1、1234.44.44含碳量與含碳量與Fe-Fe3C合金相組成物相對量、組織組成物相對量的關系合金相組成物相對量、組織組成物相對量的關系 5 含碳量對碳鋼機械性能的影響含碳量對碳鋼機械性能的影響n 在在C%1%后，隨含碳后，隨含碳量的增加，鋼的硬度增加，量的增加，鋼的硬度增加，但強度、塑性、韌性降低但強度、塑性、韌性降低n 這是因為這是因為Fe3C成連續成連續網狀分布，進一步破壞了網狀分布，進一步破壞了鐵素體基體之間的連接作鐵素體基體之間的連接作用所造成。用所造成。6n 碳碳(C)、硅、硅(Si)、錳、錳(Mn)、磷、磷(P)、硫、硫(S)通常被稱為通常被稱為鋼鐵材料的五大元素鋼鐵材料的五大元素

2、。n C，Si，Mn對鋼鐵材料是有益的，稱為對鋼鐵材料是有益的，稱為合金元素合金元素；n P和和S則是有害元素，稱為則是有害元素，稱為雜質元素雜質元素。 n N、H、O等元素的影響。等元素的影響。4.54.5（1 1）合金元素與雜質元素）合金元素與雜質元素7n錳在鋼中的存在也屬于有益元素，它與氧有較強的親合錳在鋼中的存在也屬于有益元素，它與氧有較強的親合力，具有較好的脫氧能力，在煉鋼時作為脫氧劑加入。力，具有較好的脫氧能力，在煉鋼時作為脫氧劑加入。n另外錳與硫的親合力很強，在鋼液中與硫形成另外錳與硫的親合力很強，在鋼液中與硫形成MnS，起，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影響。到去硫作用，大

3、大的消除了硫的有害影響。n鋼中的含錳量一般為鋼中的含錳量一般為0.250.80%，它一部分溶入鐵素體，它一部分溶入鐵素體起到固溶強化作用，提高鐵素體的強度，錳還可溶入滲碳起到固溶強化作用，提高鐵素體的強度，錳還可溶入滲碳體形成合金滲碳體（體形成合金滲碳體（Fe，Mn）3C，使鋼具有較高的強度；，使鋼具有較高的強度；n另一部分錳與硫形成另一部分錳與硫形成MnS，與氧形成，與氧形成MnO，這些非金屬，這些非金屬夾雜物大部分進入爐渣。夾雜物大部分進入爐渣。（1）錳的影響）錳的影響8n硅在鋼中的存在屬于有益元素，由于它與氧有很硅在鋼中的存在屬于有益元素，由于它與氧有很大的親合力，具有很好地脫氧能力。在

4、煉鋼時作為大的親合力，具有很好地脫氧能力。在煉鋼時作為脫氧劑加入，脫氧劑加入，Si+2FeO=2Fe+SiO2，硅與氧化鐵反，硅與氧化鐵反應生成二氧化硅（應生成二氧化硅（SiO2）非金屬夾雜物，一般大部）非金屬夾雜物，一般大部分進入爐渣，消除了分進入爐渣，消除了FeO的有害作用。但如果它以的有害作用。但如果它以夾雜物形式存在于鋼中，將影響鋼的性能。夾雜物形式存在于鋼中，將影響鋼的性能。n碳鋼中的含硅量一般碳鋼中的含硅量一般Si%0.4%，它大部分溶入鐵，它大部分溶入鐵素體，起固溶強化作用，提高鐵素體的強度，而使素體，起固溶強化作用，提高鐵素體的強度，而使鋼具有較高的強度。鋼具有較高的強度。（2

5、）硅的影響）硅的影響9（3）硫的影響）硫的影響10n硫在鋼中是有害的雜質。硫在鋼中是有害的雜質。n液態時液態時Fe、S能夠互溶，固態時能夠互溶，固態時Fe幾乎不溶解硫，幾乎不溶解硫，而與硫形成熔點為而與硫形成熔點為1190的化合物的化合物FeS。形成的共。形成的共晶體（晶體（-Fe+FeS）以離異共晶形式分布在）以離異共晶形式分布在 -Fe晶晶界處。界處。n若將含有硫化鐵共晶體的鋼加熱到軋制、鍛造溫若將含有硫化鐵共晶體的鋼加熱到軋制、鍛造溫度時，共晶體熔化，進行軋制或鍛造時，鋼將沿度時，共晶體熔化，進行軋制或鍛造時，鋼將沿晶界開裂，這種現象稱為鋼的晶界開裂，這種現象稱為鋼的“熱脆熱脆”或或“紅

