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郑州槽钢:什么是铁碳合金

机械工程材料中应用最广泛的钢铁材料属于铁碳合金,其中碳钢与铸铁是以铁和碳两种元素为主组成的铁碳合金,合金钢和合金铸铁是以铁碳合金为主再加入其他合金元素所组成的合金。因此研究和选用钢铁材料必须从认识铁碳合金开始。

第一节 铁碳合金的基本组织

铁碳合金中的铁和碳在液态时可以互相溶解,在固态时碳能溶解于铁的晶格中,形成均匀的固相,称为间隙固溶体。当含碳量超过铁的溶解度时,多余的碳和铁会形成金属化合物Fe3 C。另外,这些固溶体和化合物在一定条件下还可以形成混合物。因此,铁碳合金中一般有以下几种基本组织。

1.铁素体

碳溶解在α -Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体,用符号F表示。它仍保持α -Fe的体心立方晶格,其原子排列如图3-1所示。碳在α -Fe中的溶解度很小,在727℃时,为0.0218%,随着温度的降低,α -Fe中的溶碳量逐渐减小,在室温时,碳在α -Fe中的溶解度为0.0008%。由于铁素体的含碳量低,所以铁素体的性能与纯铁相似(σ b ≈180~280 MPa,δ ≈30%~50%,50~80HBS),具有良好的塑性,低的强度和硬度。在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒,其显微组织如图3-2所示。

图3-1 铁素体原子排列示意图 图3-2 铁素体的显微组织

2.奥氏体

碳溶解在γ -Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体,用符号A表示。由于γ -Fe是面心立方晶格,晶格的间隙较大,故奥氏体的溶碳能力比铁素体强。奥氏体原子排列如图3-3所示。在1148℃时奥氏体的溶碳量可达2.11%,随着温度的下降,溶解度逐渐减小,在727℃时溶碳量为0.77%。

图3-3 奥氏体原子排列示意图

奥氏体的强度和硬度不高,但具有良好的塑性(δ ≈40%~60%,120~220 HBS),是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体是一种高温组织,冷却至一定温度时将发生组织转变;奥氏体没有磁性。其显微组织如图3-4所示。

图3-4 奥氏体的显微组织

3.渗碳体

渗碳体是铁和碳相互作用而形成的一种具有复杂斜方晶体结构的金属化合物,常用分子式Fe3 C表示。渗碳体中碳的质量分数为6.69%,熔点为1227℃,硬度很高(800 HBW),塑性和韧性极低,硬而脆。渗碳体分布在钢中主要起强化作用,其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。

渗碳体是碳钢中的主要强化相,它以多种晶粒形态存在于钢中。渗碳体晶粒的形状、大小、数量和分布情况对钢的力学性能影响很大。

4.珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体的混合物,用符号P表示。在缓慢冷却条件下,珠光体的含碳量为0.77%。组织形态为渗碳体与铁素体呈片层相间、交替排列的混合物,如图3-5所示。其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能,大体上是两者性能的平均值(σ b ≈800 MPa,δ ≈20%~35%,180 HBS)。

图3-5 珠光体组织

5.莱氏体

莱氏体分高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物,含碳量为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148℃时,从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物称为高温莱氏体,用符号Ld 来表示。由于奥氏体在727℃时还将转变为珠光体,所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成,这种混合物叫低温莱氏体,用符号Ld ′来表示,其显微组织如图3-6所示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似,硬度(>700 HBW)很高,塑性很差。

图3-6 莱氏体的显微组织

上述五种基本组织中,铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织,称为铁碳合金的基本相;珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。

第二节 铁碳合金相图

铁碳合金相图是表示在平衡(缓慢冷却或缓慢加热)条件下,不同成分的铁碳合金的组织或状态随温度变化的图形。它是研究铁碳合金成分、组织和性能变化规律的基本工具,是合理选用钢铁材料、制定热加工工艺(热处理、锻造、铸造)的依据。

