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1、第四章改好第四章 铁 碳 合 金第一节 铁碳合金的组元及基本相 铁是元素周期表上的第铁是元素周期表上的第2626个元素,相对原子个元素,相对原子质量为质量为55.8555.85,属于过渡族元素。在一个大气压下,属于过渡族元素。在一个大气压下,它于它于15381538熔化,熔化,27382738汽化。在汽化。在2020时的密度时的密度为为7.87g/cm7.87g/cm3 3。一、纯 铁 如前所述,铁具有多如前所述,铁具有多晶型性,图晶型性,图4-14-1是铁的冷却是铁的冷却曲线。由图可以看出,曲线。由图可以看出,铁铁就具有三种同素异构状态,就具有三种同素异构状态,即即-Fe-Fe、-Fe-Fe
2、和和-Fe-Fe。 在在921921以下,铁结构不以下,铁结构不再发生改变。再发生改变。(一)铁的同素异构转变图4-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 固态下同素异晶转变与液态一样,也是形核与长大,固态下同素异晶转变与液态一样,也是形核与长大,为了区别于液态结晶,将这种固态下的相变结晶过程为了区别于液态结晶,将这种固态下的相变结晶过程称为称为重结晶重结晶。 纯铁在凝固后的冷却过程中,经两次同素异构转变纯铁在凝固后的冷却过程中,经两次同素异构转变后晶粒得到细化,如图后晶粒得到细化,如图. .它是钢的合金化和热处理的基它是钢的合金化和热处理的基础。础。(一)铁的同素异构转变图4-2 纯铁结晶后的组织
3、a)初生的-Fe晶粒 b)-Fe晶粒 c)室温组织-Fe晶粒 铁素体铁素体是碳溶于是碳溶于-Fe-Fe中的间隙固溶体,为体心立中的间隙固溶体,为体心立方晶格,常用符号方晶格,常用符号F F或或表示。表示。 奥氏体奥氏体是碳溶于是碳溶于-Fe-Fe中的间隙固溶体,为面心立中的间隙固溶体,为面心立方晶格,常用符号方晶格,常用符号A A或或表示。表示。 铁素体和奥氏体是铁碳相图中铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个两个十分十分重要的基本重要的基本相。相。 两者溶碳能力差别很大,铁素体最大溶碳量在两者溶碳能力差别很大,铁素体最大溶碳量在727727仅为仅为0.0218%0.0218%,在室温下就更低了,在,
4、在室温下就更低了,在0.001%0.001%以以下。而奥氏体在下。而奥氏体在11481148为为2.11%2.11%。 致密度分别为致密度分别为0.680.68,0.74 0.74 ,显然和晶体结构的间,显然和晶体结构的间隙尺寸有关,据测,奥氏体八面体间隙半径隙尺寸有关,据测,奥氏体八面体间隙半径0.0535nm,0.0535nm,铁素体八面体间隙半径为铁素体八面体间隙半径为0.01826 nm.0.01826 nm.碳原子半径碳原子半径0.077 nm,0.077 nm,所以溶碳能力差别那么大原因。所以溶碳能力差别那么大原因。(二)铁素体与奥氏体工业纯铁的含铁量一般为工业纯铁的含铁量一般为w
5、FeFe=99.8%=99.8%99.9%99.9%,含有,含有w=0.1%=0.1%0.2%0.2%的杂质,其中主要是的杂质,其中主要是碳。纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不碳。纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不同而差别很大。同而差别很大。 纯铁的塑性和韧性很好,但其强度很低,纯铁的塑性和韧性很好,但其强度很低,很少用作结构材料。很少用作结构材料。( (铁素体性能与纯铁基本相铁素体性能与纯铁基本相同),奥氏体的塑性很好。同),奥氏体的塑性很好。 (三)纯铁的性能与应用 纯铁冷却中晶体结构的变化:纯铁冷却中晶体结构的变化: 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc
