材料科学基础－第四章-铁碳合金与铁碳相图.ppt

1、 主要内容：主要内容：l 铁碳合金的基本相l 铁碳合金相图分析l 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织l 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响l 钢中的杂质元素及钢锭组织 铁碳合金铁碳合金（Iron-carbon Alloy）以铁和碳为基本组元的合金。以铁和碳为基本组元的合金。l铁碳合金类别铁碳合金类别l碳在铁碳合金中的存在形式碳在铁碳合金中的存在形式C C溶入溶入FeFe的晶格间隙中形成间隙固溶体（铁素体、奥氏体）。的晶格间隙中形成间隙固溶体（铁素体、奥氏体）。C C与与FeFe作用形成化合物（作用形成化合物（FeFe3 3C C）。）。C C以游离态（石墨）存在。以游离态（石墨）存在。后两种是后

2、两种是C C在铁碳合金中的主要存在形式。在铁碳合金中的主要存在形式。通常情况下，通常情况下，C C以以FeFe3 3C C形式存在，铁碳合金的基本组成相就是形式存在，铁碳合金的基本组成相就是FeFe和和FeFe3 3C C。本节讨论的铁碳相图是本节讨论的铁碳相图是Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。碳钢碳钢（Carbon Steel）（wC%2.11%）铸铁铸铁（Cast Iron）（wC%2.11%）铁碳合金铁碳合金第四章 铁碳合金与铁碳相图第一节铁碳合金的基本相第一节铁碳合金的基本相一、铁素体一、铁素体（Ferrite） 定义：定义：碳溶解在体心立方晶格的碳溶解在体心立方晶格的 -

3、Fe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。 铁素体最大溶碳量（铁素体最大溶碳量（727727 C C时时）为）为0.0218%0.0218%，室温溶碳量为，室温溶碳量为 0.008%0.008%。 碳溶解在体心立方晶格的碳溶解在体心立方晶格的 -Fe-Fe中形成的间隙固溶体，称为中形成的间隙固溶体，称为 铁铁 素体或高温铁素体。素体或高温铁素体。 符号：符号： 或或 F F。 性能：性能：与纯铁基本相同，强度和硬度低，塑性和韧性高。与纯铁基本相同，强度和硬度低，塑性和韧性高。 HBHB50508080， 303050%50%。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.1 4.1 铁碳合金的基本相铁碳合金

4、的基本相二、奥氏体二、奥氏体（Austenite）定义：定义：碳溶解在面心立方晶格的碳溶解在面心立方晶格的 -FeFe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。 奥氏体最大溶碳量（奥氏体最大溶碳量（11481148 C C时时）为）为2.11%2.11%，727727 C C时时溶碳量为溶碳量为 0.77%0.77%。符号：符号： 或或 A A。性能：性能：强度和硬度较低，塑性和韧性高。强度和硬度较低，塑性和韧性高。 HBHB170170220220， 303050%50%。 相比铁素体，奥氏体可溶入更多的碳，强度和硬度更高。相比铁素体，奥氏体可溶入更多的碳，强度和硬度更高。三、渗碳体三、渗碳体

5、（Cementite）定义：定义：碳和铁相互作用形成的间隙化合物。碳和铁相互作用形成的间隙化合物。符号：符号：C Cm m 或或 FeFe3 3C C。性能：性能：熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。 HBHB800800， 0% 0%。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.1 4.1 铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相第二节铁碳合金相图分析第二节铁碳合金相图分析一、一、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的特性点相图中的特性点 符号符号温度温度 / / C CwC / / % %说说明明A A153815380 0纯铁的熔点纯铁的熔点B B149514950.

6、530.53包晶转变时液态合金的成分（包晶转变时液态合金的成分（wC % %）C C114811484.34.3共晶点共晶点D D122712276.696.69渗碳体的熔点渗碳体的熔点E E114811482.112.11碳在碳在 - - FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度F F114811486.696.69渗碳体的成分渗碳体的成分G G9129120 0 - - FeFe - - FeFe的转变温度（的转变温度（A A3 3）H H149514950.090.09碳在碳在 FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度J J149514950.170.17包晶点包晶点K K7277276.696

