铁的杂交史.docx
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铁的杂交史
合金钢介绍
铁碳合金
一、纯铁的性质
铁(Fe),原子序数26,是一种重要的过渡金属元素。
纯铁是光亮的银白色金属,密度7.86g/cm3,熔点1535℃,沸点2750℃。
纯铁的抗蚀力相当强。
但通常的铁都含有碳和其它元素,因而抗蚀力也减弱。
含有杂质的铁在潮湿空气中容易生锈。
铁有延展性和导热性。
也能导电。
但导电性比铜、铝都差。
铁能被磁体吸引,在磁场作用下,铁自身也能产生磁性。
冷的浓硝酸或冷的浓硫酸能使铁钝化。
但铁能溶于稀酸。
加热时能同卤素、硫、磷、硅、碳等非金属反应,但同氮不能直接化合。
氮化铁须在氨气中加热生成。
重要矿石有赤铁矿(Fe2O3)、褐铁矿(Fe2O3·nH2O)、磁铁矿(Fe3O4)和菱铁矿(FeCO3)等。
纯铁可由氢气还原纯氧化铁而得,还原铁粉可用于粉末冶金。
二、炼铁与炼钢
1.炼铁
炼铁是将铁矿砂在熔炉(高炉)中提炼成铁的过程。
炼铁时,自高炉上方将铁矿砂、焦炭、石灰石等交互投入,热风炉加热过的空气由高炉下部风口吹入,炉内焦炭燃烧生成1500℃高温,产生一氧化碳(CO)炉气自炉中上升,一氧化碳把铁矿砂还原;铁水自炉下方出口流出,暂贮并运到炼钢工场,浇铸成铁锭(图3.1)。
图3.1高炉构造及炼铁时的炉内反应
A.炉喉;B.炉身;C.炉腰;D.炉腹;E.炉缸
1.大料钟;2.小料钟;3.煤气导出管;4.料车;5.斜桥;6.热风围管;7.风口;8.出铁口;9.出渣口
2.炼钢
由于生铁中含碳量很高,炼钢时需要根据要求把生铁中的含碳量去除到规定范围(降碳),并使其它元素的含量减少或增加到规定范围(去硫磷、调硅锰含量)。
炼钢基本上是一个氧化过程,是用不同来源的氧(如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧)来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。
炼钢常用平炉、转炉和电炉。
图3.2是现代平炉炼钢过程的示意图。
图3.2平炉结构图
由铁的冶炼过程可知,实际应用钢铁都含有碳,所以它们都是铁碳合金。
实际使用的钢铁材料,含碳量都不超过5%,因为含碳量超过5%的铁碳合金,性能太脆,没有实用价值。
三、铁-碳合金的基本相和基本组织
与钛相似,纯铁也存在固态相变——同素异构转变。
纯铁在从熔点到常温的冷却过程中经历如下晶体结构的变化:
δFe(体心立方)→γFe(面心立方)→αFe(体心立方)
在铁碳合金中碳的不同存在方式会形成不同的相:
1.C溶于不同的Fe晶格中形成固溶体:
⏹溶于δFe中形成δ相固溶体,只在高温下存在,实际意义不大;
⏹溶于γFe中形成γ相固溶体,最大溶碳量为2.11%;
⏹溶于αFe中形成α相固溶体,溶碳量很少。
2.不能溶于固溶体的碳以铁-碳化合物的形式存在:
常用铁合金中的铁-碳化合物是渗碳体:
Fe3C。
所以,铁碳合金的常温组织是由γ相固溶体、α相固溶体和渗碳体(Fe3C)三种相构成的。
这些基本相以不同的比例和形式构成不同的基本组织:
1.铁素体(F)组织
由α相固溶体构成的单相组织。
其机械性能与纯铁很接近,强度、硬度低而塑性、韧性好。
2.奥氏体(A)组织
由γ相固溶体构成的单相组织。
属于高温组织。
塑性好,但强度不高。
对铁合金进行锻造等压力加工时经常需要将其加热,转化为单一奥氏体组织,以获得较好的塑性,减小变形抗力,改善工艺性能。
3.渗碳体(Fe3C)组织
由Fe3C这种金属间化合物构成的单相组织。
Fe3C具有复杂的结构,机械性能特点是硬而脆。
包含较多渗碳体组织的铁合金通常具有较高的强度和硬度。
4.珠光体(P)
由α相固溶体与渗碳体通过机械混合形成的双相组织。
珠光体具有铁素体与渗碳体的综合机械性能,即硬度和强度较高,同时具有一定的塑性和韧性。
