏體是塑性很差的組織。三、共晶轉(zhuǎn)變（水平線ECF） FeFe3C相圖上的共析轉(zhuǎn)變是在727恒溫下，由wC=0.77%的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閣C=0.0218%的鐵素體和滲碳體組成的

18、混合物。 共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體，用符號(hào)P表示。共析轉(zhuǎn)變的水平線PSK，稱為共析線或共析溫度，常用符號(hào)A1表示。凡是含碳量wC0.0218%的鐵碳合金都將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。四、共析轉(zhuǎn)變（水平線PSK） （一）GS線 GS線又稱為A3線，它是在冷卻過程中由奧氏體析出鐵素體的開始線，或者說在加熱過程中鐵素體溶入奧氏體的終了線。事實(shí)上，GS線是由G點(diǎn)（A3點(diǎn)）演變而來，隨著含碳量的增加，奧氏體向鐵素體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度逐漸下降，使得A3點(diǎn)變成了A3線。五、三條重要的特性曲線三條重要的特性曲線 ES線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。當(dāng)溫度低于此曲線時(shí)，就要從奧氏體中析出次生滲碳體，通常稱之為二次滲碳體，用F

19、e3C表示，因此該曲線又是二次滲碳體的開始析出線。ES線也叫Acm線。 由相圖可以看出，E點(diǎn)表示奧氏體的最大溶碳量，即奧氏體的溶碳量在1148時(shí)為wC=2.11，其摩爾比相當(dāng)于9.1。這表明，此時(shí)鐵與碳的摩爾比差不多是10：1，相當(dāng)于2.5個(gè)奧氏體晶胞中才有一個(gè)碳原子。（二）ES線三條重要的特性曲線 PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵素體中的最大溶碳量，于727時(shí)達(dá)到最大值wC=0.0218。隨著溫度的降低，鐵素體中的溶碳量逐漸減少，在300以下，溶碳量wC小于0.001。因此，當(dāng)鐵素體從727冷卻下來時(shí)，要從鐵素體中析出滲碳體，稱之為三次滲碳體，用Fe3C表示。（三）PQ線第三節(jié) 鐵碳合金

20、的平衡結(jié)晶過程及 其組織 鐵碳合金的組織是液態(tài)結(jié)晶及固態(tài)相變的綜合結(jié)果，研究鐵碳合金的結(jié)晶過程，目的在于分析合金的組織形成，以考慮其對(duì)性能的影響。為了討論方便起見，先將鐵碳合金進(jìn)行分類。通常按有無共晶轉(zhuǎn)變將通常按有無共晶轉(zhuǎn)變將其分為碳鋼和鑄鐵兩大類，即其分為碳鋼和鑄鐵兩大類，即w wC C2.112.11的為碳鋼，的為碳鋼，w wC C2.112.11的為鑄鐵。的為鑄鐵。w wC C0.02180.0218的為工業(yè)純鐵。的為工業(yè)純鐵。按Fe-Fe3C系結(jié)晶的鑄鐵，碳以Fe3C形式存在，斷口呈亮白色，稱為白口鑄鐵。LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNH

21、A1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵鋼鋼鑄鐵鑄鐵按照鐵碳相圖，按照鐵碳相圖，根據(jù)碳含量不同根據(jù)碳含量不同分為三大類：分為三大類：根據(jù)組織特征，將鐵碳合金分為七種類型：根據(jù)組織特征，將鐵碳合金分為七種類型： （1）工業(yè)純鐵）工業(yè)純鐵 Wc0.0218 （2）共析鋼）共析鋼 Wc=0.77 （3）亞共析鋼）亞共析鋼 Wc=0.02180.77 （4）過共析鋼）過共析鋼 Wc=0.772.11 （5）共晶白口鐵）共晶白口鐵 Wc=4.3 （6）亞共晶白口鐵）亞共晶白口鐵 Wc=2.114.3 （7）過共晶白口鐵）過共晶白口鐵 W

22、c=4.306.69LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵共析鋼共析鋼過共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共析鋼亞共析鋼圖4-7 wC=0.01%的工業(yè)純鐵結(jié)晶過程示意圖一、wC=0.01的工業(yè)純鐵LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0