7、.69渗碳体的成分渗碳体的成分N N139413940 0 - - FeFe - - FeFe的转变温度（的转变温度（A A4 4）P P7277270.02180.0218碳在碳在 - - FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度S S7277270.770.77共析点（共析点（A A1 1）Q Q室温室温0.00080.0008室温时碳在室温时碳在 - - FeFe中的溶解度中的溶解度第四章 铁碳合金与铁碳相图4.2 4.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析LL+ L+Fe3C +Fe3C +Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2

8、.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C Fe-Fe3C相图相图第四章 铁碳合金与铁碳相图4.2 4.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析二、二、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的特性线相图中的特性线1.1.液、固相线液、固相线液相线：液相线：ABCDABCD；固相线：；固相线：AHJECFAHJECF2.2.三条水平线三条水平线HJBHJB线：包晶线（线：包晶线（14951495 C C） 包晶反应：包晶反应：ECFECF线：共晶线（线：共晶线（11481148 C C） 共晶反应：共晶反应：PSKPSK线：共析线（线：共析线（

9、727727 C C），又标记为），又标记为A A1 1线线 共析反应：共析反应：莱氏体莱氏体（Ledeburite），符号：，符号：L Ld d珠光体珠光体（Pearlite），符号：，符号：P PL L4.34.3 2.112.11 FeFe3 3C C11481148 C C 0.770.77 0.02180.0218 FeFe3 3C C727727 C CL L0.530.53 0.090.09 0.170.1714951495 C C第四章 铁碳合金与铁碳相图4.2 4.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析3.3.三条固态转变线三条固态转变线GSGS线：线：冷却时冷却时奥氏体转变为

10、铁素体的临界温度线，或加热时铁素体奥氏体转变为铁素体的临界温度线，或加热时铁素体全部转变为奥氏体的终了温度线，又标记为全部转变为奥氏体的终了温度线，又标记为A A3 3线线。ESES线：线：碳在奥氏体（碳在奥氏体（ ）中的固溶度曲线，）中的固溶度曲线，又标记为又标记为A Acmcm线线。PQPQ线：线：碳在铁素体（碳在铁素体（ ）中的固溶度曲线。）中的固溶度曲线。三、三、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的相区相图中的相区5 5个单相区：个单相区： L L、 、 、 、FeFe3 3C C；7 7个两相区：个两相区：L L 、L L 、 、L LFeFe3 3C C、 、 FeFe3 3C

11、 C、 FeFe3 3C C；3 3三相区：三相区：L L 、L L FeFe3 3C C、 FeFe3 3C C，即三条水平线。即三条水平线。 F Fe e3 3C C F Fe e3 3C C第四章 铁碳合金与铁碳相图4.2 4.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析四、五种形态不同的渗碳体四、五种形态不同的渗碳体l一次渗碳体一次渗碳体（F Fe e3 3C C）在在11481148 C C以上从液相中析出的渗碳体，呈粗大片条状。以上从液相中析出的渗碳体，呈粗大片条状。l共晶渗碳体共晶渗碳体在在11481148 C C通过通过共晶反应生成的渗碳体，为连续的合金基体。共晶反应生成的渗碳体，为连

12、续的合金基体。l二次渗碳体二次渗碳体（F Fe e3 3C C）在在727727 C C11481148 C C从奥氏体中析出的渗碳体，呈网状。从奥氏体中析出的渗碳体，呈网状。l共析渗碳体共析渗碳体在在727727 C C通过通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。共析反应生成的渗碳体，呈层片状。l三次渗碳体三次渗碳体（F Fe e3 3C C）在在727727 C C以下以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。特别说明：特别说明：5 5种种F Fe e3 3C C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，

13、都是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.2 4.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析LL+ L+Fe3C +Fe3C +Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C 第三节铁碳合金的平衡结晶过程及其组织第三节铁碳合金的平衡结晶过程及其组织亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（wC% %4.3%

14、4.3%6.69 % %）工业纯铁（工业纯铁（wC% %0.0218%0.0218%）共析钢（共析钢（wC% %0.77%0.77%）亚共析钢铁（亚共析钢铁（wC% %0.0218%0.0218%0.77%0.77%）过共析钢（过共析钢（wC% %0.77%0.77%2.11%2.11%）共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（wC% %4.3%4.3%）第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织一、合金一、合金：工业纯铁：工业纯铁（Commercially Pure Iron） （wC% %0.0218%0.0218%）12工业纯铁结晶过程示意图工

