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    《铁碳相图》PPT课件.ppt

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    《铁碳相图》PPT课件.ppt

    第四章 Fe-Fe3C相图,Fe-Fe3Cphase diagram,4.1 铁碳合金的组元及基本相4.2 Fe-Fe3C相图分析 4.3 铁碳合金平衡结晶过程 4.4 含C量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织,(6.69%C),渗碳体是个亚稳定的相,石墨才是稳定的相。但石墨的表面能很大,只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低,碳才能以石墨的形式存在。因此,铁碳相图有两类:液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡,是紧靠铁端部分,其中C含量的范围是06.69 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡,其中C含量的范围是0100。,4.1 铁碳合金中的组元及基本相 4.1.1 纯铁(iron),1394,1538,912,-Fe,-Fe,-Fe,力学性能:b176274MPa 0.298166MPa 3050,7080 HB5080 aK1.52MNm/m2应 用:主要应用于电子材料,作为铁芯。,碳在-Fe中的间隙固溶体称为铁素体,简称为铁素体();最大溶碳量为727时的wc=0.0218%,最小为室温时的wc=0.0008%;性能为:b180280MPa、0.2100170MPa、30%50%,k160200J/2、硬度80HB。碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体,(),最大溶碳量为1495时的0.09。,铁素体(Ferrite),碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A),最高溶碳量为1148时的wc=2.11;奥氏体具有高塑性、低硬度和强度,其力学性能为:b400MPa、40%50%、170220HB。奥氏体主要存在于727以上的高温范围内,利用这一特性,工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。,奥氏体(Austenite),4.1.2 渗碳体(Cementite),渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵,化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物,用符号Fe3C表示,其含碳量为wc=6.69%,渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大,其力学性能指标大致为:硬度800HB、抗拉强度(b)30MPa、伸长率()0、冲击韧度(k)0。,珠光体(Pearlite),FFe3C的一种机械混合物,用符号P表示,其组织为层片状结构,综合了铁素体和渗碳体优点,其综合力学性能好。,莱氏体(Ledeburite),莱氏体是由AFe3C组成的一种机械混合物,用符号Ld表示,其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体,主要体现了渗碳体特点,硬而脆。,4.2 Fe-Fe3C 相图分析,液相线:ABCD固相线:AHJECF五个单相区:L,和Fe3C七个两相区:L,L,L Fe3C,Fe3C,Fe3C两条磁性转变线:MO(铁素体的)及过230的虚线(渗碳体的)三条水平相变线:HJB包晶转变线 ECF共晶转变线 PSK共析转变线,4.2.5 三条重要的特性曲线,GS线:A3线冷却过程中奥氏体析出铁素体的开始线。ES线:Acm线C在奥氏体中的溶解度曲线。PQ线C在铁素体中的溶解度曲线。,共晶反应析出的Fe3C为一次渗碳体。