一、铁碳合金相图的组成

在生产中,由于碳的质量分数超过6.69%的铁碳合金脆性很大,没有实用价值,所以,对铁碳合金相图一般只研究Fe-Fe3 C部分。为便于研究分析,可将相图上对常温组织和性能影响很小且实用意义不大的左上角很小部分以及左下角左边部分予以省略,只研究含碳量小于6.69%的铁碳合金。简化后的铁碳合金相图如图3-7所示。

图3-7 经简化后的Fe-Fe3 C合金相图

图3-7中纵坐标表示温度,横坐标表示含碳量的质量百分数,左端原点表示纯铁(即含碳量为0%),右端点为Fe3 C(含碳量为6.69%)。横坐标上,任意一个固定成分均代表一种铁碳合金。图3-7中的点都有一定的物理意义,图中的线是由各铁碳合金的临界点(金属结构发生转变的温度称为临界点)连接而成。这些点和线把相图分割成多个区域,它们表示了平衡条件下铁碳合金在对应的成分和温度下所具有的相(合金中成分、结构、性能相同的组成部分称为相)或组织状态,分别用不同的符号表示。由于含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性很大,在生产中没有使用价值,故我们只研究含碳量小于6.69%的铁碳合金。铁碳合金相图也可认为是Fe-Fe3 C相图。

1.符号的含义及各组织的性能特点

在Fe-Fe3 C相图中,各符号代表的组织名称及其性能特点见表3-1。

表3-1 铁碳合金的组织名称、符号及性能特点

符号 组织名称 性能特点

F 铁素体 铁素体具有良好的塑性和韧性,而强度和硬度较低

A 奥氏体 奥氏体的强度和硬度不高,但具有良好的塑性

Fe3 C 渗碳体 渗碳体硬度很高,塑性很差,是一个硬而脆的组织

P 珠光体 珠光体的强度较高,硬度适中,具有一定的塑性

Ld (Ld ′) 莱氏体 莱氏体的力学性能和渗碳体相似

2.Fe-Fe3 C相图中主要特性点的含义

Fe-Fe3 C相图中主要特性点的温度、含碳量及其物理含义见表3-2。

表3-2 相图中六个主要特性点

3.Fe-Fe3 C相图中主要特性线的含义

Fe-Fe3 C相图的特性线及其含义归纳于表3-3。

表3-3 Fe-Fe3 C相图中特性线及含义

特性线 含义

ACD 液相线。合金在此线温度以上时,全部为液相,含碳量小于4.3%的合金冷却到AC 线温度时,开始结晶出奥氏体;含碳量大于4.3%的合金冷却到CD 线温度时,开始结晶出渗碳体,称为一次渗碳体,用符号Fe3 CⅠ 表示

AECF 固相线。合金冷却至此线以下时,结晶终了,处于固体状态

GS 常称A 3 线。冷却时,奥氏体转变为铁素体的开始线

ES 常称A cm 线。碳在奥氏体中的溶解度线。随温度的降低,碳在奥氏体中的溶碳量由1148℃时的2.11%逐渐减少到727℃时的0.77%。多余的碳以渗碳体的形式析出,称为二次渗碳体,用符号Fe3 CⅡ 表示

ECF 共晶线。当金属液冷却到此线(1148℃)时,将发生共晶转变,从金属液中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物,即莱氏体,其转变式为L4.3%C →(A+Fe3 C)。

一定成分的液态合金,在某一恒温下,同时结晶出两种固相的转变,称为共晶转变

PSK 共析线,常称A 1 线。AS →(F﹢Fe3 C)。当奥氏体冷却到此线(727℃)时将发生共析转变,从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物,即珠光体。其转变式为A0.77%C →(F+Fe3 C)。一定成分的固溶体,在某一恒温下,同时析出两种晶体的转变,称为共析转变

