含碳量對(duì)組織和性能的影響

2021/5/912021/5/924.4

含碳量對(duì)鐵碳合金組組織和性能的影響2021/5/93含碳量與Fe-Fe3C合金相組成物相對(duì)量、組織組成物相對(duì)量的關(guān)系2021/5/94含碳量對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響在C%<1%時(shí)，隨含碳量的增加鋼的強(qiáng)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(qiáng)度、塑性、韌性降低這是因?yàn)镕e3CⅡ成連續(xù)網(wǎng)狀分布，進(jìn)一步破壞了鐵素體基體之間的連接作用所造成。2021/5/95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(duì)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2021/5/96錳在鋼中的存在也屬于有益元素，它與氧有較強(qiáng)的親合力，具有較好的脫氧能力，在煉鋼時(shí)作為脫氧劑加入。另外錳與硫的親合力很強(qiáng)，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(qiáng)化作用，提高鐵素體的強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)入爐渣。（1）錳的影響2021/5/97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(shí)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(jìn)入爐渣，消除了FeO的有害作用。但如果它以?shī)A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(qiáng)化作用，提高鐵素體的強(qiáng)度，而使鋼具有較高的強(qiáng)度。（2）硅的影響2021/5/98（3）硫的影響2021/5/99硫在鋼中是有害的雜質(zhì)。液態(tài)時(shí)Fe、S能夠互溶，固態(tài)時(shí)Fe幾乎不溶解硫，而與硫形成熔點(diǎn)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(shí)，共晶體熔化，進(jìn)行軋制或鍛造時(shí)，鋼將沿晶界開裂，這種現(xiàn)象稱為鋼的“熱脆”或“紅脆”。2021/5/910（4）磷的影響2021/5/911磷在鋼中的存在一般屬于有害元素。在1049℃時(shí)，磷在Fe中的最大溶解度可達(dá)2.55%，在室溫時(shí)溶解度仍在1%左右，因此磷具有較高的固溶強(qiáng)化作用，使鋼的強(qiáng)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。2021/5/912（5）氮的影響Fe-N相圖2021/5/913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(shí)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(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)N將以Fe4N的形式析出，使鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低，這種現(xiàn)象稱為時(shí)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(shí)效敏感性。2021/5/914（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(jìn)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(shí)溶入，冷卻時(shí)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(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)它們的綜合作用力大于鋼的時(shí)，在鋼中就會(huì)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(diǎn)。2021/5/915（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(gè)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(shí)為0.008%，在500℃時(shí)在鐵素體中的溶解度<0.001%。氧溶入鐵素體一般降低鋼的強(qiáng)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(duì)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。2021/5/916（2）鋼錠的宏觀組織與缺陷（1）鋼錠的宏觀組織2021/5/917

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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。2021/5/918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(duì)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(zhǎng)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(gè)來源：一是從最早激冷過程的模臂游離出來；另一是從成長(zhǎng)的枝晶有利出來的。2021/5/919鋼錠縱截面組織10%硝酸水溶液侵蝕43/4×2021/5/920（2）偏析合金凝固時(shí)，隨著結(jié)晶過程的進(jìn)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。2021/5/921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。2021/5/922①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(shí)，沿著垂直于界面的縱向會(huì)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(duì)流以及溶質(zhì)擴(kuò)散條件等因素有關(guān)。當(dāng)凝固速度比較慢，液體對(duì)流比較強(qiáng)，溶質(zhì)原子能夠向液體縱深擴(kuò)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(shí)會(huì)形成其它非平衡相。2021/5/923②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(shí)，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。2021/5/924③比重偏析比重偏析是由于合金凝固時(shí)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(diǎn)的、比重與液體相近的樹枝狀新相，阻止偏析相的沉浮。2021/5/925顯微偏析微觀偏析是在一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成份不均勻的現(xiàn)象。根據(jù)凝固時(shí)晶體生長(zhǎng)形態(tài)的不同，可分為枝晶偏析、胞狀偏析和晶界偏析。2021/5/926①胞狀偏析當(dāng)成份過冷比較小時(shí)，固溶體以胞狀方式生長(zhǎng)。對(duì)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(zhǎng)時(shí)溶質(zhì)分布示意圖2021/5/927②枝晶偏析當(dāng)合金以樹枝狀方式凝固時(shí)，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(diǎn)組元多，枝間含低熔點(diǎn)組元多。通常凝固速度越快，液體的對(duì)流擴(kuò)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(duì)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(kuò)散退火消除。2021/5/928③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(shí)，在各晶粒之間的界面處是液體最后凝固的地方。對(duì)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(gè)晶粒并排生長(zhǎng)，由于表面張力平衡條件要求，在晶粒之間出現(xiàn)一個(gè)深達(dá)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(gè)晶粒彼此相對(duì)生長(zhǎng)，當(dāng)彼此相遇時(shí)，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。2021/5/929顯微偏析都可以通過擴(kuò)散退火減弱或消除。2021/5/930（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(bǔ)充，就會(huì)在鑄錠(件)中形成收縮孔洞，簡(jiǎn)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。2021/5/931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2021/5/932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(huì)減小最終的集中縮穴或縮管。2021/5/933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。2021/5/934氣泡主要來源于兩方面：①溶入液態(tài)中的氣體，在凝固時(shí)脫溶析出（固相的溶解度遠(yuǎn)低于液相），氣泡隨晶體長(zhǎng)大而長(zhǎng)大。如果氣泡長(zhǎng)大速度比晶體生長(zhǎng)速度大，氣泡長(zhǎng)大到一定尺寸后會(huì)逸出液相；如果氣泡長(zhǎng)大速度比晶體長(zhǎng)大速度小，晶體長(zhǎng)大會(huì)把氣泡留在錠內(nèi)；沸騰鋼錠半沸騰鋼錠（4）氣泡2021/5/935②由于在凝固時(shí)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。2021/5/936若氫氣被固溶在凝固的鋼錠中，冷卻時(shí)氫析出形成分子氫，來不及擴(kuò)散到表面而進(jìn)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(diǎn)”。發(fā)紋的斷面形貌2021/5/937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(jìn)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(shí)會(huì)在晶界處形成連續(xù)的一層薄膜。此外，還會(huì)有氧化物，硅酸鹽等夾雜物。（5）非金屬夾雜物2021/5/938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200×2021/5/939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

500×2021/5/940鑄錠或鑄件冷卻時(shí)會(huì)引起很大的熱應(yīng)力，如果處理不當(dāng)會(huì)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2021/5/941銅錠中心出現(xiàn)的裂紋0.5×

上：橫截面下：縱截面2021/5/942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(duì)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(gè)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(shí)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(shí)裂紋不易生長(zhǎng)。（7）鑄錠組織的控制2021/5/943根據(jù)中心等軸晶區(qū)形成的原理，等軸晶形成的條件