6、bcc 纯铁在冷却中经历两次同素异构转变纯铁在冷却中经历两次同素异构转变纯铁的显微组织纯铁的显微组织: 单相的单相的Fe 渗碳体是铁与碳形成的渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物间隙化合物FeFe3 3C C,含碳量含碳量wC C为为6.69%6.69%,可以用符号,可以用符号C Cm m表示,是铁碳表示,是铁碳相图中的重要基本相。相图中的重要基本相。 渗碳体具有很高的硬度渗碳体具有很高的硬度,约为,约为800HB800HB,但塑但塑性很差,伸长率接近于零性很差,伸长率接近于零。渗碳体于低温下具。渗碳体于低温下具有一定的铁磁性,但是在有一定的铁磁性,但是在230230以上,这种铁磁以上,这种铁磁性就
7、消失了。性就消失了。 根据理论计算,渗碳体的根据理论计算,渗碳体的熔点为熔点为12271227。二、渗 碳 体 纯铁纯铁(工业纯铁工业纯铁)的性能的性能 强度低:强度低:(b=180230MPa); 硬度低:硬度低:(50HBS80HBS); 塑性好:塑性好:(:3050; :70 80 )纯铁、铁素体、奥氏体、渗碳体性能小结纯铁、铁素体、奥氏体、渗碳体性能小结 基本组元:基本组元: Fe、C 基本相:基本相: 铁素体铁素体(或或 F ) : 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能性能: 强硬度低强硬度低(50HBS80HBS), 塑韧性好塑韧性好(:70 80 ; Ak=
8、160J ) 与工业纯铁基本相同与工业纯铁基本相同 铁素体铁素体 奥氏体奥氏体(或或 A )A ) 基本组元:基本组元: FeFe、C C 基本相:基本相: 奥氏体奥氏体 ( (或或 A ) A ) : 0.77% (727) 2.11% (1148) 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能性能: : 强硬度较低;强硬度较低; 塑性较好塑性较好 合金化后成为室温基体相合金化后成为室温基体相 渗碳体渗碳体(Fe3C) Fe与与C形成的金属化合物,含形成的金属化合物,含6.69%C, 性能性能 强度低:强度低:b= 30MPa; 硬度高:硬度高:800HB 无塑性:无塑性:=0;
9、=0; Ak=0 硬、脆硬、脆 钢中强化相钢中强化相 各特性点的符号是国际通用的,不能随意更换。 图中有图中有1414个点,个点,A AQ Q,每个点有自己每个点有自己的温度、含碳量及意义。的温度、含碳量及意义。 两条线:液、固相线;两条线:液、固相线; 五个单相区;五个单相区; 七个两相区;七个两相区; 三条水平线:(包晶、共晶、包析)三条水平线:(包晶、共晶、包析)转变线,包含三个反应。转变线,包含三个反应。一、相图中的点、线、区及其意义相图中的点、线、区及其意义图4-4 以相组成表示的铁碳相图相图中的点、线、区及其意义表4-1 铁碳合金相图中的特性点LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe
10、3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912HJ点点包晶点包晶点 1495 0.17% CC点点共晶点共晶点 1148 4.3% CS点点共析点共析点 727 0.77% LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008E点点的最大溶碳量的最大溶碳量 2.11% CP点点的最大溶碳量的最大溶碳量 0.0218% CGS:又称为又称为A3