奥氏体中析出的Fe3C为二次渗碳体。铁素体中析出的Fe3C为三次渗碳体。,4.3 铁碳合金的平衡结晶过程及组织,工业纯铁(iron):C%0.0218%钢(steel):C%:0.02182.11%,又分为:共析钢(eutectoid steel):C%:0.77%亚共析钢(hypeutectoid steel):C%:0.02180.77%过共析钢(hypereutectoid steel):C%:0.772.11%铸铁(cast iron):C%:2.116.69%,有较好的铸造性能、质脆,不能锻造。又分为:共晶铸铁(eutectic cast iron):C%:4.30%亚共晶铸铁(hypoeutectic cast iron):C%:2.114.30%过共晶铸铁(hypereutectic cast iron):C%:4.306.69%,4.3.1 工业纯铁(Wc 0.0218%),纯铁组织金相图,4.3.2 共析钢(Wc=0.77%),共析钢组织金相图,相组成:+Fe3C组织组成:P,共析钢(Wc=0.77%),4.3.3 亚共析钢(Wc=0.45%),亚共析钢组织金相图,组织组成:+P,亚共析钢(Wc=0.45%),相组成:+Fe3C,a)含碳量0.20 b)含碳量0.40c)含碳量0.60,a,b,c,4.3.4 过共析钢(Wc=1.2%),过共析钢组织金相图,组织组成:Fe3C+P,过共析钢(Wc=1.2%),相组成:+Fe3C,a)硝酸酒精浸蚀 b)苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体 黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体 浅白色为殊光体,4.3.5 共晶白口铸铁(Wc=4.3%),共晶白口铸铁组织金相图,组织组成:Fe3C+PLd,共晶白口铸铁(Wc=4.3%),相组成:+Fe3C,4.3.6 亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%),亚共晶白口铸铁组织金相图,组织组成:Fe3C+P+Ld?,亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%),相组成:+Fe3C,4.3.7 过共晶白口铸铁(Wc=5.0%),过共晶白口铸铁组织金相图,组织组成:Fe3C+Ld,过共晶白口铸铁(Wc=5.0%),相组成:+Fe3C,总结:从Fe-Fe3C相图可知,铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体,并且随含碳量的增加,渗碳量不断增多。而室温组织组成物却有、Fe3C、P、Fe3C、Fe3C 和Ld。,Fe-Fe3C 相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+Fe3C,6.69%C,(A+Fe3C),Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+Fe3C,(F+Fe3C),P,P+F,P+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,P+Ld+Fe3C,K,共晶相图,共析相图,匀晶相图,(P+Fe3C),4.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,4.4.1 碳对平衡组织的影响,相组成相对量图表,4.4.2 碳对力学性能的影响,纯铁与珠光体性能对比,纯铁b176274MPa0.298166MPa3050,7080 HB5080,珠光体b1000MPa0.2600MPa10,1215 HB241,4.4.3 碳对工艺性能的影响,1.切削加工性能,2.可锻性钢的可锻性首先与含碳量有关。低碳钢的可锻性较好,随着含碳量的增加,可锻性逐渐变差。奥氏体具有良好的可锻性,易于塑性变形。因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区。终锻温度不能过低,以免塑性变差。,3.