23、008合金合金 W WC C= 0.01% = 0.01% 的工業(yè)純鐵的工業(yè)純鐵常溫下的組織構(gòu)成：常溫下的組織構(gòu)成：F+Fe3CwC=0.01的工業(yè)純鐵圖4-8 工業(yè)純鐵的室溫組織二、共 析 鋼圖4-9 wC=0.77%的碳鋼結(jié)晶過程示意圖LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.32.1111487270.770.02186.691495L+合金合金：共析鋼：共析鋼727時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變： S (PFe3C) = P常溫下的組織構(gòu)成：常溫下的組織構(gòu)成： P(析出少量三次滲碳體數(shù)量少，析出少量三次滲碳體數(shù)量少，

24、在顯微鏡下難辨析，忽略）在顯微鏡下難辨析，忽略）計(jì)算珠光體中鐵素體和滲碳體的相對(duì)含量？計(jì)算珠光體中鐵素體和滲碳體的相對(duì)含量？LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.008WF=SK/PK =(6.690.77)/(6.690.0218)100% =88.7%W Fe3C = 188.7% = 11.3%不同放大倍數(shù)不同放大倍數(shù)下下P的顯微組織的顯微組織 三、亞 共 析 鋼圖4-10 wC=0.40%的碳鋼結(jié)晶過程示意圖LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQ

25、GKFDABC%FeT JNA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.32.1111487270.770.02186.691495L+亞共析鋼亞共析鋼(0.4%C)(0.4%C)常溫下的組織構(gòu)成：常溫下的組織構(gòu)成：F先共析先共析 P（三次滲碳體忽三次滲碳體忽略不計(jì)，數(shù)量少）略不計(jì)，數(shù)量少）LLFe3C亞 共 析 鋼圖4-11 亞共析鋼的室溫組織a）wC=0.20% b）wC=0.40% c）wC=0.60%先共析先共析FP0.02186.690.77727F + Fe3C 相相 區(qū)區(qū)0.4計(jì)算計(jì)算WC=0.4%鋼中的組織組成物鋼中的組織組成物 W F先先 = (0.770.40) / (0.770.02

26、18) 100% = 49.5%WP = 149.5% = 50.5% 先共析先共析F 和和 P 的含量？的含量？ 此時(shí)相組成物的含量：（鐵素體、滲碳體是室溫下的相，室溫下的組織是鐵素體與珠光體） 所以用杠桿定律可求相得含量：0.02186.690.77727F + Fe3C 相相 區(qū)區(qū)0.4計(jì)算相組成物計(jì)算相組成物WF = (6.690.40) / (6.690.0218) 100% = 94.3%WFe3C = 194.3% = 5.7% 鐵素體鐵素體 和和 Fe3C 的含量？的含量？四、過 共 析 鋼圖4-12 wC=1.2%的碳鋼結(jié)晶過程示意圖過共析鋼過共析鋼( 1.0%C )L1.0

27、 0.77 +Fe3CP +Fe3C相構(gòu)成：相構(gòu)成：F+ Fe3C 組織構(gòu)成：組織構(gòu)成： Fe3C+P過 共 析 鋼圖4-13 wC=1.2%的過共析鋼緩冷后的組織a）硝酸酒精浸蝕，白色網(wǎng)狀相為二次滲碳體，暗黑色為珠光體b）苦味酸鈉浸蝕，黑色為二次滲碳體，淺白色為珠光體五、共晶白口鐵圖4-14 wC=1.2%的白口鐵結(jié)晶過程示意圖1148727合金合金 共晶白口鐵共晶白口鐵 1148發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 LC E+ Fe3C萊氏體萊氏體 Ld室溫組織：室溫組織：室溫萊氏體（變態(tài)萊氏體）室溫萊氏體（變態(tài)萊氏體）Ld(P+ Fe3C Fe3C)共晶白口鐵圖4-15 共晶白口鐵的室溫組織珠光體分

