铁碳合金相图分析课堂课件.ppt

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1、1,第七章,铁,碳,合,金,7.1,概,述,7.2,纯,铁,7.3,碳与铁碳合金中的相,7.4 Fe-Fe,3,C,相图,7.5 Fe-C,相图,7.6,铁碳合金成分、组织与性能间的关系,7.7,钢中的杂质,2,7.1,概,述,钢铁是铁与碳的合金，各种合金钢也是,在铁与碳的基础上，为了具有某种特殊的性能,而添加一些合金元素。钢铁是目前人类社会中,最重要的金属材料。因此，铁与碳的合金是最,重要的合金。,?,铁碳元素在地壳中占,41.2,，储量集中，,易于开采，而且易于从矿石中还原成金属；,?,铁碳合金的强韧性配合得好；,3,?,铁碳合金可形成两个同素异构体，多种组织，,性能变化范围宽；,?,77

2、6,以下，具有铁磁性；,?,熔点为,1538,，热激活过程可以在不太高的温,度下进行。,?,可以有意无意地加入其它元素，得到各种各样,的性能。,4,7.2,纯,铁,1.,铁元素的化学特性,化学元素铁的原子序数是,26,，在第四周期，,属于过渡族，原子量是,55.85,，原子轨道是,3d,6,4s,2,。,铁的熔点是,1538,，汽化温度是,2738,，,密度为,7.87g/cm,3,。,2.,纯铁的多形性,从高温到低温，纯铁由液相依次发生了三种,多形性变化：,5,液相（,L,）,-,Fe ,-,Fe ,-Fe,其中：,-Fe,为体心立方晶体结构。,-Fe,为面心立方晶体结构，此时发生第一次同素

3、异形,转变；,-Fe,面心立方的边长为,0.36563nm,，最近原子间距为,0.25850nm,，原子半径,0.12925nm,，四面体间隙的边,长为,0.02908nm,，八面体间隙边长为,0.05350nm,。,-Fe,为体心立方晶体结构，此时发生第二次同素异形,转变；,-Fe,体心立方的边长为,0.28663nm,，最近原子间距为,0.24821nm,，原子半径,0.12410nm,，四面体间隙的边,长为,0.03596nm,，八面体间隙边长为,0.01862mm,。,1538,1394,912,6,3.,纯铁的性能与应用,4.,力学性能：,b,176,274MPa,5.,0.2,98

4、,166MPa,6.,30,50,，,70,80,7.,HB,50,80,8.,a,K,1.5,2MNm/m,2,9.,应,用：,主要应用于电子材料，作为铁芯。,7,7.3,碳与铁碳合金中的相,1.,碳的物理化学特性,2.,碳的原子序数是,6,，原子量是,12.01,，密度,是,2.25g/cm,3,。,3.,碳的原子半径为,0.34nm,。碳有两种存在,形式：石墨和金刚石，石墨较为广泛。,4.,石墨是由碳原子层组成，层内原子呈正六,边形。层内原子由共价键结合，原子间距为,0.142nm,。层间原子由弱金属键结合，间距为,0.34nm,。,5.,石墨的晶体结构属于六方晶系，其中,a,0.46n

5、m,，,c,0.670nm,，每个晶胞含有四个原子。,8,2.,碳在铁中的固溶体,3.,碳与铁通过相互作用可形成,铁素体,和,奥氏体,两种间隙固溶体以及化合物,渗碳体,。,4.,铁素体,是碳原子作为间隙式溶质溶入到体,心立方晶体铁,-Fe,的间隙中形成的间隙式固溶体。,C,在,-Fe,的溶解度是：,G(wt%),2.55exp,（,9700/RT,），碳在体心立方中的溶解度十分有限，,727,时，,C,在,-Fe,中的溶解度是,0.022,。,5.,铁素体有与纯铁相同的性能，居里点是,770,。常用符号：,F,或,6.,奥氏体,是碳原子作为间隙式溶质溶入到,-,Fe,中的间隙形成的间隙式固溶体