二、铁碳合金的分类

由铁碳合金相图可知,不同成分的铁碳合金在室温下具有不同的组织。根据含碳量和室温平衡组织,铁碳合金的分类见表3-4。

表3-4 铁碳合金的分类和室温平衡组织

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程

根据Fe-Fe3 C相图,可以分析任意成分的铁碳合金组织在平衡条件下随温度变化的规律以及它们在室温下的平衡组织,从而可以判断其力学性能。由于白口铸铁的组织中存在大量的渗碳体和莱氏体,性能硬而脆,难以进行切削加工,在机械制造中极少直接用来制造零件。因此,只对钢的平衡结晶过程进行分析。

1.共析钢

根据Fe-Fe3 C相图,含碳量为0.77%的共析钢从液态冷却到和AC 线(液相线)相交的温度时,开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的降低,奥氏体不断增加,而剩余液相逐渐减少,当冷却到和AE 线(固相线)相交的温度时,结晶终了,此时合金全部转变为单相奥氏体组织并继续保持。然后继续冷却到S 点(727℃)时,奥氏体发生共析转变:A0.77%C →(F﹢Fe3 C),从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物,即珠光体。温度再继续下降,组织不再发生变化,室温下平衡组织为珠光体。共析钢结晶组织转变过程如图3-8所示。

图3-8 共析钢结晶过程组织转变示意图

2.亚共析钢

根据Fe-Fe3 C相图,含碳量小于0.77%的亚共析钢从液态到结晶终了的结晶过程与共析钢相同,合金全部转变为单相奥氏体。当亚共析钢继续冷却到与GS 线相交的温度时,从奥氏体中开始析出铁素体,获得铁素体和奥氏体组织。由于铁素体只能溶解很少的碳,所以合金中大部分的碳留在了奥氏体中,使剩余奥氏体的溶碳量有所增加。随着温度的不断下降,析出的铁素体逐渐增多,剩余的奥氏体量逐渐减少,而奥氏体的溶碳量沿GS 线逐渐增加。当温度下降到与PSK 线相交的温度(727℃)时,奥氏体的溶碳量达到0.77%,此时剩余的奥氏体发生共析转变,转变成珠光体。再继续冷却至室温,合金的组织不再发生变化。亚共析钢结晶组织转变过程如图3-9所示。

图3-9 亚共析钢结晶过程组织转变示意图

亚共析钢的室温平衡组织由珠光体和铁素体组成。当亚共析钢中的含碳量增加时,钢中的珠光体数量增多。图3-10所示为含碳量分别为0.15%、0.45%和0.65%的亚共析钢的显微组织(图3-10中黑色为层片状的珠光体,浅色的为铁素体)。

图3-10 亚共析钢的显微组织

(a)含碳量为0.15%;(b)含碳量为0.45%;(c)含碳量为0.65%

3.过共析钢

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图3-11 含碳量为1.2%过共析钢的显微组织

当含碳量大于0.77%的过共析钢冷却到与AE 线相交的结晶终了温度时,获得单相奥氏体组织。继续冷却到与ES 线相交的温度时,由于温度的降低,碳在奥氏体中的溶解度降低,过剩的碳以渗碳体(这种从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体)的形式从奥氏体中沿晶界析出,随着温度的下降,析出的Fe3 CⅡ 不断增多,并沿晶界呈网状分布,奥氏体中的溶碳量逐渐下降,当温度降低到727℃时,剩余奥氏体的溶碳量正好为0.77%,于是发生共析转变而形成珠光体。温度再继续下降,合金的组织基本不变,最终获得珠光体和二次渗碳体组织。图3-11所示为过共析钢的显微组织(图3-11中黑色为层片状的珠光体,白色为网状的二次渗碳体)。过共析钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体,但随着含碳量的增加,钢中的二次渗碳体量也逐渐增多。过共析钢结晶组织转变过程如图3-12所示。

图3-12 过共析钢结晶过程组织转变示意图

4.含碳量对钢组织和性能的影响

由以上对钢的结晶过程分析可知,不同类型的钢其室温组织是不同的,并且在同一类的钢中,随着含碳量的增加,其组织之间的相对量也随之发生变化,因而造成钢组织和性能的差异。如图3-13所示,随着含碳量的增加,在亚共析钢中,铁素体的量逐渐减少,珠光体数量逐渐增多;到共析钢时,其组织全部是珠光体;对含碳量超过0.77%的过共析钢,则珠光体数量逐渐减少,而渗碳体量逐渐增多。