5.莱氏体(Le)
由γ相固溶体与渗碳体形成的共晶体,仅存在于铸铁中。
化学成分不同、热处理工艺不同的铁-碳合金的组织构成有很大区别,进而导致机械性能区别十分显著。
四、铁碳合金的状态图
状态图是描述铁-碳合金在平衡状态下,组织随温度和成分的变化的图形。
图3.3铁碳合金状态图
铁碳合金的状态图中按含碳量的大小可分为三个部分:
最左端,含碳量<0.02%的是工业纯铁;含碳量在0.02~2.11%的是碳钢;含碳量>2.11%的是铸铁。
其中碳钢还可分为:
●共析钢:
wC=0.77%,常温组织为珠光体;
●亚共析钢:
wC在0.02%~0.77%之间,常温组织为铁素体+珠光体;
●过共析钢:
wC在0.77%~2.11%之间,常温组织为珠光体+渗碳体。
铸铁可分为:
●共晶白口铁:
wC=4.3%;
●亚共晶白口铁:
wC在2.11%~4.3%之间;
●过共晶白口铁:
wC在4.3%~6.69%之间。
五、杂质元素对钢性能的影响
1.硅与锰
这两种元素是在炼钢时加入硅铁和锰铁脱氧而残留在钢中的。
作为杂质存在时,硅的含量约为0.17~0.37%;锰的含量约为0.5~0.8%,超过以上含量时,就作为有意加入的合金元素了。
硅和锰都能有限溶解于铁素体中,起固溶强化作用,使钢的硬度、强度增加。
2.硫与磷
硫是在炼钢时无法除尽的有害杂质。
硫与铁可以形成FeS化合物,通常分布在晶界上,与铁形成低熔点共晶体(985℃)。
钢在锻造或轧制时要加热到1200℃,这时晶界上的低熔点共晶体会发生熔化,导致钢材在热压加工过程中发生开裂。
这种高温开裂成为“热脆性”。
因此钢中的含硫量要严格控制。
普通钢中的含硫量不能超过0.055%。
锰与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大。
钢中含有硫时,硫先与锰形成MnS化合物。
MnS熔点高(1600℃),在高温下还有一定塑性,可以消除钢的热脆性。
磷也是无法除尽的有害杂质。
磷可以溶于铁素体中,使钢的强度和硬度增加,但剧烈地降低钢的塑性和韧性。
特别在低温时,由于磷的作用,使钢的性能变脆,这种现象叫做钢的“冷脆性”。
磷在钢中的含量也要严格控制,普通钢中的磷含量不超过0.055%。
六、碳钢的分类
按用途分:
●碳素结构钢:
主要用于制造受力的工程构件(船舶、桥梁、建筑构建等)和机械零件(齿轮、螺钉、轴、连杆等);
●碳素工具钢:
主要用于制造硬度高的刃具、量具和模具等。
按含碳量分:
●低碳钢:
wC<=0.25%;
●中碳钢:
wC在0.25~0.6%之间;
●高碳钢:
wC>=0.6%。
按钢的质量分:
●普通碳素钢
●优质碳素钢
●高级优质碳素钢
七、钢的热处理
状态图中的组织都是平衡状态下的组织,往往不能满足机械零件在使用过程的要求。
为了满足工业应用对于零件的各种性能要求,采取的主要措施之一,就是对金属材料进行热处理。
热处理:
在固态下,将金属或合金以一定的加热速度,加热到预定的温度,保温一定的时间,然后以预定的冷却速度进行冷却的工艺方法。
加热是热处理的第一步,目的是为了获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织,为冷却转变做好准备。
冷却时,依冷却速度不同,可分为不同的热处理工艺,冷却后得到的常温组织和钢的性能也不同。
1.退火
缓慢冷却(一般为随炉冷却),得到珠光体型组织的热处理工艺。
由于组织在加热和冷却时重新发生转变,退火可以得到如下目的:
⏹改善钢的组织,得到细小的晶粒;
⏹降低硬度,提高塑性,改善冷压和切削等工艺性;
⏹改善组织,消除应力。
2.正火
空冷,冷却速度稍快。
正火组织比退火组织具有较高的强度和硬度。
正火的主要作用是:
⏹均匀、细化组织;
⏹可以消除某些异常组织,如过共析钢中的网状渗碳体、亚共析钢铸件中的针状铁素体;