6、紅脆脆”。11（4）磷的影響）磷的影響12n磷在鋼中的存在一般屬于有害元素。磷在鋼中的存在一般屬于有害元素。n在在1049時，磷在時，磷在Fe中的最大溶解度可達中的最大溶解度可達2.55%，在室溫時溶解度仍在，在室溫時溶解度仍在1%左右，因此磷具左右，因此磷具有較高的固溶強化作用，使鋼的強度、硬度顯著有較高的固溶強化作用，使鋼的強度、硬度顯著提高，但也使鋼的塑性，韌性劇烈降低，特別是提高，但也使鋼的塑性，韌性劇烈降低，特別是使鋼的脆性轉折溫度急劇升高，這種現象稱為使鋼的脆性轉折溫度急劇升高，這種現象稱為冷冷脆脆。 13（5）氮的影響）氮的影響Fe-NFe-N相圖相圖14n氮在鋼中的存在一般認為

7、是有害元素。氮在鋼中的存在一般認為是有害元素。nN在在中的最大溶解度在中的最大溶解度在650為為2.8%N，在，在中的最大中的最大溶解度在溶解度在590約為約為0.1%N,而在室溫時的溶解度很小低而在室溫時的溶解度很小低于于0.001%N，因此將鋼由高溫快速冷卻后，可得到溶氮，因此將鋼由高溫快速冷卻后，可得到溶氮過飽和的鐵素體。這種溶氮過飽和的鐵素體是不穩定的，過飽和的鐵素體。這種溶氮過飽和的鐵素體是不穩定的，在室溫長時間放置時在室溫長時間放置時N將以將以Fe4N的形式析出，使鋼的強的形式析出，使鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性降低，這種現象稱為度、硬度升高，塑性、韌性降低，這種現象稱為時效硬時

8、效硬化化。n為了減輕氮的有害作用，就必須減少鋼中的含氮量或為了減輕氮的有害作用，就必須減少鋼中的含氮量或加入加入Al、V、Nb、Ti等元素，使它們優先形成穩定的氮等元素，使它們優先形成穩定的氮化物，以減小氮所造成的時效敏感性。化物，以減小氮所造成的時效敏感性。15（6）氫的影響）氫的影響n氫在鋼中的存在也是有害元素，它是由潮濕的煉鋼原氫在鋼中的存在也是有害元素，它是由潮濕的煉鋼原料和爐氣而進入鋼中的。料和爐氣而進入鋼中的。n氫在鋼中的溶解度甚微，但嚴重的影響鋼的性能，氫氫在鋼中的溶解度甚微，但嚴重的影響鋼的性能，氫溶入鐵中形成間隙固溶體，使鋼的塑性大大降低，脆性溶入鐵中形成間隙固溶體，使鋼的塑

9、性大大降低，脆性大大升高，這種現象稱為大大升高，這種現象稱為氫脆氫脆。n含有較多氫的鋼，在加熱熱軋時溶入，冷卻時溶解度含有較多氫的鋼，在加熱熱軋時溶入，冷卻時溶解度降低，析出的氫結合成氫分子，使鋼的塑性大大降低，降低，析出的氫結合成氫分子，使鋼的塑性大大降低，脆性大大升高，加上熱軋時產生的內應力，當它們的綜脆性大大升高，加上熱軋時產生的內應力，當它們的綜合作用力大于鋼的時，在鋼中就會產生許多微細裂紋如合作用力大于鋼的時，在鋼中就會產生許多微細裂紋如頭發絲一樣，也稱發裂，這種組織缺陷稱為頭發絲一樣，也稱發裂，這種組織缺陷稱為白點白點。16（7）氧的影響）氧的影響n氧在鋼中的存在也是有害元素，由于