15、业纯铁结晶过程示意图34567第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织工业纯铁（工业纯铁（wC 0.0218%）的室温组织）的室温组织FFe3CFFe3C第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织二、合金二、合金：共析钢：共析钢（Eutectoid Steel） （wC% %0.77%0.77%）1234共析钢结晶过程示意图共析钢结晶过程示意图3423第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织共析钢（共析钢（wC= 0.77%

16、）的室温组织）的室温组织PFFe3CP第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织FFe3CP共析钢（共析钢（wC= 0.77%）的室温组织）的室温组织P第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织三、合金三、合金：亚共析钢：亚共析钢（Hypoeutectoid Steel） （wC% %0.0218%0.0218%0.77%0.77%）1234亚共析钢结晶过程示意图亚共析钢结晶过程示意图5456634第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶

17、过程及其组织亚共析钢（亚共析钢（wC= 0.0218% 0.77%）的室温组织）的室温组织FPFP第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织亚共析钢（亚共析钢（wC= 0.0218% 0.77%）的室温组织）的室温组织FPFP第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织亚共析钢的室温组织亚共析钢的室温组织wC% %0.2%0.2%的亚共析钢的亚共析钢wC% %0.4%0.4%的亚共析钢的亚共析钢wC% %0.6%0.6%的亚共析钢的亚共析钢含碳量对亚共析钢室温组织的影响：含碳量对亚共析

18、钢室温组织的影响：第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织过共析钢结晶过程示意图过共析钢结晶过程示意图四、合金四、合金：过共析钢：过共析钢（Hypereutectoid Steel） （wC% %0.77%0.77%2.11%2.11%）1234545233第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织过共析钢（过共析钢（wC= 0.77 2.11%）的室温组织）的室温组织P Fe3CFe3CP第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及

19、其组织过共析钢（过共析钢（wC= 0.77 2.11%）的室温组织）的室温组织P Fe3CFe3CP第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织五、合金五、合金：共晶白口铸铁：共晶白口铸铁（Eutectic White Cast Iron） （wC% %4.34.3）123共晶白口铸铁结晶过程示意图共晶白口铸铁结晶过程示意图1223dLd这里的这里的L Ld d是由是由 和和FeFe3 3C C组成的机械混合物组成的机械混合物保留了高温下保留了高温下L Ld d的形态特征但已的形态特征但已发生组织转变的机械混合物，由发生组织转变的机械混合物

20、，由P P 和和FeFe3 3C C组成，称为组成，称为变态莱氏体变态莱氏体或或低温莱氏体，低温莱氏体，记为记为L Ld d第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（wC= 4.3%）的室温组织）的室温组织Ld Fe3CPLd第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织六、合金六、合金：亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁（Hypoeutectic White Cast Iron） （wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）1234过共晶白口铸铁结晶过程示

21、意图过共晶白口铸铁结晶过程示意图第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% 4.3%）的室温组织）的室温组织P Fe3CII Ld Fe3CPLd第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织七、合金七、合金：过共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁（Hypereutectic White Cast Iron） （wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）1234过共晶白口铸铁的结晶过程过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁类似，只是与亚共

22、晶白口铸铁类似，只是先共晶相为一次渗碳体。先共晶相为一次渗碳体。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（wC= 4.3% 6.69%）的室温组织）的室温组织Fe3C Ld 第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织Fe3CLd 铁碳合金平衡结晶后的室温组织：铁碳合金平衡结晶后的室温组织： 合金合金（工业纯铁）（工业纯铁）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织： Fe3C 合金合金（共析钢）（共析钢）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织：P

23、合金合金（亚共析钢）（亚共析钢）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织： P 合金合金（过共析钢）（过共析钢）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织： P Fe3C 合金合金（共晶白口铸铁）（共晶白口铸铁）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织： Ld 合金合金（亚共晶白口铸铁）（亚共晶白口铸铁）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织： P Fe3CII Ld 合金合金（过共晶白口铸铁）（过共晶白口铸铁）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织： Fe3C Ld 铁碳合金室温下的相组成物：铁碳合金室温下的相组成物： 、Fe3C 铁碳合金室温下的组织组成物：铁碳合金室温下的组织

24、组成物： 、P 、Ld 、Fe3C、Fe3C、Fe3C第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织按相组成物标注的按相组成物标注的Fe-Fe3C相图相图LL+ L+Fe3C +Fe3C +Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C 第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织按组织组成物标注的按组织组成物标注的Fe-Fe3C相图相图

