含碳量對組織和性能的影響課件

1含碳量對組織和性能的影響2含碳量對組織和性能的影響4.4

含碳量對鐵碳合金組組織和性能的影響3含碳量對組織和性能的影響含碳量與Fe-Fe3C合金相組成物相對量、組織組成物相對量的關(guān)系4含碳量對組織和性能的影響含碳量對碳鋼機械性能的影響在C%<1%時，隨含碳量的增加鋼的強度、硬度增加，但塑性、韌性降低；當(dāng)C%>1%后，隨含碳量的增加，鋼的硬度增加，但強度、塑性、韌性降低這是因為Fe3CⅡ成連續(xù)網(wǎng)狀分布，進一步破壞了鐵素體基體之間的連接作用所造成。5含碳量對組織和性能的影響碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被稱為鋼鐵材料的五大元素。C，Si，Mn對鋼鐵材料是有益的，稱為合金元素；P和S則是有害元素，稱為雜質(zhì)元素。

N、H、O等元素的影響。4.5

鋼中的雜質(zhì)元素及鋼錠組織（1）合金元素與雜質(zhì)元素6含碳量對組織和性能的影響錳在鋼中的存在也屬于有益元素，它與氧有較強的親合力，具有較好的脫氧能力，在煉鋼時作為脫氧劑加入。另外錳與硫的親合力很強，在鋼液中與硫形成MnS，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影響。鋼中的含錳量一般為0.25~0.80%，它一部分溶入鐵素體起到固溶強化作用，提高鐵素體的強度，錳還可溶入滲碳體形成合金滲碳體（Fe，Mn）3C，使鋼具有較高的強度；另一部分錳與硫形成MnS，與氧形成MnO，這些非金屬夾雜物大部分進入爐渣。（1）錳的影響7含碳量對組織和性能的影響硅在鋼中的存在屬于有益元素，由于它與氧有很大的親合力，具有很好地脫氧能力。在煉鋼時作為脫氧劑加入，Si+2FeO=2Fe+SiO2，硅與氧化鐵反應(yīng)生成二氧化硅（SiO2）非金屬夾雜物，一般大部分進入爐渣，消除了FeO的有害作用。但如果它以夾雜物形式存在于鋼中，將影響鋼的性能。碳鋼中的含硅量一般Si%≤0.4%，它大部分溶入鐵素體，起固溶強化作用，提高鐵素體的強度，而使鋼具有較高的強度。（2）硅的影響8含碳量對組織和性能的影響（3）硫的影響9含碳量對組織和性能的影響硫在鋼中是有害的雜質(zhì)。液態(tài)時Fe、S能夠互溶，固態(tài)時Fe幾乎不溶解硫，而與硫形成熔點為1190℃的化合物FeS。形成的共晶體（γ-Fe+FeS）以離異共晶形式分布在γ-Fe晶界處。若將含有硫化鐵共晶體的鋼加熱到軋制、鍛造溫度時，共晶體熔化，進行軋制或鍛造時，鋼將沿晶界開裂，這種現(xiàn)象稱為鋼的“熱脆”或“紅脆”。10含碳量對組織和性能的影響（4）磷的影響11含碳量對組織和性能的影響磷在鋼中的存在一般屬于有害元素。在1049℃時，磷在Fe中的最大溶解度可達2.55%，在室溫時溶解度仍在1%左右，因此磷具有較高的固溶強化作用，使鋼的強度、硬度顯著提高，但也使鋼的塑性，韌性劇烈降低，特別是使鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度急劇升高，這種現(xiàn)象稱為冷脆。12含碳量對組織和性能的影響（5）氮的影響Fe-N相圖13含碳量對組織和性能的影響氮在鋼中的存在一般認(rèn)為是有害元素。N在γ中的最大溶解度在650℃為2.8%N，在α中的最大溶解度在590℃約為0.1%N,而在室溫時的溶解度很小低于0.001%N，因此將鋼由高溫快速冷卻后，可得到溶氮過飽和的鐵素體。這種溶氮過飽和的鐵素體是不穩(wěn)定的，在室溫長時間放置時N將以Fe4N的形式析出，使鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性降低，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。為了減輕氮的有害作用，就必須減少鋼中的含氮量或加入Al、V、Nb、Ti等元素，使它們優(yōu)先形成穩(wěn)定的氮化物，以減小氮所造成的時效敏感性。14含碳量對組織和性能的影響（6）氫的影響氫在鋼中的存在也是有害元素，它是由潮濕的煉鋼原料和爐氣而進入鋼中的。氫在鋼中的溶解度甚微，但嚴(yán)重的影響鋼的性能，氫溶入鐵中形成間隙固溶體，使鋼的塑性大大降低，脆性大大升高，這種現(xiàn)象稱為氫脆。含有較多氫的鋼，在加熱熱軋時溶入，冷卻時溶解度降低，析出的氫結(jié)合成氫分子，使鋼的塑性大大降低，脆性大大升高，加上熱軋時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)它們的綜合作用力大于鋼的時，在鋼中就會產(chǎn)生許多微細(xì)裂紋如頭發(fā)絲一樣，也稱發(fā)裂，這種組織缺陷稱為白點。15含碳量對組織和性能的影響（7）氧的影響氧在鋼中的存在也是有害元素，由于煉鋼是一個氧化過程，氧在鋼液中起到去除雜質(zhì)的積極作用，但在隨后的脫氧過程中不能完全將它除凈，氧在鋼中的溶解度很小，在700℃時為0.008%，在500℃時在鐵素體中的溶解度<0.001%。氧溶入鐵素體一般降低鋼的強度、塑性和韌性，氧在鋼中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe2O3、Fe3O4、MnO、SiO2、Al2O3等），所以它對鋼的性能的影響主要取決于這些氧化物的性能，數(shù)量、大小和分布等。16含碳量對組織和性能的影響（2）鋼錠的宏觀組織與缺陷（1）鋼錠的宏觀組織17含碳量對組織和性能的影響