28、布在共晶滲碳體上六、亞共晶白口鐵圖4-16 wC=1.2%的白口鐵結(jié)晶過程示意圖K 合金合金 亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 組織構(gòu)成：組織構(gòu)成： P + Ld2.114.30.7711487276.69亞共晶白口鐵圖4-17 亞共晶白口鐵的室溫組織七、過共晶白口鐵圖4-18 wC=5.0%的白口鐵結(jié)晶過程示意圖2.114.30.7711487276.69 合金合金過共晶白口鐵過共晶白口鐵組織構(gòu)成：組織構(gòu)成： Fe3C+ Ld過共晶白口鐵圖4-19 過共晶白口鐵的室溫組織 PLdFFFe3CF先先+PPP+Fe3CLdFe3CLd組織構(gòu)成圖組織構(gòu)成圖第四節(jié) 含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織 和性能的影響 根

29、據(jù)運(yùn)用杠桿定律進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，可將鐵碳合金的成分與平衡結(jié)晶后的組織組成物及相組成物之間的定量關(guān)系總結(jié)如圖4-21所示。一、對(duì)平衡組織的影響圖4-21 鐵碳合金的成分與組織的關(guān)系 鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相。珠光體由鐵素體和滲碳體所組成，滲碳體以細(xì)片狀分散地分布在鐵素體基體上，起了強(qiáng)化作用。因此珠光體有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑性較差。珠光體內(nèi)的層片越細(xì)，則強(qiáng)度越高。二、對(duì)力學(xué)性能的影響應(yīng)力應(yīng)力: = P/A0 (MPa)應(yīng)變應(yīng)變: = L/L1 =(L1-L0)/L0彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形斷裂斷裂 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)力 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度：材料在破斷

30、前所承受的最：材料在破斷前所承受的最大應(yīng)力值（大應(yīng)力值（ b ） , Mpa 。 產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力。產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力。 存在頸縮現(xiàn)象存在頸縮現(xiàn)象不均勻塑性變形不均勻塑性變形注意：注意： 塑性變形中塑性變形中: s b 塑性塑性 材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力。材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力。 (1) 伸長率伸長率（ ）：試樣拉斷后標(biāo)距的增）：試樣拉斷后標(biāo)距的增長量與原始標(biāo)距長度之比長量與原始標(biāo)距長度之比; = (L斷后斷后-L原始原始)/ L原始原始%=L / L0 % (2) 斷面收縮率斷面收縮率（ ）：試樣拉斷處橫截）：試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之

31、比面積的縮減量與原始橫截面積之比. = (A原始原始- A斷后斷后)/ A原始原始%=A / A0 %對(duì)力學(xué)性能的影響 在白口鐵中，由于含有大量滲碳體，故脆性很大，強(qiáng)度很低。 滲碳體的硬度很高，且極脆，不能使合金的塑性提高，合金的塑性變形主要由鐵素體來提供。因此，合金中含碳量增加而使鐵素體減少時(shí)，鐵碳合金的塑性不斷降低。當(dāng)組織中出現(xiàn)以滲碳體為基體的低溫萊氏體時(shí)，塑性降低到接近于零值。對(duì)力學(xué)性能的影響 硬度是對(duì)組織組成物或組成相的形態(tài)不十分敏感的性能，它的大小主要決定于組成相的數(shù)量和硬度。因此，隨著含碳量的增加，高硬度的滲碳體增多，低硬度的鐵素體減少，鐵碳合金的硬度呈直線升高。 （一）切削加工性

32、能 鋼的含碳量對(duì)切削加工性能有一定的影響。 舉例：低碳鋼中的鐵素體較多，塑性韌性好，切削加工時(shí)產(chǎn)生的切削熱較大，容易粘刀，而且切屑不易折斷，影響表面粗糙度，因此切削加工性能不好。 高碳鋼中滲碳體多，硬度較高，嚴(yán)重磨損刀具，切削性能也差。 中碳鋼中的鐵素體與滲碳體的比例適當(dāng)，硬度和塑性也比較適中，其切削加工性能較好。一般認(rèn)為，鋼的硬度大致為250HBW時(shí)切削加工性能較好。三、對(duì)工藝性能的影響 具有奧氏體組織的鋼導(dǎo)熱性低，切削熱很少為工件所吸收，而基本上集聚在切削刃附近，因而使刃具的切削刃變熱，降低了刀具壽命。因此，盡管奧氏體鋼的硬度不高，但切削加工性能不好。 鋼的導(dǎo)熱性對(duì)切削加工性具有很大的意義