25、LL+ L+Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C Fe3C +P + Fe3C PP+ Fe3C P+ Fe3C+LdLd + Fe3C+LdFe3C+LdFe3C+LdLd第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织例例1 1分别计算含量碳为分别计算含量碳为0.3%0.3%和和1.0%1.0%的铁碳合金在室温下的相的铁碳合金在室温下的相组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁

26、素体和渗碳体组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁素体和渗碳体的密度相同，铁素体中的含碳量为零。的密度相同，铁素体中的含碳量为零。解：解：含量碳为含量碳为0.3%0.3%的铁碳合金在室温下的相组成物为的铁碳合金在室温下的相组成物为FFe3C。根据根据Fe-Fe3C相图相图和杠杆定律：和杠杆定律：第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织含量碳为含量碳为0.3%0.3%的铁碳合金在室温下的组的铁碳合金在室温下的组织组成物为织组成物为FP。0.3wC（%）SPGQ 温度温度Fe3C0.776.69%5 .95%100069. 63 . 0

27、69. 6FQ%5 . 4%100069. 603 . 0CFe3Q%61%100077. 03 . 077. 0FQ%39%100077. 003 . 0PQ 含量碳为含量碳为1.0%1.0%的铁碳合金在室温下的相组成物为的铁碳合金在室温下的相组成物为FFe3C。根据根据Fe-Fe3C相图相图和杠杆定律：和杠杆定律：第四章 铁碳合金与铁碳相图4.34.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织含量碳为含量碳为1.0%1.0%的铁碳合金在室温下的组的铁碳合金在室温下的组织组成物为织组成物为Fe3CIIP。1.0wC（%）SPGQ 温度温度Fe3C0.776.69%1 .85

28、%100069. 60 . 169. 6FQ%9 .14%100069. 600 . 1CFe3Q%1 .96%10077. 069. 60 . 169. 6PQ%9 . 3%10077. 069. 677. 00 . 1II3CFeQ亚共析钢含碳量的近似估算法：亚共析钢含碳量的近似估算法：wC P0.8%式中，式中，P P为亚共析钢中珠光体的相对含量，可用在显微镜下观察到的珠光为亚共析钢中珠光体的相对含量，可用在显微镜下观察到的珠光体所占的面积分数表示。体所占的面积分数表示。第四节含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响第四节含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响1.1.含碳量对铁碳合金平衡组织的

29、影响含碳量对铁碳合金平衡组织的影响l 对相组成物的影响对相组成物的影响任何成分的铁碳合金，室温下的平衡组织均由任何成分的铁碳合金，室温下的平衡组织均由 和和FeFe3 3C C两种相组成。两种相组成。随随wC% %升高，升高， 的相对量减少，的相对量减少，FeFe3 3C C的相对量增多。的相对量增多。l 对组织组成物的影响对组织组成物的影响随随wC% %升高，升高，F F的相对量减少，的相对量减少，FeFe3 3C C的相对量增多，其余组织的相对的相对量增多，其余组织的相对量在达到其特性成分点时达到最大值。量在达到其特性成分点时达到最大值。铁碳合金的组织随铁碳合金的组织随wC% %增加变化的

30、顺序：增加变化的顺序：F F F FP P P P P P FeFe3 3C CIIII P P + + FeFe3 3C CIIII + + Ld Ld Ld + + FeFe3 3C CI I第四章 铁碳合金与铁碳相图4.4 4.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响铁碳合金的含碳量与相及组织的关系铁碳合金的含碳量与相及组织的关系第四章 铁碳合金与铁碳相图4.4 4.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响2.2.含碳量对铁碳合金力学性能的影响含碳量对铁碳合金力学性能的影响铁素体（铁素体（F F）：）：软韧相软韧相渗

31、碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）：）：硬脆相硬脆相l 对硬度的影响对硬度的影响 随随wC% %升高，硬度逐渐增大。升高，硬度逐渐增大。l 对强度的影响对强度的影响 随随wC% %升高，强度先增大、升高，强度先增大、 后降低。后降低。l 对塑性和韧性的影响对塑性和韧性的影响 随随wC% %升高，塑性和韧性降低。升高，塑性和韧性降低。含碳量对平衡状态下碳钢含碳量对平衡状态下碳钢力学性能的影响力学性能的影响第四章 铁碳合金与铁碳相图4.4 4.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响3.3.含碳量对铁碳合金工艺性能的影响含碳量对铁碳合金工艺性能的影响l 对切削