11、线,是线,是 ,奥氏体与铁素体转,奥氏体与铁素体转变线;随含碳量增加,变线;随含碳量增加, 异构转变温度异构转变温度LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008ES:当温度低于此曲当温度低于此曲线,线,就从析出渗碳体,通常称为二次渗碳体, Fe3C该曲线可称为二次渗碳体开始析出线。开始析出线。ES也也叫叫Acm线。线。PQ:是碳在铁素体中溶解度曲线。在是碳在铁素体中溶解度曲线。在727时达到中最大值,随时达到中最大值,随温度降低,温度降低,F溶碳量减低。当溶碳量减低
12、。当F从从727冷却下来时冷却下来时,从,从F析出析出渗碳体,渗碳体,称为三次渗碳体。符号称为三次渗碳体。符号FeFe3 3C CIIIIIILL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008包晶线包晶线HJB LB+H J共析线共析线PSKS P+Fe3C产物珠光体,产物珠光体,P是层是层片状,用片状,用P表示。表示。共晶线共晶线ECF LC E+Fe3C混合物称为莱氏体混合物称为莱氏体 符号表示符号表示 Ld,渗碳,渗碳体很脆,塑性很差。体很脆,塑性很差。不同放大倍数
13、不同放大倍数下下P的显微组织的显微组织 组织组织 相构成只三个,但性能差别大,原因:相构成只三个,但性能差别大,原因:相之间具体组合方式不同,或单相或混合相相之间具体组合方式不同,或单相或混合相存在存在 不同组织不同组织 (1)铁素体)铁素体(F) (2)奥氏体)奥氏体(A) (3)渗碳体)渗碳体(Fe3C) (4)珠光体)珠光体(P) :F Fe3C;共析共析反应产物反应产物 (5)莱氏体)莱氏体(Ld):AFe3C;共晶共晶反应产物反应产物 (6)变态莱氏体)变态莱氏体(Ld):PFe3C单单相相组组织织两两相相组组织织 为了讨论方便起见,先将铁碳合金进行分为了讨论方便起见,先将铁碳合金进
14、行分类。类。 通常按有无共晶转变将其分为碳钢和铸铁通常按有无共晶转变将其分为碳钢和铸铁两大类,即两大类,即w wC C2.112.11的为碳钢,的为碳钢,w wC C2.112.11的的为铸铁。为铸铁。 w wC C0.02180.0218的为工业纯铁。的为工业纯铁。LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008工业纯铁工业纯铁钢钢铸铁铸铁按照铁碳相图,按照铁碳相图,根据碳含量不同根据碳含量不同分为三大类:分为三大类:根据组织特征,将铁碳合金分为七种类型:根据组织特征
15、,将铁碳合金分为七种类型: (1)工业纯铁)工业纯铁 Wc0.0218 (2)共析钢)共析钢 Wc=0.77 (3)亚共析钢)亚共析钢 Wc=0.02180.77 (4)过共析钢)过共析钢 Wc=0.772.11 (5)共晶白口铁)共晶白口铁 Wc=4.3 (6)亚共晶白口铁)亚共晶白口铁 Wc=2.114.3 (7)过共晶白口铁)过共晶白口铁 Wc=4.306.69LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008工业纯铁工业纯铁共析钢共析钢过共析钢过共
16、析钢亚共晶白口铁亚共晶白口铁共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共析钢亚共析钢共共 析析 钢钢图4-9 wC=0.77%的碳钢结晶过程示意图LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+合金合金:共析钢:共析钢共析转变:共析转变: S (PFe3C)常温下的组织构成:常温下的组织构成: P(析出少量三次渗碳体数量少,析出少量三次渗碳体数量少,在显微镜下难辨析,忽略)在显微镜下难辨析,忽略)计算珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量?计算珠光体中铁素体和渗碳体的相
