含碳量对组织和性能的影响

2021/5/912021/5/924.4

含碳量对铁碳合金组组织和性能的影响2021/5/93含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系2021/5/94含碳量对碳钢机械性能的影响在C%<1%时，随含碳量的增加钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性降低；当C%>1%后，随含碳量的增加，钢的硬度增加，但强度、塑性、韧性降低这是因为Fe3CⅡ成连续网状分布，进一步破坏了铁素体基体之间的连接作用所造成。2021/5/95碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被称为钢铁材料的五大元素。C，Si，Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；P和S则是有害元素，称为杂质元素。

N、H、O等元素的影响。4.5

钢中的杂质元素及钢锭组织（1）合金元素与杂质元素2021/5/96锰在钢中的存在也属于有益元素，它与氧有较强的亲合力，具有较好的脱氧能力，在炼钢时作为脱氧剂加入。另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成MnS，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影响。钢中的含锰量一般为0.25~0.80%，它一部分溶入铁素体起到固溶强化作用，提高铁素体的强度，锰还可溶入渗碳体形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C，使钢具有较高的强度；另一部分锰与硫形成MnS，与氧形成MnO，这些非金属夹杂物大部分进入炉渣。（1）锰的影响2021/5/97硅在钢中的存在属于有益元素，由于它与氧有很大的亲合力，具有很好地脱氧能力。在炼钢时作为脱氧剂加入，Si+2FeO=2Fe+SiO2，硅与氧化铁反应生成二氧化硅（SiO2）非金属夹杂物，一般大部分进入炉渣，消除了FeO的有害作用。但如果它以夹杂物形式存在于钢中，将影响钢的性能。碳钢中的含硅量一般Si%≤0.4%，它大部分溶入铁素体，起固溶强化作用，提高铁素体的强度，而使钢具有较高的强度。（2）硅的影响2021/5/98（3）硫的影响2021/5/99硫在钢中是有害的杂质。液态时Fe、S能够互溶，固态时Fe几乎不溶解硫，而与硫形成熔点为1190℃的化合物FeS。形成的共晶体（γ-Fe+FeS）以离异共晶形式分布在γ-Fe晶界处。若将含有硫化铁共晶体的钢加热到轧制、锻造温度时，共晶体熔化，进行轧制或锻造时，钢将沿晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆”或“红脆”。2021/5/910（4）磷的影响2021/5/911磷在钢中的存在一般属于有害元素。在1049℃时，磷在Fe中的最大溶解度可达2.55%，在室温时溶解度仍在1%左右，因此磷具有较高的固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但也使钢的塑性，韧性剧烈降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧升高，这种现象称为冷脆。2021/5/912（5）氮的影响Fe-N相图2021/5/913氮在钢中的存在一般认为是有害元素。N在γ中的最大溶解度在650℃为2.8%N，在α中的最大溶解度在590℃约为0.1%N,而在室温时的溶解度很小低于0.001%N，因此将钢由高温快速冷却后，可得到溶氮过饱和的铁素体。这种溶氮过饱和的铁素体是不稳定的，在室温长时间放置时N将以Fe4N的形式析出，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性降低，这种现象称为时效硬化。为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或加入Al、V、Nb、Ti等元素，使它们优先形成稳定的氮化物，以减小氮所造成的时效敏感性。2021/5/914（6）氢的影响氢在钢中的存在也是有害元素，它是由潮湿的炼钢原料和炉气而进入钢中的。氢在钢中的溶解度甚微，但严重的影响钢的性能，氢溶入铁中形成间隙固溶体，使钢的塑性大大降低，脆性大大升高，这种现象称为氢脆。含有较多氢的钢，在加热热轧时溶入，冷却时溶解度降低，析出的氢结合成氢分子，使钢的塑性大大降低，脆性大大升高，加上热轧时产生的内应力，当它们的综合作用力大于钢的时，在钢中就会产生许多微细裂纹如头发丝一样，也称发裂，这种组织缺陷称为白点。2021/5/915（7）氧的影响氧在钢中的存在也是有害元素，由于炼钢是一个氧化过程，氧在钢液中起到去除杂质的积极作用，但在随后的脱氧过程中不能完全将它除净，氧在钢中的溶解度很小，在700℃时为0.008%，在500℃时在铁素体中的溶解度<0.001%。氧溶入铁素体一般降低钢的强度、塑性和韧性，氧在钢中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe2O3、Fe3O4、MnO、SiO2、Al2O3等），所以它对钢的性能的影响主要取决于这些氧化物的性能，数量、大小和分布等。2021/5/916（2）钢锭的宏观组织与缺陷（1）钢锭的宏观组织2021/5/917