細(xì)晶區(qū)(激冷區(qū))：溫度較低的模壁使與之接觸的液體會產(chǎn)生強烈的過冷而形成的。當(dāng)模壁被加熱以后，這些晶體在湍流熔液的影響下，有很多從模壁上脫離下來。它們可能留下來或大部分重新熔化，只有那些仍然靠近模壁的晶粒成長而形成細(xì)晶區(qū)。

柱狀晶區(qū)：細(xì)晶區(qū)前沿不易形核，隨著液相溫度逐漸降低，已生成的晶體向液體內(nèi)生長而形成柱狀晶。它們也可能是樹枝晶，并且有擇尤取向（鑄造織構(gòu)）。柱狀晶區(qū)的厚度主要由等軸晶區(qū)的出現(xiàn)早晚所控制。18含碳量對組織和性能的影響等軸晶區(qū)：開始凝固的等軸激冷晶游離以及枝晶的熔斷而產(chǎn)生大量游離自由細(xì)晶體，它們隨熔液對流漂移到鑄錠中心部分，如果中心部分熔液有過冷，則這些游離細(xì)晶體作為籽晶最終長成中心的等軸晶區(qū)。游離細(xì)晶越易形成，以后的中心等軸晶區(qū)越大。游離晶體的形成過程：有兩個來源：一是從最早激冷過程的模臂游離出來；另一是從成長的枝晶有利出來的。19含碳量對組織和性能的影響鋼錠縱截面組織10%硝酸水溶液侵蝕43/4×20含碳量對組織和性能的影響（2）偏析合金凝固時，隨著結(jié)晶過程的進行，在液、固相中的溶質(zhì)要發(fā)生重新分布。在非平衡凝固條件下，凝固速度比較快，溶質(zhì)原子來不及重新分布，使得先后結(jié)晶的固相中成份不均勻，這種現(xiàn)象稱為偏析。根據(jù)產(chǎn)生偏析的范圍不同，可分為宏觀偏析和微觀偏析。宏觀偏析是大范圍的成分不均勻的現(xiàn)象，又稱遠(yuǎn)程偏析。微觀偏析是晶粒尺度范圍的成分不均勻現(xiàn)象，又稱短程偏析。21含碳量對組織和性能的影響宏觀偏析宏觀偏析表現(xiàn)為鑄錠(件)從里層到外層或從上到下成份不均勻。根據(jù)表現(xiàn)形式不同，可分為正偏析、反偏析和比重偏析。22含碳量對組織和性能的影響①正常偏析（正偏析）當(dāng)平衡分配系數(shù)k0＜1的合金以平直界面定向凝固時，沿著垂直于界面的縱向會產(chǎn)生明顯的成份不均勻。先凝固的固相溶質(zhì)濃度低于后凝固部分。這種內(nèi)外成份不均勻的現(xiàn)象是正常凝固的結(jié)果，故稱為正常偏析或正偏析。正常偏析的程度與凝固速度、液體對流以及溶質(zhì)擴散條件等因素有關(guān)。當(dāng)凝固速度比較慢，液體對流比較強，溶質(zhì)原子能夠向液體縱深擴散，使剩余液體中的溶質(zhì)濃度逐漸升高。凝固后所產(chǎn)生的正常偏析就比較嚴(yán)重。在正常偏析程度比較大的情況下，最后凝固的液體溶質(zhì)濃度高，有時會形成其它非平衡相。23含碳量對組織和性能的影響②反常偏析反偏析正好是與正偏析相反，即在k0＜1合金鑄錠(件)中表層溶質(zhì)濃度高于內(nèi)層的溶質(zhì)濃度。目前認(rèn)為反偏析形成的主要原因與鑄模中心的液體倒流有關(guān)。由于在合金凝固時，先凝固部分發(fā)生收縮，在枝晶之間產(chǎn)生空隙和負(fù)壓，使鑄模中心溶質(zhì)濃度較高的液體沿技晶間隙吸回到表層，形成反偏析。24含碳量對組織和性能的影響③比重偏析比重偏析是由于合金凝固時形成的先共晶相與液體比重不同而引起先共晶相上浮或下沉，從而導(dǎo)致了鑄錠(件)中組成相上下分布和成份不均勻的一種宏觀偏析。這種宏觀偏析主要存在于共晶系和偏晶系合金中，并在緩慢冷卻條件下產(chǎn)生的。防止或減輕比重偏析的方法有：增大冷卻速度，使先共晶相來不及上浮或下沉；加入第三組元，形成高熔點的、比重與液體相近的樹枝狀新相，阻止偏析相的沉浮。25含碳量對組織和性能的影響顯微偏析微觀偏析是在一個晶粒范圍內(nèi)成份不均勻的現(xiàn)象。根據(jù)凝固時晶體生長形態(tài)的不同，可分為枝晶偏析、胞狀偏析和晶界偏析。26含碳量對組織和性能的影響①胞狀偏析當(dāng)成份過冷比較小時，固溶體以胞狀方式生長。