17、对含量?LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.008WF=SK/PK =(6.690.77)/(6.690.0218)100% =88.7%W Fe3C = 188.7% = 11.3%不同放大倍数不同放大倍数下下P的显微组织的显微组织 亚亚 共共 析析 钢钢图4-10 wC=0.40%的碳钢结晶过程示意图LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.69
18、1495L+亚共析钢亚共析钢(0.4%C)(0.4%C)常温下的组织构成:常温下的组织构成:F先共析先共析 P(三次渗碳体忽三次渗碳体忽略不计,数量少)略不计,数量少)LLFe3C亚 共 析 钢图4-11 亚共析钢的室温组织a)wC=0.20% b)wC=0.40% c)wC=0.60%先共析先共析FP0.02186.690.77727F + Fe3C 相相 区区0.4计算计算WC=0.4%钢中的组织组成物钢中的组织组成物 W F先先 = (0.770.40) / (0.770.0218) 100% = 49.5%WP = 149.5% = 50.5% 先共析先共析F 和和 P 的含量?的含量
19、? 此时相组成物的含量:(铁素体、渗碳体是室温下的相,室温下的组织是铁素体与珠光体) 所以用杠杆定律可求相得含量:0.02186.690.77727F + Fe3C 相相 区区0.4计算相组成物计算相组成物WF = (6.690.40) / (6.690.0218) 100% = 94.3%WFe3C = 194.3% = 5.7% 铁素体铁素体 和和 Fe3C 的含量?的含量?四、过 共 析 钢图4-12 wC=1.2%的碳钢结晶过程示意图过共析钢过共析钢( 1.0%C )L1.0 0.77 +Fe3CP +Fe3C相构成:相构成:F+ Fe3C 组织构成:组织构成: Fe3C+P过 共 析
20、 钢图4-13 wC=1.2%的过共析钢缓冷后的组织a)硝酸酒精浸蚀,白色网状相为二次渗碳体,暗黑色为珠光体b)苦味酸钠浸蚀,黑色为二次渗碳体,浅白色为珠光体 PLdFFFe3CF先先+PPP+Fe3CLdFe3CLd组织构成图组织构成图第四节 含碳量对铁碳合金平衡组织 和性能的影响 根据运用杠杆定律进行计算的结果,可将铁碳合金的成分与平衡结晶后的组织组成物及相组成物之间的定量关系总结如图4-21所示。一、对平衡组织的影响图4-21 铁碳合金的成分与组织的关系 铁素体是软韧相,渗碳体是硬脆相。珠光体由铁素体和渗碳体所组成,渗碳体以细片状分散地分布在铁素体基体上,起了强化作用。因此珠光体有较高的
21、强度和硬度,但塑性较差。珠光体内的层片越细,则强度越高。二、对力学性能的影响 (一)切削加工性能 钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响。 举例:低碳钢中的铁素体较多,塑性韧性好,切削加工时产生的切削热较大,容易粘刀,而且切屑不易折断,影响表面粗糙度,因此切削加工性能不好。 高碳钢中渗碳体多,硬度较高,严重磨损刀具,切削性能也差。 中碳钢中的铁素体与渗碳体的比例适当,硬度和塑性也比较适中,其切削加工性能较好。一般认为,钢的硬度大致为250HBW时切削加工性能较好。三、对工艺性能的影响 具有奥氏体组织的钢导热性低,切削热很少为工件所吸收,而基本上集聚在切削刃附近,因而使刃具的切削刃变热,降低了刀具
22、寿命。因此,尽管奥氏体钢的硬度不高,但切削加工性能不好。 钢的导热性对切削加工性具有很大的意义。 金属的可锻性是指金属在压力加工时,能改变形状而不产生裂纹的性能。 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。(二)可锻性 1流动性 流动性决定了液态金属充满铸型的能力。流动性受很多因素的影响,其中最主要的是化学成分和浇注温度的影响。(三)铸造性 在化学成分中,碳对流动性影响最大。 随着含碳量的增加,钢的结晶温度间隔增大,流动性应该变差。 但是,随着含碳量的提高,液相线温度降低,因而,当浇注温度相同时,含碳量高的钢,其钢液温度与液相线温度之差较大,即过热度较大
