第四章-铁碳相图PPT参考课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料科学基础,Fundamentals of Materials Science,第四章,Fe-Fe,3,C,相图,Fe-Fe,3,C,phase diagram,1,4.1,铁碳合金的组元及基本相,4.2 Fe-Fe,3,C,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,2,Fe,3,C,Fe,2,C,FeC,温度,Fe,C,(6.69%C),3,4,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,0,6.69,液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡,，其中,C,含量的范围是,0,100,。,5,1,2,3,4,5,6,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,6,4.1,铁碳合金中的组元及基本相,4.1.1,纯铁（,iron,）,1394,1538,1000,600,800,1200,温度,时间,1600,1500,500,700,900,1100,1300,1400,912,-Fe,-Fe,-Fe,7,力学性能,：,b,176,274MPa,0.2,98,166MPa,30,50,，,70,80,HB,50,80,a,K,1.5,2MNm/m,2,应 用,：,主要应用于电子材料，作为铁芯。,8,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,w,c,=0.0218%,，最小为室温时的,w,c,=0.0008%；,性能为：,b,180280MPa、,0.2,100170MPa、30%50%，,k,160200J/,2,、,硬度80,HB。,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,）,9,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,w,c,=2.11,；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：,b,400MPa、40%50%、,170220,HB。,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,）,10,4.1.2,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,Fe,3,C,的一种间隙式化合物，,用符号,Fe,3,C,表示，其含碳量为,w,c,=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800,HB、,抗拉强度(,b,)30MPa、,伸长率(,),0、,冲击韧度(,k,)0。,11,12,珠光体（,Pearlite）,FFe,3,C,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,。,13,莱氏体（,Ledeburite,）,莱氏体是由,AFe,3,C,组成的一种机械混合物,，用符号,L,d,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,。,14,4.2,Fe-Fe,3,C,相图分析,Fe,T,Fe,3,C,15,16,符 号,温 度,/,（,C,）,/%,说 明,A,1538,0,纯铁的熔点,B,1495,0.53,包晶转变时液态合金的成分,C,1148,4.30,共晶点,D,1227,6.69,渗碳体的熔点,E,1148,2.11,碳在,-Fe,中的最大溶解度,F,1148,6.69,共晶反应生成的渗碳体,G,912,0,-Fe,向,-Fe,转变温度（,A,3,）,H,1495,0.09,碳在,-Fe,中的最大溶解度,17,J,1495,0.17,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,727,0.0218,碳在,-Fe,中的最大溶解度,S,727,0.77,共析点（,A,1,）,Q,600,0.0057,600,时碳在,-Fe,中的溶解度,18,19,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,20,1.,包晶转变反应式,:,L,B,+,H,A,J,1495,3.,共析转变反应式,:,A,S,(,F,P,+,Fe,3,C,),P,727,2.,共晶转变反应式,:,L,C,(,A,E,+,Fe,3,C,),Ld,1148,21,4.2.5,三条重要的特性曲线,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。,22,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。,23,4.3,铁碳合金的平衡结晶过程及组织,24,工业纯铁,(iron),：,C%0.0218%,钢,(steel),：,C%,：,0.0218,2.11%,，又分为：,共析钢,(eutectoid steel),：,C%,：,0.77%,亚共析钢,(hypeutectoid steel),：,C%,：,0.0218,0.77%,过共析钢,(hypereutectoid steel),：,C%,：,0.77,2.11%,铸铁,(cast iron),：,C%,：,2.11,6.69%,，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%,：,2.11,4.30%,过共晶铸铁,(hypereutectic cast iron),：,C%,：,4.30,6.69%,25,4.3.1,工业纯铁,(Wc 0.0218%),26,纯铁组织金相图,27,4.3.2,共析钢,(Wc=0.77%),28,共析钢组织金相图,29,相组成：,+Fe,3,C,组织组成：,P,共析钢,(Wc=0.77%),30,4.3.3,亚共析钢,(Wc=0.45%),31,亚共析钢组织金相图,32,组织组成：,+,P,亚共析钢,(Wc=0.45%),相组成：,+Fe,3,C,33,a),含碳量,0.20,b),含碳量,0.40,c),含碳量,0.60,a,b,c,34,4.3.4,过共析钢,(Wc=1.2%),35,过共析钢组织金相图,36,组织组成：,Fe,3,C,+,P,过共析钢,(Wc=1.2%),相组成：,+Fe,3,C,37,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,38,4.3.5,共晶白口铸铁,(Wc=4.3%),39,共晶白口铸铁组织金相图,40,组织组成：,Fe,3,C,+,PLd,共晶白口铸铁,(Wc=4.3%),相组成：,+Fe,3,C,41,42,4.3.6,亚共晶白口铸铁,(Wc=3.0%),43,亚共晶白口铸铁组织金相图,44,组织组成：,Fe,3,C+,P+,Ld,？,亚,共晶白口铸铁,(Wc=3.0%),相组成：,+Fe,3,C,45,46,4.3.7,过共晶白口铸铁,(Wc=5.0%),47,过共晶白口铸铁组织金相图,48,组织组成：,Fe,3,C,+,Ld,过,共晶白口铸铁,(Wc=5.0%),相组成：,+Fe,3,C,49,50,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,。而室温,组织组成物,却有,、,Fe,3,C,、,P,、,Fe,3,C,、,Fe,3,C,和,Ld,。