图3-13 含碳量对钢组织的影响

由于钢的组织随含碳量而变化,这必然引起钢性能的变化。钢的力学性能与其含碳量的关系如图3-14所示。从图3-14中的曲线可总结出钢性能随含碳量的变化规律:当钢的含碳量小于0.9%时,钢中含碳量越高,钢的强度、硬度越高,而塑性和韧性越低;当钢的含碳量超过0.9%时,由于网状二次渗碳体的存在,随着含碳量的增加,除钢的硬度继续升高外,塑性、韧性进一步降低,强度也明显降低。为了保证钢具有足够的强度,并具有一定的塑性和韧性,钢中的含碳量一般不超过1.4%。

图3-14 钢的力学性能与钢含碳量的关系

四、Fe-Fe3 C相图的应用

Fe-Fe3 C相图在生产上有许多应用,其中主要应用在钢铁材料的选用和热加工工艺的制定这两个方面。

1.作为选用钢铁材料的依据

铁碳合金相图总结了铁碳合金的成分、组织的变化规律,由组织可以判断出钢的力学性能,为钢材的选用提供了基本的依据。例如工程构件和各种型钢,需要具备良好的塑性和韧性,应选择以铁素体组织为主的低碳钢(含碳量一般在0.10%~0.25%);一般轴类、齿轮等受力大的零件,需要有良好的综合力学性能(即强度、硬度、塑性和韧性均较好),则应选用铁素体和珠光体组织搭配适中的中碳钢(含碳量0.25%~0.55%);各种工具及某些受磨损的零件,需要有高的硬度和耐磨性,则应选用有一定数量渗碳体组织的高碳钢。

2.制定铸、锻、焊和热处理等热加工工艺的依据

铁碳合金相图总结了铁碳合金的组织随温度变化的规律,为制定热加工工艺提供了依据。

(1)在铸造生产上的应用

根据铁碳合金相图可以找出不同成分铁碳合金的熔点,从而确定合适的熔化、浇注温度,如图3-15所示。此外,根据铁碳合金相图还可以看出,靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低,而且凝固温度区间也较小,故具有良好的铸造性能,所以在生产上铸铁的成分总是选择在接近共晶的成分。又例如铸钢的成分一般为含碳量0.15%~0.6%,这是因为在这个成分范围内,钢的结晶温度区间较小,铸造性能较好。

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图3-15 Fe-Fe3 C相图与铸、锻工艺的关系

(2)在锻造工艺上的应用

由Fe-Fe3 C相图可知,钢在高温时可获得单相奥氏体组织,它的强度低、塑性好,便于塑性变形加工。因此,钢材的轧制或锻造,多选择在奥氏体单相区中的适当温度范围内进行,其选择原则是开始轧制或锻造的温度不得过高,以免钢材氧化严重,而终止轧制或锻造的温度又不能过低,以免钢材塑性变差,导致裂纹产生。各种碳素钢合适的轧制或锻造温度范围,如图3-15所示。

(3)焊接方面的应用

焊接时从焊缝到基体金属各位置上的加热温度是不相同的。由铁碳合金相图可知,铁碳合金在不同的加热温度下会获得不同的组织,因此在随后的冷却中,从焊缝到基体金属的各位置会出现不同的组织和性能。由此可见,根据铁碳合金相图可分析焊缝及其热影响区组织变化的部分原因,使Fe-Fe3 C相图为改进焊接方法或焊后热处理提供了部分理论依据。例如,由铁碳相图分析可知,钢的含碳量越高、焊接性能越差。

(4)在热处理工艺上的应用

铁碳合金在进行热处理时,更是离不开Fe-Fe3 C相图。对不同材料的工件所采取的退火、正火、淬火等各种热处理工艺的加热温度,都要参考Fe-Fe3 C相图进行确定。


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