23、,对钢液的流动性有利。 所以钢液的流动性随含碳量的增加而提高。浇注温度越高,流动性越好。当浇注温度一定时,过热度越大,流动性越好。 2收缩性 铸件从浇注温度至室温的冷却过程中,其体积和线尺寸减小的现象称为收缩性。收缩是铸造合金本身的物理性质,是铸件产生许多缺陷,如缩孔、缩松、残留内应力、变形和裂纹的基本原因。 金属从浇注温度冷却到室温要经历三个互相联系的收缩阶段: (1)液态收缩 从浇注温度到开始凝固(液相线温度)这一温度范围内的收缩称为液态收缩。 (2)凝固收缩 从凝固开始到凝固终止(固相线温度)这一温度范围内的收缩称为凝固收缩。 (3)固态收缩 从凝固终止至冷却到室温这一温度范围内的收缩称
24、为固态收缩。 影响碳钢收缩性的主要因素是化学成分和浇注温度等。 3枝晶偏析 固相线和液相线的水平距离和垂直距离越大,枝晶偏析越严重。铸铁的成分越靠近共晶点,偏析越小;相反,越远离共晶点,则枝晶偏析越严重。第五节 钢中的杂质元素及钢锭组织 (一)锰和硅的影响 锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂,用以去除溶于钢液中的氧。它还可把钢液中的FeO还原成铁,并形成MnO和SiO2。锰除了脱氧作用外,还有除硫作用,即与钢液中的硫结合成MnS,从而在相当大程度上消除硫在钢中的有害影响。这些反应产物大部分进入炉渣,小部分残留于钢中,成为非金属夹杂物。一、钢中的杂质元素及其影响钢中的杂质元素及其影响 脱氧剂中的
25、锰和硅总会有一部分溶于钢液中,冷至室温后即溶于铁素体中,提高铁素体的强度。 锰对碳钢的力学性能有良好的影响,它能提高钢的强度和硬度,当含锰量不高(wMn0.8)时,可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性。 碳钢中的含硅量wSi一般小于0.5,它也是钢中的有益元素,在沸腾钢中的含量很低,而镇静钢的含量较高。硅溶于铁素体后有很强的强化作用,显著提高钢的强度和硬度,但含量较高时,将使钢的塑性和韧性下降。(一)锰和硅的影响 硫是钢中的有害元素,它是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中来的杂质。硫只能溶于钢液中,在固态铁中几乎不能溶解,而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中。 硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂,这种
26、现象称为热脆。 原因:硫化铁偏析严重。即使含量不高,也会出现铁与硫化铁共晶。比如钢在凝固时,共晶组织中铁容易依附在先共晶相-铁晶体生长,把硫化铁留在晶界处,形成离异共晶。 硫化铁熔点989,而热加工一般,而热加工一般1150115012501250以上,导以上,导致开裂。致开裂。 (二)硫的影响 防止热脆办法:加入适量锰 ,锰与硫亲和力大于铁余硫。形成硫化锰。而硫化锰熔点1600,高于热加工温度。一般工业钢含锰量是硫元素510倍。 含硫量高时,还会使钢铸件在铸造应力作用下产生热裂纹,同样,也会使焊接件在焊缝处产生热裂纹。在焊接时产生的SO2气体,还使焊缝产生气孔和缩松。钢中的杂质元素及其影响
27、一般说来,磷是有害的杂质元素,它是由矿石和生铁等炼钢原料带入的。磷在铁中具有较大的溶解度,所以钢中的磷一般都固溶于铁中。磷具有很强的强化作用,它使钢的强度、硬度显著提高,但剧烈地降低钢的韧性,尤其是低温韧性,称为冷脆。(三)磷的影响钢中的杂质元素及其影响 此外,磷还具有严重的偏析倾向,并且它在-Fe和-Fe中的扩散速度很小,很难用热处理的方法予以消除。 在一定条件下磷也具有一定的有益作用。它与铜共存时,可以显著提高钢的耐大气腐蚀能力。(三)磷的影响钢中的杂质元素及其影响 一般认为,钢中的氮是有害元素,但是氮作为钢中合金元素的应用,已日益受到重视。 氮的有害作用主要是通过淬火时效和应变时效造成的