對于k0＜1的合金，在凹陷的胞界處將富集著溶質(zhì)。這種胞內(nèi)和胞界處成份不均勻的現(xiàn)象稱為胞狀偏析。胞狀生長時溶質(zhì)分布示意圖27含碳量對組織和性能的影響②枝晶偏析當(dāng)合金以樹枝狀方式凝固時，形成枝晶偏析。在先結(jié)晶枝干和后結(jié)晶的枝間溶質(zhì)分布不均勻。枝干含高熔點組元多，枝間含低熔點組元多。通常凝固速度越快，液體的對流擴散越不充分，k0值越小（k0＜1），則枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析的產(chǎn)生對鑄錠(件)的性能是有害的，特別使鑄件的韌性、塑性及抗蝕性下降。枝晶偏析可以通過擴散退火消除。28含碳量對組織和性能的影響③晶界偏析當(dāng)合金以樹枝狀方式凝固，最終形成晶粒組織時，在各晶粒之間的界面處是液體最后凝固的地方。對于k0＜1的合金，最后凝固的液體中溶質(zhì)含量高。因此凝固結(jié)束后晶界處產(chǎn)生溶質(zhì)富集，形成晶界偏析。一種情況是兩個晶粒并排生長，由于表面張力平衡條件要求，在晶粒之間出現(xiàn)一個深達10-8cm的凹槽，該處的液體是最后凝固，從而形成晶界偏析。另一種情況是兩個晶粒彼此相對生長，當(dāng)彼此相遇時，在它們之間的液體中富集著大量溶質(zhì)，這部分液體最后凝固，從而造成晶界偏析。29含碳量對組織和性能的影響顯微偏析都可以通過擴散退火減弱或消除。30含碳量對組織和性能的影響（3）縮孔幾種縮孔形式大多數(shù)金屬和合金在凝固過程要發(fā)生體積收縮。如果沒有足夠的液體繼續(xù)補充，就會在鑄錠(件)中形成收縮孔洞，簡稱縮孔。根據(jù)縮孔的位置和分布，可分為集中縮孔和分散縮孔。31含碳量對組織和性能的影響不同凝固方式示意圖(a)殼狀凝固(b)殼狀－糊狀混合凝固(c)糊狀凝固32含碳量對組織和性能的影響直徑9吋的Cu-30%Ni鑄錠靠近錠子表面（左下）和靠近中心（右下）的照片拋光未侵蝕50×合金鋼錠的中心疏松0.5×特定的鑄件或鑄錠的收縮量是一定的，所以如果存在疏松，將會減小最終的集中縮穴或縮管。33含碳量對組織和性能的影響希望縮孔集中在錠子的上方，以加大金屬的利用率；不希望出現(xiàn)縮管，使利用率降低。方法是在錠子上部加保溫帽，使上部最后凝固，從而縮孔集中在上部的保溫帽下方。34含碳量對組織和性能的影響氣泡主要來源于兩方面：①溶入液態(tài)中的氣體，在凝固時脫溶析出（固相的溶解度遠(yuǎn)低于液相），氣泡隨晶體長大而長大。如果氣泡長大速度比晶體生長速度大，氣泡長大到一定尺寸后會逸出液相；如果氣泡長大速度比晶體長大速度小，晶體長大會把氣泡留在錠內(nèi)；沸騰鋼錠半沸騰鋼錠（4）氣泡35含碳量對組織和性能的影響②由于在凝固時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡。例如鋼中的碳和氧反應(yīng)形成CO及少量CO2等氣泡，若沒有逸出液體，則留在鑄錠中。36含碳量對組織和性能的影響若氫氣被固溶在凝固的鋼錠中，冷卻時氫析出形成分子氫，來不及擴散到表面而進入微空隙內(nèi)產(chǎn)生巨大的壓力，從而形成微裂紋，稱“發(fā)裂”，又因這些裂紋在斷面上呈現(xiàn)白色，又稱“白點”。發(fā)紋的斷面形貌37含碳量對組織和性能的影響凝固過程中，金屬和氣體形成化合物殘留于錠子內(nèi)，或者外來雜物及耐火材料沖刷進液體中，這就是非金屬夾雜物的來源。雜質(zhì)原子在枝晶間以及晶界的偏聚亦可能形成夾雜物，例如硫在鐵中可以在枝晶間及晶界處偏聚形成Fe(Mn)S，它有時會在晶界處形成連續(xù)的一層薄膜。此外，還會有氧化物，硅酸鹽等夾雜物。（5）非金屬夾雜物38含碳量對組織和性能的影響碳鋼鑄件中在樹枝晶邊界的硫化物夾雜500×合金鋼錠經(jīng)熱軋后的硫化錳夾雜200×39含碳量對組織和性能的影響鋁銅合金鑄錠中的氧化物夾雜250×鋁中的氧化物夾雜經(jīng)加工后形成氧化物帶250×碳鋼鑄件中的硅酸鹽夾雜