⏹改善低碳钢的切削加工性;
⏹对于一般的结构零件,可以作为最终热处理,得到一定强度与较好韧性相结合的机械性能。
3.淬火和回火
高温奥氏体化后,以很快的速度冷却,使奥氏体转变为马氏体(过饱和固溶体),提高了硬度和耐磨性。
回火是将淬火后的钢加热到临界温度下某一温度,保温后以一定冷却速度(空冷或更快的冷却速度)冷却到室温的工艺操作。
回火是淬火后必不可少的后继工序。
通过回火,可以:
⏹获得所需要的机械性能;
⏹稳定组织,稳定尺寸;
⏹消除淬火应力。
改变热处理中的工艺参数,可以使合金获得不同的组织和性能,以满足生产要求。
金属或合金经过热处理,可以挖掘材料潜力,提高产品质量,延长使用寿命。
有些零件表面要求高的硬度和耐磨性,心部要求一定的强度和韧性,可通过表面热处理获得这种综合性能。
常用的表面热处理工艺是表面淬火。
表面淬火是将零件的表面迅速加热到临界温度以上,转变成奥氏体,随即进行淬火冷却,使表面组织成为马氏体,再进行低温回火,保持高硬度、高耐磨性;而心部仍保持原始组织和原有性能。
最常用的表面淬火方法是高频感应加热淬火。
除采用表面淬火外,还可进行化学热处理,即将工件在特定的介质中加热到一定温度并保温,使表面化学成分发生变化,从而改变金属表面组织与性能。
通过化学热处理可提高表面硬度、耐磨性、抗疲劳性能,还可以提高耐蚀性和耐热性。
最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗等。
此外,按渗入元素不同,还有渗铝、渗铬、渗硼和渗硅等等。
合金钢
碳钢虽然价格便宜,也有一定机械性能,但综合机械性能不高,淬透性很小,不具备某些特殊性能(抗蚀、耐热等)。
航空产品当中的钢多为合金钢。
合金钢,是为了获得所需要的组织和性能而加入合金元素的钢。
对钢进行合金化的目的是为了提高机械性能、提高淬透性,使钢获得某些特殊性能(耐蚀、耐高温等)。
一、铁的合金化
加入的合金元素与碳类似,可以溶于铁素体,或溶于渗碳体,或者与碳形成碳化物。
按能否与碳形成碳化物,可将合金元素分为:
1.非碳化物形成元素
只溶于铁素体,不形成碳化物。
镍、硅、铝、钴、铜等。
起固溶强化作用。
合金铁素体的硬度随合金元素含量增加而增高。
合金元素过多,会导致铁素体韧性下降。
2.碳化物形成元素
能形成碳化物,也能溶于铁素体。
锰、铬、钨、钼、钒、钛、铌等,合金碳化物的硬度高,提高耐磨性;加热时合金碳化物不熔于奥氏体,阻止奥氏体晶粒长大,使奥氏体保持细小的晶粒。
二、合金钢的分类和编号
按用途分:
●结构钢:
制造零件;
●工具钢;
●特殊钢:
制造有特殊要求的零件,不锈钢,耐热钢。
按化学成分分:
●低合金钢:
合金元素总含量小于5%;
●中合金钢:
合金元素总含量在5%~10%之间;
●高合金钢:
合金元素总含量大于10%。
合金钢的编号以含碳量+合金元素及其含量表示:
●钢号前2位数字表示平均含碳量(单位为0.01%);
●所含合金元素用化学符号或汉字表示,其后的数字为合金元素的平均含量(单位为1%);
●当合金元素含量低于1.5%,或含量小于1%但作用较大时,元素符号后的数字略去;
●元素平均含量大于等于1.5%但小于2%时,则标2,依此类推;
●高级优质钢,钢号末加“A”。
如30CrMnSiNi2A表示:
平均含碳量0.3%,Cr、Mn、Si含量均小于1.5%,Ni的含量大于1.5%,是高级优质结构钢。
三、合金结构钢
1.渗碳钢
●性能要求:
航空产品中一些齿轮,活塞销和凸轮等,在工作中受很大的交变应力和冲击负荷,同时还承受强烈的磨损。
零件不但有较高的强度、韧性和疲劳强度,表面必须具有高的硬度和耐磨性。
选用合金钢进行渗碳,再经适当的热处理,可以满足这些要求。
●成分特点:
为使心部具有较高的韧性,应具有较低的含碳量,一般在0.15~0.25%之间。
加入铬、镍、锰、硼等元素强化合金,提高淬透性,使大尺寸的零件中心具有满意的机械性能。