6、。,9,由于面心立方的八面体间隙较大，因此,-Fe,的溶碳能,力较高，,1147,时碳在,-Fe,中有最大溶解度，,2.14,。,奥氏体有较好的塑性，具有顺磁性。常用,A,或,表,示。,渗碳体,是铁与碳组成的化合物,Fe,3,C,。,渗碳体具有复杂的斜方晶格，其中,a,0.4524nm,，,b,0.5089nm,，,c,0.6743nm,。单胞中有,12,个,Fe,原子，,4,个碳原子，,Fe,：,C,3,：,1,。晶胞中每个碳原子周围,有,6,个铁原子，组成一个三角棱柱，碳原子位于三角,棱柱的中心。含碳为,6.69,。,渗碳体具有很高的硬度，,HV,950,1050,，而塑,性几乎为零，常温

7、下具有铁磁性，居里点是,230,，,熔点计算值为,1227,。,10,3.,铁碳合金相图,4.,渗碳体在热力学中上是个亚稳定的相，石墨才是,稳定的相。但在实际中，石墨的表面能很大，形核需要很,高的能垒，一般条件下，碳大多和铁结合成渗碳体，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。,5.,因此，铁碳相图有两类：,6.,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,0,6.69,7.,液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中,C,含量的范围是,0,100,。,8.,通常，相图中有虚实两线，实线表示,类，虚线,表示,类，无虚线部分表

8、示两者共有，此称为双线铁碳相,图。,11,7.4 Fe-Fe,3,C,相图,1. Fe-Fe,3,C,相图,1,2,3,4,5,6,A,B,C,D,E,F,G,H,N,J,P,M,O,S,K,Q,1538,1394,1154,1148,910,770,738,727,230,1493,L,C,m,L+C,m,C,m,Fe,Fe,3,C,+ L,12,符,号,温,度,/,（,C,）,/%,说,明,A,1538,0,纯铁的熔点,B,1493,0.53,包晶转变时液态合金的成分,C,1147,4.30,共晶点,D,1227,6.69,渗碳体的熔点,E,1147,2.14,碳在,-Fe,中的最大溶解度

9、,F,1147,6.69,共晶反应生成的渗碳体,G,912,0,-Fe,向,-Fe,转变温度（,A,3,）,H,1493,0.09,碳在,-Fe,中的最大溶解度,13,J,1493,0.16,包晶点,K,727,6.69,共析反应生成的渗碳体,M,770,0,纯铁的磁性转变点,N,1394,0,-Fe,向,-Fe,的转变温度（,A,4,）,O,770,0.5,（,C,）,0.5,合金的磁性转变温度,P,727,0.022,碳在,-Fe,中的最大溶解度,S,727,0.76,共析点（,A,1,）,Q,600,0.0057,600,时碳在,-Fe,中的溶解度,14,由上可知，,Fe-Fe,3,C,

10、相图中有以下组成部分：,液相线：,ABCD,固相线：,AHJECF,五个单相区：,L,，,，,，,和,Fe,3,C,七个两相区：,L,，,L,，,L,Fe,3,C,，,，,，,Fe,3,C,，,Fe,3,C,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,15,2.,三个相变,3.,包晶转变,：,1493,时，,B,点成分的液相和,H,点成分,的,铁素体进行包晶反应生成,J,点成分的奥氏体，即,L,B,+,H,=,J,4.,共晶转变,：,1147,时，,C,点成分的液相通过共晶,转变生成,E,