10、煉鋼是一個氧化氧在鋼中的存在也是有害元素，由于煉鋼是一個氧化過程，氧在鋼液中起到去除雜質的積極作用，但在隨后過程，氧在鋼液中起到去除雜質的積極作用，但在隨后的脫氧過程中不能完全將它除凈，氧在鋼中的溶解度很的脫氧過程中不能完全將它除凈，氧在鋼中的溶解度很小，在小，在700時為時為0.008%，在，在500時在鐵素體中的溶時在鐵素體中的溶解度解度0.001%。n氧溶入鐵素體一般降低鋼的強度、塑性和韌性，氧在氧溶入鐵素體一般降低鋼的強度、塑性和韌性，氧在鋼中主要以氧化物方式存在，如（鋼中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe2O3、Fe3O4、MnO、SiO2、Al2O3等），所以它對鋼的性能的影響

11、主等），所以它對鋼的性能的影響主要取決于這些氧化物的性能，數量、大小和分布等。要取決于這些氧化物的性能，數量、大小和分布等。17（2 2）鋼錠的宏觀組織與缺陷）鋼錠的宏觀組織與缺陷（1）鋼錠的宏觀組織）鋼錠的宏觀組織18192021（2）偏析）偏析n 合金凝固時，隨著結晶過程的進行，在液、固相合金凝固時，隨著結晶過程的進行，在液、固相中的溶質要發生重新分布。在非平衡凝固條件下，中的溶質要發生重新分布。在非平衡凝固條件下，凝固速度比較快，溶質原子來不及重新分布，使得凝固速度比較快，溶質原子來不及重新分布，使得先后結晶的固相中成份不均勻，這種現象稱為先后結晶的固相中成份不均勻，這種現象稱為偏析偏析

12、。根據產生偏析的范圍不同，可分為根據產生偏析的范圍不同，可分為宏觀偏析宏觀偏析和和微觀微觀偏析偏析。 n宏觀偏析是大范圍的成分不均勻的現象，又稱宏觀偏析是大范圍的成分不均勻的現象，又稱遠遠程偏析程偏析。n微觀偏析是晶粒尺度范圍的成分不均勻現象，又微觀偏析是晶粒尺度范圍的成分不均勻現象，又稱稱短程偏析短程偏析。22宏觀偏析宏觀偏析n 宏觀偏析表現為鑄錠宏觀偏析表現為鑄錠(件件)從里層到外層或從上到從里層到外層或從上到下成份不均勻。下成份不均勻。n 根據表現形式不同，可分為根據表現形式不同，可分為正偏析正偏析、反偏析反偏析和和比比重偏析重偏析。 23正常偏析（正偏析）正常偏析（正偏析）n當平衡分配

13、系數當平衡分配系數k01的合金以平直界面定向凝固時，沿的合金以平直界面定向凝固時，沿著垂直于界面的縱向會產生明顯的成份不均勻。先凝固的著垂直于界面的縱向會產生明顯的成份不均勻。先凝固的固相溶質濃度低于后凝固部分。這種內外成份不均勻的現固相溶質濃度低于后凝固部分。這種內外成份不均勻的現象是正常凝固的結果，故稱為象是正常凝固的結果，故稱為正常偏析正常偏析或或正偏析正偏析。n正常偏析的程度與凝固速度、液體對流以及溶質擴散條正常偏析的程度與凝固速度、液體對流以及溶質擴散條件等因素有關。當凝固速度比較慢，液體對流比較強，溶件等因素有關。當凝固速度比較慢，液體對流比較強，溶質原子能夠向液體縱深擴散，使剩余

14、液體中的溶質濃度逐質原子能夠向液體縱深擴散，使剩余液體中的溶質濃度逐漸升高。凝固后所產生的正常偏析就比較嚴重。漸升高。凝固后所產生的正常偏析就比較嚴重。n在正常偏析程度比較大的情況下，最后凝固的液體溶質在正常偏析程度比較大的情況下，最后凝固的液體溶質濃度高，有時會形成其它非平衡相。濃度高，有時會形成其它非平衡相。24反常偏析反常偏析n反偏析正好是與正偏析相反，即在反偏析正好是與正偏析相反，即在k01合金鑄錠合金鑄錠(件件)中表層溶質濃度高于內層的溶質濃度。中表層溶質濃度高于內層的溶質濃度。n目前認為反偏析形成的主要原因與鑄模中心的液目前認為反偏析形成的主要原因與鑄模中心的液體倒流有關。由于在合