28、。 氮在-Fe中的溶解度在591时最大,约为wN=0.1。随着温度的降低,溶解度急剧下降,在室温时小于0.001。(四)氮的影响 如果将含氮较高的钢从高温急速冷却下来(淬火)时,就会得到氮在-Fe中的过饱和固溶体,将此钢材在室温下长期放置或稍加热时,氮就逐渐以氮化铁的形式从铁素体中析出,使钢的强度硬度升高,塑性韧性下降,使钢材变脆,这种现象叫做淬火时效。钢中的杂质元素及其影响 另外,含有氮的低碳钢材经冷塑性变形后,性能也将随着时间而变化,即强度硬度升高,塑性韧性明显下降,这种现象称为应变时效。 不管是淬火时效,还是应变时效,对低碳钢材性能的影响都是十分有害的。 解决的方法是往钢中加入足够数量的
29、铝,铝能与氮结合成AlN,这样就可以减弱或完全消除这两种在较低温度下发生的时效现象。此外,AlN还阻碍加热时奥氏体晶粒的长大,从而起细化晶粒作用。(四)氮的影响 氢对钢的危害是很大的。 一是引起氢脆,即在低于钢材强度极限的应力作用下,经一定时间后,在无任何预兆的情况下突然断裂,往往造成灾难性的后果。钢的强度越高,对氢脆的敏感性往往越大。 二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷白点,在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点,在酸洗后的横断面上则呈较多的发丝状裂纹。 白点使钢材的伸长率显著下降,尤其是断面收缩率和冲击韧度降低得更多,有时可接近于零值。因此存在白点的钢是不能使用的。这种缺陷主要发生在合金钢中
30、。(五)氢的影响 氧在钢中的溶解度非常小,几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中。 除此之外,钢中往往还存在硫化铁(FeS)、硫化锰(MnS)、硅酸盐、氮化物及磷化物等。这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性,在静载荷和动载荷的作用下,往往成为裂纹的起点。 因此,对非金属夹杂物应严加控制。在要求高质量的钢材时,炼钢生产中应用真空技术、渣洗技术、惰性气体净化、电渣重熔等炉外精炼手段,可以卓有成效地减少钢中气体和非金属夹杂物。(六)氧及其他非金属夹杂物的影响 钢在冶炼后,除少数直接铸成铸件外,绝大部分都要先铸成钢锭,然后轧成各种钢材,如板、棒、管、带材等。 用于制造工具和某些机器零件时需要进行热处理
31、,但更多的情况是在热轧状态下直接使用。 可见钢锭的宏观组织与缺陷,不但直接影响其热加工性能,而且对热变形后钢的性能有显著影响。因此,钢锭的宏观组织特征是钢的质量的重要标志之一。二、钢锭的宏观组织及其缺陷按脱氧程度和浇注制度分a.沸腾钢;b.半镇静钢;c.镇静钢;d.特殊镇静钢。 钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分脱氧,使所含氧的质量分数不超过0.01(一般常在0.002%0.003),以至钢液在凝固时不析出一氧化碳,得到成分比较均匀,组织比较致密的钢锭,这种钢叫做镇静钢。(一)镇静钢镇静钢锭纵剖面的宏观组织示意图。 镇静钢锭的宏观组织与纯金属铸锭基本相同,也是由表面细晶区、柱状晶区和中心等轴
32、晶区所组成。 所不同的是,在镇静钢锭的下部还有一个由等轴晶粒组成的致密的沉积锥体,这是镇静钢的组织特点。(一)镇静钢宏观组织图4-26 镇静钢锭宏观组织示意图1缩孔 2气泡 3缩松 4表面细晶粒区5柱状晶粒区6中心等轴晶粒区 7下部锥体 1.缩孔及缩孔残余 和纯金属铸锭一样,钢液在凝固时要发生收缩,因此在凝固后的钢锭中就出现缩孔。 缩孔处是钢锭最后凝固的地方,是偏析、夹杂物和缩松密集的区域。 在开坯时,一定要将缩孔切除干净。如果切头时未被除净,遗留下的残余部分,称为缩孔残余。 缩孔残余的存在,在热加工时会引起严重的内部裂纹。 (一)镇静钢锭的缺陷 2.缩松 缩松是钢不致密性的表现,多出现于钢锭