11、点成分的奥氏体和渗碳体，即,L,C,E,Fe,3,C,。,5.,反应得到的共晶体,E,Fe,3,C,称为莱氏体，用字母,Ld,表示。莱氏体继续冷却至,727,时，莱氏体中的奥氏,体要发生相变，相变后的莱氏体用,表示。,6.,共析反应：,727,时，,S,点成分的奥氏体共析分解,成,P,点成分的铁素体和渗碳体，即,S,P,Fe,3,C,。,7.,所得到的共析体,P,Fe,3,C,称为珠光体，用,P,表示。,L,d,?,L,d,?,16,3.,铁碳合金的平衡结晶和组织转变,1,）铁碳合金的分类,工业纯铁：,碳含量小于,0.022,的铁碳合金称为工业纯铁，,其特点是在冷却过程中不发生共析反应。,钢：

12、,碳含量在,0.022,2.14,之间的铁碳合金称为钢，其特,点是结晶过程不发生共晶反应。根据室温组织的不同，钢又,分为：,共析钢：,碳含量为,0.76,亚共析钢：,碳含量在,0.022,0.76,之间,过共析钢：,碳含量在,0.76,2.14,之间,铸铁：,碳含量在,2.14,6.69,之间的铁碳合金称为铸铁，又,称白口铁。,17,白口铁的特点是结晶过程发生共晶转变，因而有较好的铸造,性能。但渗碳体量很多，质脆，不能锻造。根据室温组织的,不同，白口铁又分为：,共晶白口铁：,碳含量为,4.30,亚共晶白口铁：,碳含量在,2.11,4.30,之间,过共晶白口铁：,碳含量在,4.30,6.69,之

13、间,2,）各类铁碳合金的组织转变,?,工业纯铁,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,高温液相开始冷却：,在,a1,点温度开始从液相中结晶出,铁素体,结晶,完毕后在,a2,点温度开始形成单相,冷却至,a3,点,温度时开始从,相的晶界上中析出,相，直至,a4,点温,度,冷却至,a5,点温度时，在,相晶界上,18,析出,铁素体，至,a6,点温度时,相全部转变为,相,在,a7,点温度时，,铁素体中的碳达到饱和，继续冷却将从,铁素,体中析出,Fe,3,C,，分布在,铁素体的晶界上。,室温下的平衡组织：,铁素体,Fe,3,C,?,共析钢,高温钢液开始冷却：,b1,温度时从液相中结晶析出,相，直至,b

14、2,点,温度时完毕,单相,一直保存至,b3,点温度,在,b3,点温度发生共析反应，得到珠光体,利用杠杆定律，可计算珠光体中,铁素体和,渗碳体的相对量：,b1,b2,b3,P,S,19,在珠光体团中，珠光体中,铁素体和渗碳体是有一定,位向关系的：,珠光体是由交替排列的片层铁素体和渗碳体构成的。,3,3,3,(001),/(52,1,),100,13,1,2.6,010,113,2.6,Fe,C,F,Fe,C,Fe,C,?,?,与,差,与,差,3,S,K,6,.,6,9,0,.,7,6,%,1,0,0,%,1,0,0,%8,8,.,9,%,P,K,6,.,6,9,0,.,0,2,2,P,S,0,.

15、,7,6,0,.,0,2,2,1,0,0,%,1,0,0,%1,1,.,1,%,P,K,6,.,6,9,0,.,0,2,2,F,e,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,20,?,亚共析钢,当合金自液相冷却时：,在,c1,点温度开始结晶析出,铁素体,在,c2,点,温度时，发生包晶转换，即液相成分变到,B,点，,相成分变到,H,点，转变生成,J,点成分的,相。此,时,相消失，但仍留有过剩的,L,相,剩余液相,在继续冷却过程中，结晶生成,相，至,c3,点温,度结束，得到单相的,相，直至,c4,点,在,c4,点温度时，开始在晶界位置处有,相析出，继续降低温度，,相不断增多,在,