33、。 金屬的可鍛性是指金屬在壓力加工時(shí)，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。 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。（二）可鍛性 1流動(dòng)性 流動(dòng)性決定了液態(tài)金屬充滿鑄型的能力。流動(dòng)性受很多因素的影響，其中最主要的是化學(xué)成分和澆注溫度的影響。（三）鑄造性 在化學(xué)成分中，碳對(duì)流動(dòng)性影響最大。 隨著含碳量的增加，鋼的結(jié)晶溫度間隔增大，流動(dòng)性應(yīng)該變差。 但是，隨著含碳量的提高，液相線溫度降低，因而，當(dāng)澆注溫度相同時(shí)，含碳量高的鋼，其鋼液溫度與液相線溫度之差較大，即過熱度較大，對(duì)鋼液的流動(dòng)性有利。 所以鋼液的流動(dòng)性隨含碳量的增加而提高。澆注溫度越高，流動(dòng)性越好。當(dāng)澆注

34、溫度一定時(shí)，過熱度越大，流動(dòng)性越好。 2收縮性 鑄件從澆注溫度至室溫的冷卻過程中，其體積和線尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。收縮是鑄造合金本身的物理性質(zhì)，是鑄件產(chǎn)生許多缺陷，如縮孔、縮松、殘留內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因。 金屬從澆注溫度冷卻到室溫要經(jīng)歷三個(gè)互相聯(lián)系的收縮階段： （1）液態(tài)收縮 從澆注溫度到開始凝固（液相線溫度）這一溫度范圍內(nèi)的收縮稱為液態(tài)收縮。 （2）凝固收縮 從凝固開始到凝固終止（固相線溫度）這一溫度范圍內(nèi)的收縮稱為凝固收縮。 （3）固態(tài)收縮 從凝固終止至冷卻到室溫這一溫度范圍內(nèi)的收縮稱為固態(tài)收縮。 影響碳鋼收縮性的主要因素是化學(xué)成分和澆注溫度等。 3枝晶偏析 固相線和液相線的水

35、平距離和垂直距離越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。鑄鐵的成分越靠近共晶點(diǎn)，偏析越小；相反，越遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)，則枝晶偏析越嚴(yán)重。第五節(jié) 鋼中的雜質(zhì)元素及鋼錠組織 （一）錳和硅的影響 錳和硅是煉鋼過程中必須加入的脫氧劑，用以去除溶于鋼液中的氧。它還可把鋼液中的FeO還原成鐵，并形成MnO和SiO2。錳除了脫氧作用外，還有除硫作用，即與鋼液中的硫結(jié)合成MnS，從而在相當(dāng)大程度上消除硫在鋼中的有害影響。這些反應(yīng)產(chǎn)物大部分進(jìn)入爐渣，小部分殘留于鋼中，成為非金屬夾雜物。一、鋼中的雜質(zhì)元素及其影響鋼中的雜質(zhì)元素及其影響 脫氧劑中的錳和硅總會(huì)有一部分溶于鋼液中，冷至室溫后即溶于鐵素體中，提高鐵素體的強(qiáng)度。 錳對(duì)碳鋼的力學(xué)性能

36、有良好的影響，它能提高鋼的強(qiáng)度和硬度，當(dāng)含錳量不高（wMn0.8）時(shí)，可以稍微提高或不降低鋼的塑性和韌性。 碳鋼中的含硅量wSi一般小于0.5，它也是鋼中的有益元素，在沸騰鋼中的含量很低，而鎮(zhèn)靜鋼的含量較高。硅溶于鐵素體后有很強(qiáng)的強(qiáng)化作用，顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但含量較高時(shí)，將使鋼的塑性和韌性下降。（一）錳和硅的影響 硫是鋼中的有害元素，它是在煉鋼時(shí)由礦石和燃料帶到鋼中來的雜質(zhì)。硫只能溶于鋼液中，在固態(tài)鐵中幾乎不能溶解，而是以FeS夾雜的形式存在于固態(tài)鋼中。 硫的最大危害是引起鋼在熱加工時(shí)開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。 原因：硫化鐵偏析嚴(yán)重。即使含量不高，也會(huì)出現(xiàn)鐵與硫化鐵共晶。比如鋼在凝固時(shí)，共