33、的上部和中部。 有的分布在整个截面,有的集中在中心。不同程度的缩松,对钢的塑性和韧性的影响程度也不同, 一般情况下,经压力加工可使之得到改善。但若中心缩松严重,也可能由此使锻、轧件产生内部裂纹。 图4-27为钢锭的中心缩松。当钢中含有较多的气体和夹杂物时,会增加缩松的严重程度。(一)镇静钢锭的缺陷图4-27为钢锭的中心缩松。当钢中含有较多的气体和夹杂物时,会增加缩松的严重程度。图4-27 20钢圆坯上的中心缩松 3.偏析 偏析一般是无法避免的。其中枝晶偏析可经高温塑性变形和均匀化退火后消除,而区域偏析主要体现为方框形偏析和点状偏析,会影响钢材的质量。(一)镇静钢锭的缺陷方框形偏析是一种最常见的
34、正偏析,在经酸浸的低倍横向切片上常可见到(图4-28),其特征是在钢材半径的一半处,大致呈正方形,出现内外两个色泽不同的区域。图4-28 方形偏析原因:把碳、硫、磷等杂质不同程度地推向钢液内部,结果在柱状晶与中心等轴晶区之间,集聚了较多杂质,形成区域偏析。 点状偏析是在钢锭的横截面上呈分散的、形状和大小不同并略为凹陷的暗色斑点。 原因:化学分析表明,斑点中碳和硫的含量都超过正常含量,夹杂物的含量也较高,并有大量的氧化铝。通常认为,点状偏析的产生与夹杂物和气体有关。图4-29 点状偏析 4.气泡(气孔) 气泡分皮下气泡和内部气泡两种。 皮下气泡指的是暴露于钢锭表面的、肉眼可见的孔眼和靠近表面的针
35、状孔眼。多出现于钢锭尾部,时常成群出现。 在加热时,无法通过压力加工将其焊合,结果在钢材表面出现成簇的沿轧制方向的小裂纹。 因此,在轧制前必须将皮下气泡予以清除。 内部气泡均产生在钢锭内部,在低倍试片上呈蜂窝状,内壁较光滑,未氧化,在热加工时可以焊合。(一)镇静钢缺陷 沸腾钢是脱氧不完全的钢。在冶炼末期仅添加少量的铝进行轻度脱氧,使相当数量的氧(wO=0.03%0.07)留在钢液中。钢液注入锭模后,钢中的氧与碳发生反应,析出大量的一氧化碳气体,引起钢液的沸腾。 钢液凝固后,未排出的气体在锭内形成气泡,补偿了凝固收缩,所以沸腾钢锭的头部没有集中缩孔,轧制时的切头率低(3%5),成材率高。(二)沸
36、腾钢钢锭的宏观组织及其缺陷 沸腾钢的结晶过程与镇静钢基本相同,其宏观组织具有与镇静钢锭不同的特点。图为沸腾钢锭纵剖面的宏观组织示意图。从表面至心部由五个带组成:坚壳带、蜂窝气泡带、中心坚固带、二次气泡带和锭心带。(二)沸腾钢图4-31 沸腾钢锭宏观组织示意图1头部大气泡2坚壳带3锭心带4中心坚固带5蜂窝气泡带6二次气泡带钢锭的宏观组织及其缺陷 1.坚壳带 坚壳带由致密细小的等轴晶粒所组成。由于受到模壁的激冷,模内因沸腾而强烈循环的钢液把附在晶粒之间的气泡带走,从而形成无气泡的坚壳带。通常要求坚壳带的厚度不小于1520mm。(二)沸腾钢钢锭的宏观组织及其缺陷 2.蜂窝气泡带 钢中的气体如氢、氮等
37、不断析出并向CO气泡内扩散。这样,随着柱状晶的成长,其中的气泡也逐渐长大,最后形成长形气泡。在一般情况下,蜂窝气泡带分布在钢锭下半部,这是因为钢锭上部的气流较大,已形成的气泡易被冲走之故。(二)沸腾钢钢锭的宏观组织及其缺陷 3.中心坚固带 当浇注完毕,钢锭头部凝固封顶后,碳氧反应受到抑制,气泡停止生成。这时,结晶过程仍继续进行,从而形成没有气泡的由柱状晶粒组成的中心坚固带。(二)沸腾钢钢锭的宏观组织及其缺陷 4.二次气泡带 由于结晶过程中碳氧含量不断积聚,以晶粒的凝固收缩在柱状晶之间形成小空隙,促使碳氧反应在此处重又发生,但生成的气泡已不能排出,按表面能最小原则呈圆形气泡留在钢锭内,形成二次气泡带。(二)沸腾钢钢锭的宏观组织及其缺陷 5.锭心带 锭心带由粗大等轴晶所组成。在继续结晶过程中,碳氧含量高的地方仍有碳氧反应发生,生成许多分散的小气泡。这时,锭心温度下降,钢液粘度很大,气泡便留在锭心带,有的可能上浮到钢锭上部汇集成较大的气泡。(二)沸腾钢第四章第四章 结束结束! !
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