16、c5,点温度，,相成分变到,S,点，共析反应生成成,分为,P,点的,相，形成珠光体。,c1,c2,c4,c3,c5,H,B,J,P,S,21,通常将共析反应前从奥氏体中析出的铁素体称为先共析,铁素体。,利用杠杆定律，设碳含量是,0.3,的亚共析钢，则共析,反应后组织中的先共析铁素体和珠光体的相对量为：,此时，合金中,与,Fe,3,C,两相的相对量为：,c,5,S,0,.,7,6,0,.,3,%,1,0,0,%,1,0,0,%,6,2,.,2,%,P,S,0,.,7,6,0,.,0,2,2,P,c,5,0,.,3,0,.,0,2,2,P,1,0,0,%,1,0,0,%,3,7,.,8,%,P,S

17、,0,.,7,6,0,.,0,2,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,c,5,K,0,.,3,%,1,0,0,%,1,0,0,%,9,5,.,8,%,P,K,6,.,6,9,0,.,0,2,2,P,c,5,0,.,3,0,.,0,2,2,P,1,0,0,%,1,0,0,%,4,.,2,%,P,K,6,.,6,9,0,.,0,2,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,6,.,6,9,22,亚共析钢的室温平衡组织是先共析铁素体和珠光体。,亚共析钢中的先共析铁素体可能呈现不同的形态：先共,析铁素体在奥氏体晶界上形核后，可形成沿原奥氏体晶界的,网状先共析铁素体；也

18、可沿奥氏体晶内某特定晶面生长成相,互平行的片状，即魏氏组织。,?,过共析钢,d1,d2,d3,P,S,d4,当合金从液相开始冷却：,在,d1,点温度开始结晶出,相，直至,d2,点温度时,结束，得到单相,在,d3,点温度时，奥氏体,中的碳得到饱和，继续冷却时，奥氏体中析出,二次渗碳体,Fe,3,C,，呈网状沿奥氏体晶界析出,在,d4,点温度时，发生共析转变，,s,点成分的奥氏,体共析分解，形成珠光体。,23,共析反应后，过共析钢的室温组织是,Fe,3,C,和珠光体。,设有一碳含量为,1.0,的过共析钢，则应用杠杆定律，,可知二者在组织中的相对量为：,过共析钢的网状碳化物随钢中含碳量的增多而增多，

19、网,状碳化物对钢的性能有极恶劣的影响，特别是造成钢的塑性,和冲击韧性的大幅降低，因此在实际生产中一定要避免或消,除这种网状碳化物。,3,d,4,S,1,.,0,0,.,7,6,1,0,0,%,1,0,0,%4,.,0,%,S,K,6,.,6,9,0,.,7,6,d,4,K,6,.,6,9,1,.,0,P,1,0,0,%,1,0,0,%9,6,.,0,%,S,K,6,.,6,9,0,.,7,6,F,e,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,24,E,C,S,当合金自液相冷却时：,达到共晶温度，发生共晶反应，形成莱氏体，,即奥氏体和渗碳体的两相混合物,继续冷,却，莱氏体中的渗

20、碳体不变，其中的奥氏体成,分沿,ES,线变化，从奥氏体中析出,Fe,3,C,，,附着,在共晶体的渗碳体上，难以观察,冷却到,共析温度时，奥氏体成分变到,S,点，莱氏体中,的奥氏体发生共析分解形成珠光体（这种经共,析反应的莱氏体称为低温莱氏体）,珠光,体在低温时继续析出三次渗碳体。,?,共晶白口铁,25,共晶反应后莱氏体中两相的相对量是：,?,亚共晶白口铁,3,C,F,6,.,6,9,4,.,3,0,1,0,0,%,1,0,0,%5,2,.,5,%,E,F,6,.,6,9,2,.,1,4,E,C,4,.,3,0,2,.,1,4,1,0,0,%,1,0,0,%4,7,.,5,%,E,F,6,.,6