500×40含碳量對組織和性能的影響鑄錠或鑄件冷卻時會引起很大的熱應(yīng)力，如果處理不當(dāng)會出現(xiàn)裂紋，一般是縱向裂紋。鋼錠中心出現(xiàn)的裂紋（橫截面）10吋黃銅錠中的晶間裂紋4×（6）熱應(yīng)力—由此引起的裂紋41含碳量對組織和性能的影響銅錠中心出現(xiàn)的裂紋0.5×

上：橫截面下：縱截面42含碳量對組織和性能的影響決定鑄錠性能的最重要因素是柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)的相對寬度、中心等軸晶區(qū)晶粒的大小等。①細(xì)晶區(qū)通常只有幾個晶粒厚，其作用有限。②柱狀晶區(qū)中常有擇尤取向（織構(gòu)），在平行的柱狀晶接觸面及柱狀晶粒界面常常聚集雜質(zhì)、非金屬夾雜物和氣泡等，是鑄錠的脆弱結(jié)合面，鑄錠熱加工時很容易沿這些面斷裂。但柱狀晶區(qū)組織較為致密。③等軸晶沒有擇尤取向，沒有脆弱的界面，性能是各向同性，含有較多的氣孔和疏松。加載時裂紋不易生長。（7）鑄錠組織的控制43含碳量對組織和性能的影響根據(jù)中心等軸晶區(qū)形成的原理，等軸晶形成的條件可為歸納為以下幾個方面：①低的澆注溫度