32、加工性的影响对切削加工性的影响 中碳钢的切削加工性能最好。中碳钢的切削加工性能最好。l 对可锻性的影响对可锻性的影响 低碳钢比高碳钢的可锻性好，白口铸铁可锻性很差。低碳钢比高碳钢的可锻性好，白口铸铁可锻性很差。l 对铸造性的影响对铸造性的影响 共晶点附近的铸铁铸造性好。共晶点附近的铸铁铸造性好。l 对焊接性的影响对焊接性的影响 低碳钢比高碳钢的焊接性好。低碳钢比高碳钢的焊接性好。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.4 4.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响第五节钢中的杂质元素及钢锭组织第五节钢中的杂质元素及钢锭组织在碳钢中，除在碳钢中，除C C元素外，还含有

33、少量的杂质元素。元素外，还含有少量的杂质元素。杂质元素杂质元素（Impurity）：泛指钢冶炼后残留在钢中的元素。泛指钢冶炼后残留在钢中的元素。一、钢中的杂质元素及其影响一、钢中的杂质元素及其影响1.1.有益元素有益元素l锰锰（MnMn）MnMn作为脱氧剂加入到钢中，具有脱氧和除硫的作用。作为脱氧剂加入到钢中，具有脱氧和除硫的作用。 MnMn溶入铁素体中，通过固溶强化，提高钢的强度和硬度。溶入铁素体中，通过固溶强化，提高钢的强度和硬度。MnMn含量不超过含量不超过0.8%0.8%时，不降低钢的塑性和韧性。时，不降低钢的塑性和韧性。l硅硅（SiSi） SiSi作为脱氧剂加入到钢中，具有脱氧作用。

34、作为脱氧剂加入到钢中，具有脱氧作用。SiSi溶入铁素体中产生强烈的固溶强化，显著提高钢的强度和硬度。溶入铁素体中产生强烈的固溶强化，显著提高钢的强度和硬度。 第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织2.2.有害元素有害元素l硫硫（S S）S S由矿石和燃料带入钢中。由矿石和燃料带入钢中。S S易与易与FeFe在晶界上形成低熔点在晶界上形成低熔点(988(988 C C) )离异共晶离异共晶：( (FeFeFeSFeS) ) ，在，在11501150 C C12501250 C C的的热加工时，由于其熔化而导致开裂，从而引起钢的热加工时，由于其熔

35、化而导致开裂，从而引起钢的“热脆热脆”。防止防止“热脆热脆”的措施：的措施：加入适量加入适量MnMn。S S与与MnMn优先形成在高温下具有一定塑性的优先形成在高温下具有一定塑性的MnSMnS（熔点（熔点16001600 C C），避免），避免了了FeSFeS的形成。的形成。S S能提高钢的切削加工性能。能提高钢的切削加工性能。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织晶界上的低熔点硫化物离异共晶晶界上的低熔点硫化物离异共晶第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织Fe-S相图相图988988 C

36、C发生共晶反应：发生共晶反应：L L FeFe FeSFeS988988 C Cl 磷磷（P P）P P由矿石和生铁等原料带由矿石和生铁等原料带入钢中。入钢中。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织Fe-P相图相图P P能全部溶入铁素体中，能全部溶入铁素体中，具有强烈的固溶强化作用，具有强烈的固溶强化作用，显著提高钢在常温下的硬度，显著提高钢在常温下的硬度，使钢的塑性、韧性，尤其是使钢的塑性、韧性，尤其是低温韧性急剧下降，从而引低温韧性急剧下降，从而引起钢的起钢的“冷脆冷脆”。P P能提高钢的切削加工性能提高钢的切削加工性能。能。第四章 铁碳

37、合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织3.3.气体元素气体元素l 氮氮（N N）过量过量N N会使钢的塑性、韧性显著降低，产生会使钢的塑性、韧性显著降低，产生“时效脆化时效脆化”。时效脆化的表现：时效脆化的表现：淬火时效：淬火时效：含含N N过饱和铁素体会随时间延长而析出氮化物，使钢的强过饱和铁素体会随时间延长而析出氮化物，使钢的强度和硬度上升、塑性和韧性下降，使钢变脆。度和硬度上升、塑性和韧性下降，使钢变脆。应变时效：应变时效：含含N N钢经冷塑性变形后，随时间延长，强度和硬度升高，钢经冷塑性变形后，随时间延长，强度和硬度升高，塑性和韧性明显降低，使钢