21、,9,2,.,1,4,F,e,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,E,C,S,f1,f2,f3,当合金自液相冷却时：,在,f1,点温度时开始结晶出奥氏体，之后液相,成分沿,BC,线变化，,相成分沿,JE,线变化,冷却到,f2,时，液相成分变化到,C,点，,相成分,变化到,E,点，此时液相发生共晶转变，形成莱,氏体,继续冷却，奥氏体成分沿,ES,线变,化，达到,f3,点时，,S,点成分的奥氏体（包,26,括先共晶的奥氏体和莱氏体中的奥氏体）发生共析转变，形,成珠光体，珠光体转变后的莱氏体称为低温莱氏体,继,续冷却，从珠光体和低温莱氏体中的铁素体中都有三次渗碳,体析出。

22、,?,过共晶白口铁,E,C,S,g1,g2,g3,当合金自液相冷却时：,在,g1,点温度，从液相中开始结晶出渗碳体,（这种从液相中直接析出的渗碳体为一次渗,碳体）,冷却到,g2,点温度时，剩余液相成,分变到,C,点，发生共晶反应，得到莱氏体,继续冷却，奥氏体成分沿,ES,线变化，达到,g3,点时，,S,点成分的奥氏体发生共析转变，,27,形成珠光体，共析转变后的莱氏体称为低温莱氏体,继,续冷却，从珠光体和低温莱氏体中的铁素体中析出三次渗碳,体。,总结,：从,Fe-Fe,3,C,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。,而相比之下，室温,组

23、织组成物,却有,、,Fe,3,C,、,P,、,Fe,3,C,、,Fe,3,C,和,。,L,d,?,28,7.5 Fe-C,相图,1. Fe-C,相图,A,G,N,Q,G,1,2,3,4,5,6,B,C,D,E,F,H,J,P,M,O,S,K,1538,1394,1154,1148,910,770,738,727,230,1493,L,G,G,?,D,?,C,?,E,?,F,?,S,?,K,?,P,0,2,5,10,15,20,25,29,与,Fe-Fe,3,C,相图的不同之处：,1,）液相线：,ABC,固相线：,AHJ,2,）在,Fe-Fe,3,C,相图中所有析出渗碳体的线、点，在,Fe-C,

24、相图中除位置除有所改变外，都是析出石墨：,线析出初次石墨,线析出二次石墨,线通过共晶转变形成的共晶体是奥氏体与片,状石墨组成的团状组织，即一个共晶领域是一个,奥,氏体石墨共晶团,。,?,D,?,?,?,ECF,?,?,C,D,?,?,E,S,?,?,?,ECF,30,用扫描电镜可以观察到石墨的空间形态，由此可以,证明，在一个共晶领域内石墨是相互连接成多枝状,的。光学显微镜下观察到的条状石墨乃是这些多枝,状石墨片的截面。,线上发生共析转变，得到的共析组织是,铁素,体与石墨,组成。,石墨呈点状分布在铁素体基体上，但在含碳量大于,2.08,的合金中，二次石墨和共析石墨一般都依附,在共晶石墨上生长。,

25、?,?,?,P,S,K,31,2.,各类铁碳合金中的石墨形态,接近共晶成分,的铁碳合金：,A,型,石墨无方向性均匀分布,B,型,石墨呈片状与点状聚集成的菊花状分布,亚共晶成分,的铁碳合金：,亚共晶合金如果碳含量偏低，则在共晶转变之前有较,多的先共晶奥氏体呈树枝状析出，此时奥氏体,石墨共晶,只能在枝晶间生长。此时石墨呈,D,型,分布。,A,型,B,型,32,D,型,石墨在枝晶间呈点片状分布,过共晶成分,的铁碳合金：,过共析成分的铁碳合金凝固后组织中含有初次石墨,C,型：,初次石墨呈粗大的片状,F,型：,初次石墨呈星状分布,C,型,F,型,33,如果在亚共晶、过共晶或共晶合金浇注前，向,液体中加入