细晶区(激冷区)：温度较低的模壁使与之接触的液体会产生强烈的过冷而形成的。当模壁被加热以后，这些晶体在湍流熔液的影响下，有很多从模壁上脱离下来。它们可能留下来或大部分重新熔化，只有那些仍然靠近模壁的晶粒成长而形成细晶区。

柱状晶区：细晶区前沿不易形核，随着液相温度逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长而形成柱状晶。它们也可能是树枝晶，并且有择尤取向（铸造织构）。柱状晶区的厚度主要由等轴晶区的出现早晚所控制。2021/5/918等轴晶区：开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶的熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随熔液对流漂移到铸锭中心部分，如果中心部分熔液有过冷，则这些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。游离细晶越易形成，以后的中心等轴晶区越大。游离晶体的形成过程：有两个来源：一是从最早激冷过程的模臂游离出来；另一是从成长的枝晶有利出来的。2021/5/919钢锭纵截面组织10%硝酸水溶液侵蚀43/4×2021/5/920（2）偏析合金凝固时，随着结晶过程的进行，在液、固相中的溶质要发生重新分布。在非平衡凝固条件下，凝固速度比较快，溶质原子来不及重新分布，使得先后结晶的固相中成份不均匀，这种现象称为偏析。根据产生偏析的范围不同，可分为宏观偏析和微观偏析。宏观偏析是大范围的成分不均匀的现象，又称远程偏析。微观偏析是晶粒尺度范围的成分不均匀现象，又称短程偏析。2021/5/921宏观偏析宏观偏析表现为铸锭(件)从里层到外层或从上到下成份不均匀。根据表现形式不同，可分为正偏析、反偏析和比重偏析。2021/5/922①正常偏析（正偏析）当平衡分配系数k0＜1的合金以平直界面定向凝固时，沿着垂直于界面的纵向会产生明显的成份不均匀。先凝固的固相溶质浓度低于后凝固部分。这种内外成份不均匀的现象是正常凝固的结果，故称为正常偏析或正偏析。正常偏析的程度与凝固速度、液体对流以及溶质扩散条件等因素有关。当凝固速度比较慢，液体对流比较强，溶质原子能够向液体纵深扩散，使剩余液体中的溶质浓度逐渐升高。凝固后所产生的正常偏析就比较严重。在正常偏析程度比较大的情况下，最后凝固的液体溶质浓度高，有时会形成其它非平衡相。2021/5/923②反常偏析反偏析正好是与正偏析相反，即在k0＜1合金铸锭(件)中表层溶质浓度高于内层的溶质浓度。目前认为反偏析形成的主要原因与铸模中心的液体倒流有关。由于在合金凝固时，先凝固部分发生收缩，在枝晶之间产生空隙和负压，使铸模中心溶质浓度较高的液体沿技晶间隙吸回到表层，形成反偏析。2021/5/924③比重偏析比重偏析是由于合金凝固时形成的先共晶相与液体比重不同而引起先共晶相上浮或下沉，从而导致了铸锭(件)中组成相上下分布和成份不均匀的一种宏观偏析。这种宏观偏析主要存在于共晶系和偏晶系合金中，并在缓慢冷却条件下产生的。防止或减轻比重偏析的方法有：增大冷却速度，使先共晶相来不及上浮或下沉；加入第三组元，形成高熔点的、比重与液体相近的树枝状新相，阻止偏析相的沉浮。2021/5/925显微偏析微观偏析是在一个晶粒范围内成份不均匀的现象。根据凝固时晶体生长形态的不同，可分为枝晶偏析、胞状偏析和晶界偏析。2021/5/926①胞状偏析当成份过冷比较小时，固溶体以胞状方式生长。对于k0＜1的合金，在凹陷的胞界处将富集着溶质。这种胞内和胞界处成份不均匀的现象称为胞状偏析。胞状生长时溶质分布示意图2021/5/927②枝晶偏析当合金以树枝状方式凝固时，形成枝晶偏析。在先结晶枝干和后结晶的枝间溶质分布不均匀。枝干含高熔点组元多，枝间含低熔点组元多。通常凝固速度越快，液体的对流扩散越不充分，k0值越小（k0＜1），则枝晶偏析越严重。枝晶偏析的产生对铸锭(件)的性能是有害的，特别使铸件的韧性、塑性及抗蚀性下降。枝晶偏析可以通过扩散退火消除。2021/5/928③晶界偏析当合金以树枝状方式凝固，最终形成晶粒组织时，在各晶粒之间的界面处是液体最后凝固的地方。对于k0＜1的合金，最后凝固的液体中溶质含量高。因此凝固结束后晶界处产生溶质富集，形成晶界偏析。一种情况是两个晶粒并排生长，由于表面张力平衡条件要求，在晶粒之间出现一个深达10-8cm的凹槽，该处的液体是最后凝固，从而形成晶界偏析。另一种情况是两个晶粒彼此相对生长，当彼此相遇时，在它们之间的液体中富集着大量溶质，这部分液体最后凝固，从而造成晶界偏析。2021/5/929显微偏析都可以通过扩散退火减弱或消除。2021/5/930（3）缩孔几种缩孔形式