,51,Fe-Fe,3,C,相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+Fe,3,C,4.3%C,2.11%C,0.0218%C,6.69%C,Fe,Fe,3,C,T,(A+Fe,3,C),Ld,Ld+Fe,3,C,A+Ld+Fe,3,C,F,A+F,A+,Fe,3,C,(F+Fe,3,C),P,P+F,0.77%C,P+Fe,3,C,Ld,Ld+Fe,3,C,P+Ld+Fe,3,C,K,共晶相图,共析相图,匀晶相图,(P+Fe,3,C),52,53,54,55,碳含量,相组成,组织组成,工业纯铁,0.0218%,F+Fe,3,C,F,亚共析钢,0.0218-0.77%,F+Fe,3,C,F+P,共析钢,0.77%,F+Fe,3,C,P,过共析钢,0.77-2.11%,F+Fe,3,C,Fe,3,C+P,亚共晶铸铁,2.11-4.30%,F+Fe,3,C,Fe,3,C+P+Ld,共晶铸铁,4.30%,F+Fe,3,C,Ld,过共晶铸铁,4.30-6.69%,F+Fe,3,C,Fe,3,C+Ld,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,4.4,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,0,0.0218,0.77,2.11,4.3,50%,100%,F,Cm,Cm,C%,P,室温组织组成相对,量图表,66,0.0218,0.77,2.11,4.3,0,50%,100%,F,Cm,C%,相组成相对量图表,67,4.4.2,碳对力学性能的影响,68,纯铁与珠光体性能对比,纯铁,b,176,274MPa,0.2,98,166MPa,30,50,，,70,80,HB,50,80,珠光体,b,1000MPa,0.2,600MPa,10,，,12,15,HB,241,69,4.4.3,碳对工艺性能的影响,1.,切削加工性能,70,71,72,73,2.,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。,74,3.,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。,75,（,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。,76,（,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。,77,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：,1600,o,C,），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,78,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,）,3,C,。,是钢中的有益元素。,79,钢中,Si,含量通常小于,0.5%,，脱氧时进入，形成,SiO,2,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,80,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。,81,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。,82,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（,Fe,FeS,）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。,（,Fe,FeS,）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,83,如果钢中存在,（,Fe,FeS,）共晶体,，在加热到,1150,1200,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（,Fe,FeO,FeS),三相共晶体，其危害更大。,可以加,Mn,防止,MnS,。,84,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,。,85,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,30,32%,的硫铁为主要原料，用电弧炉，加入废钢和所需合金元素，,1600,1650,时加入硫铁，最后加入脱氧剂，镇静后出钢。钢中含硫量,0.5,11%,，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。,86,4.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,。,87,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,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。,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。,88,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。,89,2025/2/12 周三,/,19:49:18,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,90,平炉钢：,0.001,0.008,纯氧顶吹转炉钢：,0.003,0.006,电炉钢：,0.008,0.03,。,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,。,91,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,。,92,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。,93,94,平炉钢：,0.02,0.03,电炉钢：,0.01,0.02,侧吹碱性转炉钢：,0.04,0.07,。,700,时，,铁能溶氧,0.008,500,以下降至,0.001,。,常见的氧化物有,Al,2,O,3,、,MnO,、,SiO,2,、,FeO,等，往往还会形成复合氧化物或硅酸盐。,7.O,的影响,95,Spectrum,O(at%),Mg(at%),Al(at%),Ca(at%),Fe(at%),Total,Spectrum 1,65.46,1.85,22.36,3.99,6.34,100.00,Spectrum 2,64.64,27.35,6.64,1.36,100.00,96,4.5.2,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,。,97,镇静钢 半沸腾钢 沸腾钢,98,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,99,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。,100,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,。,101,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,。,102,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,。,103,一般皆为,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,104,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。,105,二次气泡带：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。,106,连铸坯,107,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,108,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,109,