26、少量的镁或稀土元素，并加入硅进行变,质处理，则合金凝固后的石墨呈,球状,。,碳含量大于,2.08,并按稳定系统发生共晶转变,的合金，由于其断口呈灰色，叫做,灰口铸铁,，当石,墨呈球状时，称为,球墨铸铁,。,34,7.6,1.,含碳量低于,2.11,并按亚稳系统转变的合金,2.,含碳量低于,2.11,的铁碳合金是纯铁和钢。而钢,按碳含量的多少又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。其,室温组织分别为：,3.,纯,铁,铁素体和沿晶界分布的三次渗碳体，三,次渗,4.,碳体的含量随碳含量的增加而增加。,5.,亚共析钢,铁素体和珠光体，珠光体的含量随碳含,量的,6.,增加而直线增加。,铁碳合金的成分、组织,和

27、性能之间的关系,35,过共析钢,珠光体和二次渗碳体。随着碳含量的增加，二,次渗碳体的含量增多。二次渗碳体沿奥氏体晶,界析出，当数量足够多时，便会形成连续的网,络。,纯铁和各类钢室温下的相组成都是铁素体和渗碳体。随,着碳含量的增加，渗碳体量逐渐增多。,根据合金的性能大体上是组成相性能的平均值这一规律，,铁碳合金的各项性能与碳含量之间大致具有直线关系。如图,所示为碳含量对缓冷钢力学性能与某些物理性能的影响：,0,0.0218,0.77,2.11,4.3,50%,100%,F,Cm,Cm,?,L,d,C%,P,室温组织组成相对,量图表,36,由图可知，抗拉强度,b,在碳含量接近,1.0,是出现峰值，

28、,这是因为由于脆性的二次渗碳体在碳含量高于,1.0,时会形成,连续的网络，使钢的脆性大增，因而会使脆性的二次渗碳体,处出现早期的裂纹并发展成断裂，使抗拉强度随之降低。,在拉伸实验中，拉伸曲线具有明显的上、下屈服点。,（如图曲线,a,）同时还观察到应变时效现象。,应变时效：,如果在超过下屈服点以后卸载并立即重新加载,进行试验，试样将发生弹性变形直到第一次的卸载点为止，,0.0218,0.77,2.11,4.3,0,50%,100%,F,Cm,C%,0.0218,0.77,2.11,4.3,性,能,Cm,F,HB,?,b,C%,相组成相对量图表,组织与性能图表,37,在其后发生塑性变形时，不出现屈

29、服点（如图曲线,b,）。,如果在卸载后放置一段时间或在,200,左右短时间加热后,再试验，则屈服点将重新出现，并伴有屈服应力提高（如,图曲线,c,）,。,上屈服点,下屈服点,a,b,c,应,变,应,力,38,2.,含碳量在,2.11,6.69,并按亚稳系统转变的,3.,合金,4.,1,）组织特性,5.,这类合金的组织中至少含有总量为,31.5,的渗碳,体，并以含有莱氏体为其特征。,6.,亚共晶铸铁：随着碳含量的增加，莱氏体含量由,0,增,至,7.,100,。,8.,过共晶铸铁：随着碳含量的增加，莱氏体含量由,100,减,9.,至,0,，但初次渗碳体的含量却由,0,增,至,10.,100,。,1

30、1.,2,）性能特性,12.,渗碳体很,脆,，莱氏体又是以渗碳体为基体的共晶,体，因此这类合金都具有很大的脆性，但同时，,硬度和耐,39,3.,按稳定系统转变的合金,4.,1,）组织特性,5.,按稳定系统转变后，所有合金在室温下均由铁素体和,石墨组成。,6.,2,）性能特性,7.,这类合金的强度和塑性都很差，这是因为：,8.,铁素体本来是个强度很低而塑性很高的相，而石墨本,来几乎没有机械强度。由这样两种相组成混合物时，石墨,的存在一方面减少了铁素体承受机械载荷的有效断面积，,另一方面又由于石墨呈片状，具有的尖端效应造成应力集,中，几乎使合金的塑性丧失殆尽。,40,4.,实际生产中的合金转变,5