38、变脆。塑性和韧性明显降低，使钢变脆。防止因氮产生的防止因氮产生的“时效脆化时效脆化”的措施：的措施：加入足量的铝。加入足量的铝。AlAl与与NN结合形成结合形成AlNAlN，可以减弱甚至消除，可以减弱甚至消除“时效脆化时效脆化”。一般认为一般认为N N是有害元素，但是有害元素，但N N有时也可以作为合金元素改善钢的性能。有时也可以作为合金元素改善钢的性能。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织l氢氢（H H）H H由锈蚀含水的炉料或从含水蒸气的炉气中吸入到钢中；或在含氢气氛中由锈蚀含水的炉料或从含水蒸气的炉气中吸入到钢中；或在含氢气氛中加热钢

39、、酸洗、电镀等，加热钢、酸洗、电镀等，H H通过扩散进入钢中。通过扩散进入钢中。H H是有害元素，引起钢的是有害元素，引起钢的“氢脆氢脆”。氢脆：氢脆：在低于钢的强度极限的应力作用下，经一定时间后，钢发生突然的断裂。在低于钢的强度极限的应力作用下，经一定时间后，钢发生突然的断裂。H H导致在钢的内部产生微裂纹，即导致在钢的内部产生微裂纹，即“白点白点”，使钢的塑性显著下降。，使钢的塑性显著下降。钢中的白点钢中的白点横向低倍横向低倍纵向断口纵向断口第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织l氧氧（O O）O O是有害元素，易形成是有害元素，易形成非

40、金属夹杂物，非金属夹杂物，破坏了钢的基体的连续性，对钢破坏了钢的基体的连续性，对钢的塑性、韧性、疲劳强度和耐腐蚀性能等危害很大。的塑性、韧性、疲劳强度和耐腐蚀性能等危害很大。控制氧及非金属夹杂物的措施：控制氧及非金属夹杂物的措施：炼钢生产中，采用真空技术、渣洗技术、惰性气体净化、电渣重熔等炉炼钢生产中，采用真空技术、渣洗技术、惰性气体净化、电渣重熔等炉外精炼手段，可以有效减少钢中气体和非金属夹杂物。外精炼手段，可以有效减少钢中气体和非金属夹杂物。钢中的氧化物夹杂钢中的氧化物夹杂二、钢锭的宏观组织及其缺陷二、钢锭的宏观组织及其缺陷1.1.镇静钢镇静钢（Killed Steels） 经充分脱氧（氧

41、含量不超过经充分脱氧（氧含量不超过0.01%0.01%），），以致钢液在凝固时不析出一氧化碳，成分以致钢液在凝固时不析出一氧化碳，成分和组织较致密的钢，称为镇静钢。和组织较致密的钢，称为镇静钢。 镇静钢锭的宏观组织镇静钢锭的宏观组织l三晶区：三晶区：表层细晶区、柱状晶区、中心等表层细晶区、柱状晶区、中心等 轴晶区。轴晶区。l下部锥体：下部锥体：致密的等轴细晶粒沉积锥体。致密的等轴细晶粒沉积锥体。下部锥体是中心等轴晶粒在凝固过程中下部锥体是中心等轴晶粒在凝固过程中 下沉至钢锭底部而形成的。下沉至钢锭底部而形成的。l缺陷：缺陷：缩孔、缩松、偏析、气泡。缩孔、缩松、偏析、气泡。第四章 铁碳合金与铁碳

42、相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织下部锥体下部锥体中心等轴晶区中心等轴晶区柱状晶区柱状晶区表层细晶区表层细晶区缩松缩松气泡气泡缩孔缩孔镇静钢锭的宏观组织镇静钢锭的宏观组织 镇静钢锭的缺陷镇静钢锭的缺陷l缩孔及缩孔残余：缩孔及缩孔残余：缩孔处，偏析、夹杂物、缩松密集。缩孔处，偏析、夹杂物、缩松密集。缩孔残余是切除缩孔后的残余部分。缩孔残余是切除缩孔后的残余部分。缩孔残余会引起热加工时在钢锭内部产生严缩孔残余会引起热加工时在钢锭内部产生严重的裂纹。重的裂纹。l缩松（疏松）缩松（疏松） ：缩松多出现在钢锭的上部和中部。缩松多出现在钢锭的上部和中部。缩松有中心缩松和一