15、金凝固時，先凝固部分發生體倒流有關。由于在合金凝固時，先凝固部分發生收縮，在枝晶之間產生空隙和負壓，使鑄模中心溶收縮，在枝晶之間產生空隙和負壓，使鑄模中心溶質濃度較高的液體沿技晶間隙吸回到表層，形成反質濃度較高的液體沿技晶間隙吸回到表層，形成反偏析。偏析。 25比重偏析比重偏析n比重偏析是由于合金凝固時形成的先共晶相與液比重偏析是由于合金凝固時形成的先共晶相與液體比重不同而引起先共晶相上浮或下沉，從而導致體比重不同而引起先共晶相上浮或下沉，從而導致了鑄錠了鑄錠(件件)中組成相上下分布和成份不均勻的一種中組成相上下分布和成份不均勻的一種宏觀偏析。這種宏觀偏析主要存在于共晶系和偏晶宏觀偏析。這種宏

16、觀偏析主要存在于共晶系和偏晶系合金中，并在緩慢冷卻條件下產生的。系合金中，并在緩慢冷卻條件下產生的。n防止或減輕比重偏析的方法有：增大冷卻速度，防止或減輕比重偏析的方法有：增大冷卻速度，使先共晶相來不及上浮或下沉；加入第三組元，形使先共晶相來不及上浮或下沉；加入第三組元，形成高熔點的、比重與液體相近的樹枝狀新相，阻止成高熔點的、比重與液體相近的樹枝狀新相，阻止偏析相的沉浮。偏析相的沉浮。26顯微偏析顯微偏析n 微觀偏析是在一個晶粒范圍內成份不均勻的現象。微觀偏析是在一個晶粒范圍內成份不均勻的現象。n 根據凝固時晶體生長形態的不同，可分為根據凝固時晶體生長形態的不同，可分為枝晶偏枝晶偏析析、胞狀

17、偏析胞狀偏析和和晶界偏析晶界偏析。 27胞狀偏析胞狀偏析n當成份過冷比較小時，固溶體以胞狀方式生長。當成份過冷比較小時，固溶體以胞狀方式生長。n對于對于k01的合金，在凹陷的胞界處將富集著溶質。的合金，在凹陷的胞界處將富集著溶質。這種胞內和胞界處成份不均勻的現象稱為胞狀偏析。這種胞內和胞界處成份不均勻的現象稱為胞狀偏析。胞狀生長時溶質分布示意圖胞狀生長時溶質分布示意圖28枝晶偏析枝晶偏析n 當合金以樹枝狀方式凝固時，形成枝晶偏析。在當合金以樹枝狀方式凝固時，形成枝晶偏析。在先結晶枝干和后結晶的枝間溶質分布不均勻。枝干先結晶枝干和后結晶的枝間溶質分布不均勻。枝干含高熔點組元多，枝間含低熔點組元多

18、。通常凝固含高熔點組元多，枝間含低熔點組元多。通常凝固速度越快，液體的對流擴散越不充分，速度越快，液體的對流擴散越不充分，k0值越小值越小（k01），則枝晶偏析越嚴重。），則枝晶偏析越嚴重。n 枝晶偏析的產生對鑄錠枝晶偏析的產生對鑄錠(件件)的性能是有害的，特的性能是有害的，特別使鑄件的韌性、塑性及抗蝕性下降。枝晶偏析可別使鑄件的韌性、塑性及抗蝕性下降。枝晶偏析可以通過擴散退火消除。以通過擴散退火消除。 29晶界偏析晶界偏析n 當合金以樹枝狀方式凝固，最終形成晶粒組織時，在當合金以樹枝狀方式凝固，最終形成晶粒組織時，在各晶粒之間的界面處是液體最后凝固的地方。對于各晶粒之間的界面處是液體最后凝固的地方。對于k01的合金，最后凝固的液體中溶質含量高。因此凝固結的合金，最后凝固的液體中溶質含量高。因此凝固結束后晶界處產生溶質富集，形成晶界偏析。束后晶界處產生溶質富集，形成晶界偏析。n 一種情