31、.,实际上，含碳量小于,2.11,的合金在一般情况下,都是按照亚稳系统转变的。,6.,含碳量高于,2.08,的合金，在实际生产中是把成,分控制在共晶或亚共晶范围内，在高温区，按稳定系统凝,固与转变，得到共晶与二次石墨；在低温区，按亚稳系统,转变得到珠光体。,L,2.08A,4.3 Ld,0.68A,0.0218F,Fe,G,共晶,G,二次,G,共析,G,三次,第一阶段,第二阶段,第三阶段,41,如图，铸铁经不同程度石墨化后所得的组织,名,称,程,度,第一阶段,第二阶段,第三阶段,显微组织,灰口,铸铁,充分进行,充分进行,充分进行,F,G,充分进行,充分进行,部分进行,F,P,G,充分进行,充分

32、进行,不进行,P,G,麻口,铸铁,部分进行,部分进行,不进行,P,G,白口,铁,不进行,不进行,不进行,P,Fe,3,C,L,d,?,L,d,?,42,5.,石墨化的一些规律,1,）合金元素,促进石墨化的合金元素：,C,、,Si,、,Al,、,Ni,、,Co,阻碍石墨化的合金元素：,Cr,、,W,、,Mo,、,Y,、,Mn,、,S,2,）高温下长时间保温，可促进石墨化。,3,）可锻铸铁和球墨铸铁的吸振性、铸造性、切削加,工性较好。变质处理的球墨铸铁，其力学性能近于,钢的水平。,43,7.7,钢中的杂质,1.,钢中杂质的来源,2.,由于原料和冶炼工艺的限制，实际使用的钢中都,含有,0.4,Si,

33、、,0.8,Mn,、,0.07,S,、,0.09,P,以及微,量的气体元素,O,、,H,、,N,等。,3.,其中，,Si,和,Mn,是在钢的冶炼过程中必须加入的,脱氧剂，而,S,、,P,、,O,、,N,、,H,等则是从原料或大气中带来,而在冶炼使不能去净的杂质。,2.,杂质元素对钢组织性能的影响,?,Si,和,Mn,在钢,脱氧时，,Si,和,Mn,可把,FeO,还原成铁，并形成,SiO,2,和,44,MnO,。,Mn,还可与钢液中的,S,形成,MnS,。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。,Si,和,Mn,，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，,Mn,还可溶于,渗碳体，形

34、成合金渗碳体（,Fe,，,Mn,）,3,C,。,溶于铁素体中的,Si,和,Mn,可提高铁素体的强度，因而也,提高钢的强度。当它们的含量大约不超过,1,时，不降低钢,的塑性和韧性。所以，,认为,Si,和,Mn,是钢中的有益元素。,值得注意的是：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。,45,?,S,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,又可与,铁形成熔点为,989,的（,Fe,FeS,）的共晶体，这种共晶

35、体将在钢液凝固后期凝固，并存,在于奥氏体枝晶间。由于,S,含量一般不超过,0.1%,故（,Fe,FeS,）共晶体的量也很少，几乎都是离异共晶。,如果钢中存在（,Fe,FeS,）共晶体，在加热到,1150,1200,之间时，它们就会成为液体,，一经锻打，钢就会沿,晶界开裂。这种现象叫做,热脆或红脆,。即使不经压力加工，,网状,FeS,的存在对钢的力学性能也是损害极大的。如果钢液,脱氧不良，含较多,FeO,，还会形成熔点更低的（,Fe,FeO,FeS),三相共晶体，其危害更大。,46,钢中的,Mn,可以减弱,S,对钢的有害作用。由于,Mn,和,S,化学,亲和力大于,Fe,和,S,的化学亲和力，所以

36、在含,Mn,的钢中，,S,和,Mn,形成,MnS,，从而避免了,FeS,的形成。,MnS,的熔点在,1600,，高于热加工温度，并在高温下具有一定的塑性，故,不会使钢发生热脆。但,MnS,毕竟是一种非金属夹杂物，起着,割断钢的基体连续性的作用，会降低钢的疲劳强度、塑性和,韧性。,此外，,S,含量过高，会使钢铸件在铸造应力的作用下发,生热裂，对焊接件而言易于在焊缝处发生热裂，同时还易于,在焊接过程中生成,SO,2,气体，使焊缝产生气孔和疏松。,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