铸造性,包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向。,(1)流动性:C量增加,结晶温度间隔增大,流动性应该变差。但是,随C量增加,液相线温度降低。因此,同样浇铸温度下,含C量高的钢过热度大,对钢液的流动性有利。,铸铁液相线较低,流动性比钢好。共晶成分铸铁流动性最好。,(2)收缩性:,两个主要影响因素:化学成分和浇注温度,化学成分一定,浇注温度越高,液态收缩越大;浇注温度一定,碳含量增加,体积收缩增大;固态收缩减小。,(3)偏析倾向:,固液相线的水平距离和垂直距离越大,偏析越严重。铸铁成分越靠近共晶点,偏析越小。,炼钢脱氧时,Mn可把FeO还原成铁,并形成MnO。降低钢种脆性,提高强度和硬度。Mn还可与钢液中的S形成MnS(熔点:1600oC),一定程度上消除S的影响。这些反应产物大部分进入炉渣,小部分残留在钢中成为 非金属夹杂物。,1.Mn的影响,4.5,4.5.1 钢中常见杂质元素,残余的Mn,凝固后溶于奥氏体或铁素体中,起固溶强化作用。还可溶于渗碳体,形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C。是钢中的有益元素。,钢中Si含量通常小于0.5%,脱氧时进入,形成SiO2进入炉渣或者成为非金属夹杂物。Si同样可以溶于奥氏体或铁素体中,起固溶强化作用。含量不超过1时,不降低钢的塑性和韧性。所以,认为Si是钢中的有益元素。,2.Si的影响,冷镦件和冷冲压件的钢材,因Si对铁素体的强化作用,使钢的弹性极限升高,以至在加工过程中造成模具的磨损过大,动力消耗过大,因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低,不脱氧的沸腾钢。,硅钢中的Si,提高铁的电阻率和最大磁导率,降低矫顽力、铁芯损耗和磁时效。,S可溶于液态铁中,但在固态铁中的溶解度极小,并可与铁形成FeS。FeS与铁形成熔点为989的(FeFeS)的共晶体,这种共晶体将在钢液凝固后期凝固,并存在于奥氏体枝晶间。(FeFeS)共晶体的量很少,几乎都是离异共晶。网状FeS对钢的力学性能损害极大。,3.S的影响,如果钢中存在(FeFeS)共晶体,在加热到11501200之间时,会成为液体。变形过程中会开裂,称这种现象为热脆或红脆。如果钢液脱氧不良,含较多FeO,还会形成熔点更低的(FeFeOFeS)三相共晶体,其危害更大。可以加Mn防止MnS。,所以,S是一种有害元素。普通质量钢中其含量0.055;优质钢中其含量在0.040以下;高级优质钢则0.030;要求更高时,甚至限制其含量0.020。,高硫钢又称高硫合金钢(HS),与传统的纯净钢概念相对应,在传统钢材中,一般钢的含硫量必须低于0.004,优质钢不得高于0.003;而在高硫钢中,含硫量在0.5-11%之间。以含硫3032%的硫铁为主要原料,用电弧炉,加入废钢和所需合金元素,16001650时加入硫铁,最后加入脱氧剂,镇静后出钢。钢中含硫量0.511%,耐磨性提高。可取代钢、铁、铜及其铜合金(各种机器的轴瓦、蜗轮、滑块等)的耐磨制品、延长使用寿命,高硫钢具有耐高温、自润滑、耐磨损、抗粘结(咬和)的优良性能,它可以广泛应用于钢铁、机械、矿山、油田、港口、汽车、农用车、结构件,高硫合金钢取代低硫合金钢,并具有长的使用寿命。,4.P的影响,由于Fe-P相图中液相线和固相线距离很大,因此P在Fe中具有很强的偏析倾向。在铁基合金中,P对铁素体较之其它元素具有更强的固溶强化能力,但在P含量较高时,它会剧烈地降低钢的塑性和韧性。,P会降低钢的冲击韧性,提高钢的韧脆转化温度,提高钢的冷脆。P还会使钢发生蓝脆现象。蓝脆就是指钢在加热到150300时,产生硬度升高,塑性、韧性下降的现象。这是因为在空气中加热到150300时,由于氧化作用,钢的表面呈现蓝色。蓝脆一般是有害的。因此,在含量较高时,P是一种有害元素。一般情况下,普通钢的P含量限制在0.045以下;优质钢在0.04以下;高级优质钢在0.035以下。,高P钢也可被利用:1)在炮弹钢中加入较多的P,可使炮弹在爆炸时产生更多的弹片,杀伤更多的敌人;2)在易削钢中使铁素体适当脆化,提高切削加工零件的表面光洁度;3)P和Cu一起加入钢中,可以提高钢在大气中的抗蚀性。