大多数金属和合金在凝固过程要发生体积收缩。如果没有足够的液体继续补充，就会在铸锭(件)中形成收缩孔洞，简称缩孔。根据缩孔的位置和分布，可分为集中缩孔和分散缩孔。2021/5/931不同凝固方式示意图(a)壳状凝固(b)壳状－糊状混合凝固(c)糊状凝固2021/5/932直径9吋的Cu-30%Ni铸锭靠近锭子表面（左下）和靠近中心（右下）的照片抛光未侵蚀50×合金钢锭的中心疏松0.5×特定的铸件或铸锭的收缩量是一定的，所以如果存在疏松，将会减小最终的集中缩穴或缩管。2021/5/933希望缩孔集中在锭子的上方，以加大金属的利用率；不希望出现缩管，使利用率降低。方法是在锭子上部加保温帽，使上部最后凝固，从而缩孔集中在上部的保温帽下方。2021/5/934气泡主要来源于两方面：①溶入液态中的气体，在凝固时脱溶析出（固相的溶解度远低于液相），气泡随晶体长大而长大。如果气泡长大速度比晶体生长速度大，气泡长大到一定尺寸后会逸出液相；如果气泡长大速度比晶体长大速度小，晶体长大会把气泡留在锭内；沸腾钢锭半沸腾钢锭（4）气泡2021/5/935②由于在凝固时发生化学反应产生气泡。例如钢中的碳和氧反应形成CO及少量CO2等气泡，若没有逸出液体，则留在铸锭中。2021/5/936若氢气被固溶在凝固的钢锭中，冷却时氢析出形成分子氢，来不及扩散到表面而进入微空隙内产生巨大的压力，从而形成微裂纹，称“发裂”，又因这些裂纹在断面上呈现白色，又称“白点”。发纹的断面形貌2021/5/937凝固过程中，金属和气体形成化合物残留于锭子内，或者外来杂物及耐火材料冲刷进液体中，这就是非金属夹杂物的来源。杂质原子在枝晶间以及晶界的偏聚亦可能形成夹杂物，例如硫在铁中可以在枝晶间及晶界处偏聚形成Fe(Mn)S，它有时会在晶界处形成连续的一层薄膜。此外，还会有氧化物，硅酸盐等夹杂物。（5）非金属夹杂物2021/5/938碳钢铸件中在树枝晶边界的硫化物夹杂500×合金钢锭经热轧后的硫化锰夹杂200×2021/5/939铝铜合金铸锭中的氧化物夹杂250×铝中的氧化物夹杂经加工后形成氧化物带250×碳钢铸件中的硅酸盐夹杂

500×2021/5/940铸锭或铸件冷却时会引起很大的热应力，如果处理不当会出现裂纹，一般是纵向裂纹。钢锭中心出现的裂纹（横截面）10吋黄铜锭中的晶间裂纹4×（6）热应力—由此引起的裂纹2021/5/941铜锭中心出现的裂纹0.5×

上：横截面下：纵截面2021/5/942决定铸锭性能的最重要因素是柱状晶区和中心等轴晶区的相对宽度、中心等轴晶区晶粒的大小等。①细晶区通常只有几个晶粒厚，其作用有限。②柱状晶区中常有择尤取向（织构），在平行的柱状晶接触面及柱状晶粒界面常常聚集杂质、非金属夹杂物和气泡等，是铸锭的脆弱结合面，铸锭热加工时很容易沿这些面断裂。但柱状晶区组织较为致密。③等轴晶没有择尤取向，没有脆弱的界面，性能是各向同性，含有较多的气孔和疏松。加载时裂纹不易生长。（7）铸锭组织的控制2021/5/943根据中心等轴晶区形成的原理，等轴晶形成的条件