37、晶組織中鐵容易依附在先共晶相-鐵晶體生長，把硫化鐵留在晶界處，形成離異共晶。 硫化鐵熔點(diǎn)989，而熱加工一般，而熱加工一般1150115012501250以上，導(dǎo)以上，導(dǎo)致開裂。致開裂。 （二）硫的影響 防止熱脆辦法：加入適量錳 ，錳與硫親和力大于鐵余硫。形成硫化錳。而硫化錳熔點(diǎn)1600，高于熱加工溫度。一般工業(yè)鋼含錳量是硫元素510倍。 含硫量高時(shí)，還會(huì)使鋼鑄件在鑄造應(yīng)力作用下產(chǎn)生熱裂紋，同樣，也會(huì)使焊接件在焊縫處產(chǎn)生熱裂紋。在焊接時(shí)產(chǎn)生的SO2氣體，還使焊縫產(chǎn)生氣孔和縮松。鋼中的雜質(zhì)元素及其影響 一般說來，磷是有害的雜質(zhì)元素，它是由礦石和生鐵等煉鋼原料帶入的。磷在鐵中具有較大的溶解度，所以

38、鋼中的磷一般都固溶于鐵中。磷具有很強(qiáng)的強(qiáng)化作用，它使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著提高，但劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，稱為冷脆。（三）磷的影響鋼中的雜質(zhì)元素及其影響 此外，磷還具有嚴(yán)重的偏析傾向，并且它在-Fe和-Fe中的擴(kuò)散速度很小，很難用熱處理的方法予以消除。 在一定條件下磷也具有一定的有益作用。它與銅共存時(shí)，可以顯著提高鋼的耐大氣腐蝕能力。（三）磷的影響鋼中的雜質(zhì)元素及其影響 一般認(rèn)為，鋼中的氮是有害元素，但是氮作為鋼中合金元素的應(yīng)用，已日益受到重視。 氮的有害作用主要是通過淬火時(shí)效和應(yīng)變時(shí)效造成的。 氮在-Fe中的溶解度在591時(shí)最大，約為wN=0.1。隨著溫度的降低，溶解度急劇下降，在室

39、溫時(shí)小于0.001。（四）氮的影響 如果將含氮較高的鋼從高溫急速冷卻下來（淬火）時(shí)，就會(huì)得到氮在-Fe中的過飽和固溶體，將此鋼材在室溫下長期放置或稍加熱時(shí)，氮就逐漸以氮化鐵的形式從鐵素體中析出，使鋼的強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性下降，使鋼材變脆，這種現(xiàn)象叫做淬火時(shí)效。鋼中的雜質(zhì)元素及其影響 另外，含有氮的低碳鋼材經(jīng)冷塑性變形后，性能也將隨著時(shí)間而變化，即強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性明顯下降，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變時(shí)效。 不管是淬火時(shí)效，還是應(yīng)變時(shí)效，對(duì)低碳鋼材性能的影響都是十分有害的。 解決的方法是往鋼中加入足夠數(shù)量的鋁，鋁能與氮結(jié)合成AlN，這樣就可以減弱或完全消除這兩種在較低溫度下發(fā)生的時(shí)效現(xiàn)象。此外，Al

40、N還阻礙加熱時(shí)奧氏體晶粒的長大，從而起細(xì)化晶粒作用。（四）氮的影響 氫對(duì)鋼的危害是很大的。 一是引起氫脆，即在低于鋼材強(qiáng)度極限的應(yīng)力作用下，經(jīng)一定時(shí)間后，在無任何預(yù)兆的情況下突然斷裂，往往造成災(zāi)難性的后果。鋼的強(qiáng)度越高，對(duì)氫脆的敏感性往往越大。 二是導(dǎo)致鋼材內(nèi)部產(chǎn)生大量細(xì)微裂紋缺陷白點(diǎn)，在鋼材縱斷面上呈光滑的銀白色的斑點(diǎn)，在酸洗后的橫斷面上則呈較多的發(fā)絲狀裂紋。 白點(diǎn)使鋼材的伸長率顯著下降，尤其是斷面收縮率和沖擊韌度降低得更多，有時(shí)可接近于零值。因此存在白點(diǎn)的鋼是不能使用的。這種缺陷主要發(fā)生在合金鋼中。（五）氫的影響 氧在鋼中的溶解度非常小，幾乎全部以氧化物夾雜的形式存在于鋼中。 除此之外，鋼