,2023/8/2/16:26:51,高强深冲钢及P的作用,随着汽车工业的快速发展和节约能源、减轻汽车自重的需要,高强度深冲钢成为研发热点。目前日本开发的含P深冲钢:屈服强度:235MPa 抗拉强度:390MPa,平炉钢:0.0010.008纯氧顶吹转炉钢:0.0030.006电炉钢:0.0080.03。,5.N的影响,将含N较高的钢从高温快速冷却(淬火),就会得到N的过饱和固溶体,室温下长期放置或稍微加热,N就会以FeN的形式析出,使钢的强度、硬度增高,塑性、韧性降低。这种现象叫做淬火时效。,可以加入足量的Al,与N形成AlN,固定N,从而减弱或消除时效现象。AlN还可以细化晶粒。,含有N的低碳钢在冷塑性变形后,性能将随时间变化,即强度、硬度增高,塑性、韧性降低。这种现象叫做应变时效。,H溶入钢中使钢的塑性和韧性降低氢脆。H由原子态变为分子态,体积膨胀形成裂纹白点。,6.H的影响,白点对钢的性能影响:使钢的力学性能大大下降,造成工件开裂、破坏或使用中严重失效,故在任何情况下,凡有白点的钢材或工件都被禁止使用。,平炉钢:0.020.03电炉钢:0.010.02侧吹碱性转炉钢:0.040.07。700时,铁能溶氧0.008500 以下降至0.001。常见的氧化物有Al2O3、MnO、SiO2、FeO等,往往还会形成复合氧化物或硅酸盐。,7.O的影响,4.5.2 钢锭的组织及其宏观缺陷,按浇注前钢液的脱氧程度钢锭分为:镇静钢:钢液浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧,浇注时钢液不发生碳-氧反应,处于镇静状态。沸腾钢:冶炼过程中仅用少量锰铁轻度脱氧,钢液含氧量高,浇注时发生碳-氧反应,析出大量CO气体,引起钢液沸腾。半镇静钢:介于镇静钢与沸腾钢之间。,镇静钢 半沸腾钢 沸腾钢,通常注成上大下小带保温帽的锭型,浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽(在钢液凝固时作补充钢液用),这节帽头在轧制开坯后需切除,故钢的收得率低,但组织致密,偏析小,质量均匀。优质钢和合金钢一般都是镇静钢。,1.镇静钢,镇静钢锭上部硫磷杂质较多,而下部的硅酸盐夹杂较多,中间部分质量最好。常见缺陷:缩孔和疏松、气泡、偏析。与合金凝固过程中的缺陷及形成原因相同。,外壳层凝固速率很大,成分和钢的平均成分相同。在柱状晶形成和成长期间,杂质和合金元素富集在柱状晶间的隧道中。同时在钢锭中液相发生扩散以及钢液的循环流动,把柱状晶前沿富集杂质和合金元素的钢液带到锭子的心部,形成正偏析。,在中心等轴晶形成期间,发生游离晶体下沉,游离晶体含杂质及合金元素少,它的下沉引起钢锭下部的负偏析。锭子的上部最后凝固,浓集了杂质和溶质,发生正偏析。,钢锭心部大小不同枝晶的沉积,沉积层发生凝固收缩时,枝晶的沉积层妨碍钢液穿过,于是形成形偏析带。中心等轴晶带结晶初期晶体下沉时,被排挤的一部分钢液上升,这部分富集杂质及合金元素的钢液被仍在生长的柱晶带留住,形成了形偏析带。,一般皆为低碳钢。它是脱氧不完全的钢,浇注时钢水在锭模中放出大量一氧化碳气体,造成沸腾现象。与镇静钢比较,这种钢的收率大,成本低,表面质量好;但其内部质量不均匀。,2.沸腾钢,坚壳带:致密细小的等轴晶粒所组成。蜂窝气泡带:分布在柱状晶内的长形气泡,常分布在钢锭下半部。中心坚固带:没有气泡的柱状晶组成的区域。,二次气泡带:碳氧反应在柱状晶间的小孔隙处反复发生,呈圆形气泡留在钢锭中。锭心带:粗大等轴晶,液态完全混合,成分偏析大,头部硫化物多,尾部氧化物多。,连铸坯,本章小结,铁碳相图,碳及元素对碳钢性能的影响,平衡凝固过程(纯铁、亚共析碳钢、共析碳钢、过共析碳钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁),碳钢中主要的组元与相,钢锭组织及宏观缺陷,章节要点,随碳含量变化,碳钢性能的变化,碳钢平衡凝固后的组织和相组成及百分含量,铁素体、珠光体、渗碳体、奥氏体、莱氏体,钢中的元素:冷脆、热脆、蓝脆、氢脆,

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