37、,0.020,。,47,但,S,在个别情况下表现出对钢性能的有利作用。如在易,削钢中同时提高,Mn,和,S,的含量，使钢中含有较多的,MnS,。,MnS,可降低钢的塑性，使切削易于断裂。,MnS,还在切削过程,中起到一定的润滑作用，减小刀具与工件之间的摩擦，延长,刀具的寿命。,?,P,P,在,Fe,中有最大溶解度，,1049,可达,2.55,。虽,然随着温度的降低，溶解度将不断下降，但在室温仍达,1,左右，远大于钢中的一般,P,含量。因此在一般情况下，,钢中的,P,全部存在于固溶体中。,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。,48,在铁基合金中

38、，,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,在低温下会变脆，这种现象叫做,冷脆,，开始变脆的温,度叫做韧脆转化温度，它与钢的成分和组织状态有关。,P,会,降低钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转化温度。,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；,49,2,）在易削钢中使铁素体适当脆化，提高切削加工零件的

39、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。,?,N,N,是在冶炼时由炉料以及炉气进入钢中的。在平炉钢中，,N,含量为,0.001,0.008,，纯氧顶吹转炉中，约为,0.003,0.006,，电炉中约为,0.008,0.03,。,N,在,铁中的溶解度较大，在,铁中的溶解度较小。由于,N,在,铁中的溶解度与室温下的溶解度差别较大，因此将含,N,较高的钢从高温淬冷时，铁素体中的,N,含量将达到过饱和，,钢材长时间放置或稍行加热时，,N,将逐渐以氮化铁的形,50,式从铁素体中弥散析出。这会使低碳钢的强度、硬度上升，,塑性、韧性下降，这种现象叫做,时效硬化,，是,

40、有害的,。,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,。,P,还会使钢发生,蓝脆现象,。蓝脆就是指钢在加热到,150,300,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,150,300,时，由于氧化作用，钢的表,面呈现蓝色，故这种现象称为蓝脆。,蓝脆一般是有害的,。,?,H,H,是在冶炼过程中，由含水的炉料及潮湿的大气带入钢,中的。,51,?,H,在铁中的溶解度很小，在钢中的含量一般很少，但对钢,的危害却很大。这主要是由于,H,溶解于固态钢中时，对钢的屈,服点和抗拉度没有明显的影响，但却剧烈的降低钢的

41、韧性。若,钢快冷，则过饱和的氢就会析出形成高压氢气使钢产生裂纹，,即形成白点。,?,O,炼钢是靠氧化除去原料中的杂质的。尽管最后经过脱氧，,但总有一定数量的氧残留在钢中。对低碳钢来说，平炉钢约为,0.02,0.03,，电炉钢约为,0.01,0.02,，而侧吹碱性转炉钢,约为,0.04,0.07,。,O,在钢中的溶解度很小，在,700,时，,铁能溶氧,0.008,，,而在,500,以下降至小于,0.001,。常见的氧化物有,Al,2,O,3,、,MnO,、,SiO,2,、,FeO,等，它们往往还会形成复合氧化,52,物或硅酸盐。,O,含量对钢的性能的影响主要决定于氧化物的,数量、大小、形状和分布，而这些又与氧化物的种,类及钢的凝固、加工过程有关。总体来说，钢中,O,含量的增高，钢的塑性、韧性下降，韧脆转化温度,升高，疲劳强度下降。在轧压温度下塑性较好的夹,杂物，特别是硅酸盐，轧压时将沿压延方向伸长，,且两端比较尖锐，对横向力学性能影响尤大。此外，,这些夹杂物还是冷冲压性能及切削加工性变坏。,