43、般缩松两种。缩松有中心缩松和一般缩松两种。缩松使钢的致密性降低，导致钢的塑性和韧缩松使钢的致密性降低，导致钢的塑性和韧性下降。性下降。缩松可用压力加工加以改善。缩松可用压力加工加以改善。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织中心缩松中心缩松一般缩松一般缩松l偏析：偏析：偏析有枝晶偏析和区域偏析两类。偏析有枝晶偏析和区域偏析两类。区域偏析包括方框形偏析和点状偏析。区域偏析包括方框形偏析和点状偏析。方框形偏析：方框形偏析：处在柱状晶与等轴晶交界的地方，为腐蚀较处在柱状晶与等轴晶交界的地方，为腐蚀较深的一层方框区域。深的一层方框区域。方框形偏析集聚

44、了较多的杂质。方框形偏析集聚了较多的杂质。方框形偏析会恶化钢的力学性能，产生热脆方框形偏析会恶化钢的力学性能，产生热脆性和冷脆性，降低塑性。性和冷脆性，降低塑性。点状偏析：点状偏析：呈分散的、形状和大小不同并略为凹陷的暗呈分散的、形状和大小不同并略为凹陷的暗黑色斑点。黑色斑点。点状偏析集聚了较多的杂质及夹杂物。点状偏析集聚了较多的杂质及夹杂物。点状偏析容易在斑点处产生应力集中，从而点状偏析容易在斑点处产生应力集中，从而引起早期疲劳断裂。引起早期疲劳断裂。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织方框形偏析方框形偏析点状偏析点状偏析镇静钢锭的区域偏

45、析特征：镇静钢锭的区域偏析特征：三个偏析带：三个偏析带：钢锭上部的钢锭上部的型偏析；型偏析；钢锭上中部的钢锭上中部的V型偏析；型偏析；钢锭下部的锥体偏析。钢锭下部的锥体偏析。方框形偏析和点状偏析与方框形偏析和点状偏析与型偏析相对型偏析相对应，为正偏析。应，为正偏析。锥体偏析为负偏析，杂质含量较低，但锥体偏析为负偏析，杂质含量较低，但非金属夹杂物含量较高。非金属夹杂物含量较高。l气泡：气泡：有皮下气泡和内部气泡两种。有皮下气泡和内部气泡两种。皮下气泡在热加工时不能焊合，须予以皮下气泡在热加工时不能焊合，须予以清除。内部气泡可在热加工时焊合。清除。内部气泡可在热加工时焊合。第四章 铁碳合金与铁碳相

46、图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织镇静钢锭的区域偏析特征镇静钢锭的区域偏析特征“”：正偏析；：正偏析；“”：负偏析：负偏析2.2.沸腾钢沸腾钢（Rimming Steels） 脱氧不完全，以致钢液中的氧与碳发生化脱氧不完全，以致钢液中的氧与碳发生化学反应而析出大量一氧化碳，引起浇注时钢学反应而析出大量一氧化碳，引起浇注时钢液沸腾的钢，称为沸腾钢。液沸腾的钢，称为沸腾钢。 沸腾钢锭的宏观组织沸腾钢锭的宏观组织由表层至锭心依次为：坚壳带、蜂窝气泡由表层至锭心依次为：坚壳带、蜂窝气泡带、中心坚固带、二次气泡带、锭心带。带、中心坚固带、二次气泡带、锭心带。沸腾钢锭的偏析

47、与钢的性能沸腾钢锭的偏析与钢的性能沸腾钢的偏析大，从表层到锭心偏析程度沸腾钢的偏析大，从表层到锭心偏析程度逐渐增加，坚壳带和蜂窝气泡带从上到下全逐渐增加，坚壳带和蜂窝气泡带从上到下全为负偏析；锭心下部也为负偏析；锭心上部为负偏析；锭心下部也为负偏析；锭心上部为正偏析。为正偏析。沸腾钢组织不致密，力学性能不均匀，冲沸腾钢组织不致密，力学性能不均匀，冲击韧性低，主要用于性能要求不高的工件。击韧性低，主要用于性能要求不高的工件。第四章 铁碳合金与铁碳相图4.5 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织二次气泡带二次气泡带中心坚固带中心坚固带锭心带锭心带蜂窝气泡带蜂窝气泡带坚壳带坚壳带头部大气泡头部大气泡沸腾钢锭的宏观组织沸腾钢锭的宏观组织