41、中往往還存在硫化鐵（FeS）、硫化錳（MnS）、硅酸鹽、氮化物及磷化物等。這些非金屬夾雜物破壞了鋼的基體的連續(xù)性，在靜載荷和動(dòng)載荷的作用下，往往成為裂紋的起點(diǎn)。 因此，對(duì)非金屬夾雜物應(yīng)嚴(yán)加控制。在要求高質(zhì)量的鋼材時(shí)，煉鋼生產(chǎn)中應(yīng)用真空技術(shù)、渣洗技術(shù)、惰性氣體凈化、電渣重熔等爐外精煉手段，可以卓有成效地減少鋼中氣體和非金屬夾雜物。（六）氧及其他非金屬夾雜物的影響 鋼在冶煉后，除少數(shù)直接鑄成鑄件外，絕大部分都要先鑄成鋼錠，然后軋成各種鋼材，如板、棒、管、帶材等。 用于制造工具和某些機(jī)器零件時(shí)需要進(jìn)行熱處理，但更多的情況是在熱軋狀態(tài)下直接使用。 可見鋼錠的宏觀組織與缺陷，不但直接影響其熱加工性能，而

42、且對(duì)熱變形后鋼的性能有顯著影響。因此，鋼錠的宏觀組織特征是鋼的質(zhì)量的重要標(biāo)志之一。二、鋼錠的宏觀組織及其缺陷按脫氧程度和澆注制度分a.沸騰鋼；b.半鎮(zhèn)靜鋼；c.鎮(zhèn)靜鋼；d.特殊鎮(zhèn)靜鋼。 鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵和鋁進(jìn)行充分脫氧，使所含氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.01（一般常在0.002%0.003），以至鋼液在凝固時(shí)不析出一氧化碳，得到成分比較均勻，組織比較致密的鋼錠，這種鋼叫做鎮(zhèn)靜鋼。（一）鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼錠縱剖面的宏觀組織示意圖。 鎮(zhèn)靜鋼錠的宏觀組織與純金屬鑄錠基本相同，也是由表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)所組成。 所不同的是，在鎮(zhèn)靜鋼錠的下部還有一個(gè)由等軸晶粒組成的致密的沉積錐體，這是鎮(zhèn)靜鋼的

43、組織特點(diǎn)。（一）鎮(zhèn)靜鋼宏觀組織圖4-26 鎮(zhèn)靜鋼錠宏觀組織示意圖1縮孔 2氣泡 3縮松 4表面細(xì)晶粒區(qū)5柱狀晶粒區(qū)6中心等軸晶粒區(qū) 7下部錐體 1.縮孔及縮孔殘余 和純金屬鑄錠一樣，鋼液在凝固時(shí)要發(fā)生收縮，因此在凝固后的鋼錠中就出現(xiàn)縮孔。 縮孔處是鋼錠最后凝固的地方，是偏析、夾雜物和縮松密集的區(qū)域。 在開坯時(shí)，一定要將縮孔切除干凈。如果切頭時(shí)未被除凈，遺留下的殘余部分，稱為縮孔殘余。 縮孔殘余的存在，在熱加工時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的內(nèi)部裂紋。 （一）鎮(zhèn)靜鋼錠的缺陷 2.縮松 縮松是鋼不致密性的表現(xiàn)，多出現(xiàn)于鋼錠的上部和中部。 有的分布在整個(gè)截面，有的集中在中心。不同程度的縮松，對(duì)鋼的塑性和韌性的影響程度也不同， 一般情況下，經(jīng)壓力加工可使之得到改善。但若中心縮松嚴(yán)重，也可能由此使鍛、軋件產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。 圖4-27為鋼錠的中心縮松。當(dāng)鋼中含有較多的氣體和夾雜物時(shí)，會(huì)增加縮松的嚴(yán)重程度。（一）鎮(zhèn)靜鋼錠的缺陷圖4-27為鋼錠的中心縮松。當(dāng)鋼中含有較多的氣體和夾雜物時(shí)，會(huì)增加縮松的嚴(yán)重程度。圖4-2