加入钨、钼、钒、钛等元素,细化晶粒,提高韧性和强度。
渗碳处理后,表面的合金元素可以形成合金渗碳体或合金碳化物,从而提高耐磨性。
●热处理特点:
渗碳后,最终热处理是淬火和低温回火,在零件表面得到高碳回火马氏体加细小的碳化物,具有很高的硬度。
2.调质钢
●性能要求:
飞机发动机,或机身结构一些重要的结构件,如起落架、涡轮轴和油泵的转动轴等,工作时受到很大应力,往往受强烈震动等交变载荷,零件形状又很复杂,容易造成应力集中。
因此,在具有高强度的同时,还应具有良好的韧性和塑性。
●成分特点:
含碳量中等,一般在0.25~0.5%之间。
加入铬、镍、锰、硅等强化铁素体并提高淬透性;钨、钼、铬、硅可明显提高回火抗力;钒、钛可细化晶粒,增加强韧性。
●热处理特点:
淬火+高温回火,调质处理,使钢具有最佳的综合性能。
3.弹簧钢
●性能要求:
必须具有高的弹性极限,以便能承受较大载荷,而不产生塑性变形;弹簧所受载荷一般是交变的,破坏的主因是疲劳,所以弹簧钢必须具有较高的疲劳强度。
所以弹簧钢的屈服强度和抗拉强度都应较高。
●成分特点:
含碳量一般在0.5~0.85%之间。
含碳量过低,达不到高的屈服强度要求,含碳量过高不仅屈服强度不高,脆性太大。
加入的合金元素有硅、锰、铬等,少量的钒可以细化晶粒。
●热处理特点:
冷拉硬化+绕制后去应力退火:
直径小于7mm的弹簧,一般用冷拉弹簧钢丝绕制而成。
淬火加中温回火:
直径较大或厚度较大的弹簧。
●成分特点:
含碳量中等,并含铬、锰、硅、镍、钼、钒等合金元素。
●热处理特点:
淬火+低温回火,获得马氏体强化,达到超高强度。
●制造使用中应注意的问题:
缺口应力集中敏感,容易导致裂纹萌生并迅速扩展造成脆断。
制造装配中应避免敲打和表面划伤;避免在酸性介质中表面处理,防止氢脆。
●常用的超高强度钢有30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoV等。
四、不锈钢
在解释不锈钢之所以具有很强的抗腐蚀能力前,先介绍一下金属的腐蚀及抗腐蚀途径。
具体有:
●获得单相组织:
单相组织中不存在相间电化学性质差异较大的问题,不容易形成腐蚀微电池,所以耐蚀性好;
●提高基体电位:
如果合金组织为多相构成,一般地,沉淀相的电位都高于基体。
在腐蚀微电池中,电位低的基体就会发生阳极溶解——即被腐蚀。
如果能够提高基体电位,就能减小沉淀相与基体的电位差——即腐蚀电池的电动势,就可改善合金的耐蚀性能;
●获得钝化膜:
有意在钢中加入某些元素,能在钢表面形成薄而致密的钝化膜,起到隔绝电解质的作用,也可达到提高抗蚀能力的目的。
不锈钢是合金钢中的一种。
不锈钢中都添加了含量很高的铬(Cr)。
铬在不锈钢中的作用如下:
●铬溶于钢的基体,溶解量超过一定值时,可以显著提高基体电位;
●铬还可以在钢表面形成结构致密的氧化铬钝化膜,提高钢材的抗蚀性。
除含铬量高之外,不锈钢的另一个成分特点是含碳量低,一般情况下,含碳量在0.1~0.4%之间。
因为如果含碳量高,会生成过多的碳化铬(Cr23C6),这些碳化物与基体之间构成的微电池增多。
而且碳化铬析出会使溶解在基体中的铬量下降,使不锈钢抗蚀能力下降。
因此,增高含碳量来提高硬度和耐磨性的情况下,要相应增加铬含量。
常用的不锈钢有马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢两种。
1.马氏体不锈钢
航空工业中常用的马氏体不锈钢有Cr13型和Cr18型。
除耐蚀性好之外,还可通过淬火形成马氏体组织,用于要求一定强度、硬度和韧性相配合的耐蚀结构件,如轴、齿轮和螺栓等;用于350℃以下工作的不锈弹性零件以及用于高硬度和高耐磨性的零件,如轴、轴承和不锈工具等。
2.奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢中由于添加了镍(Ni)元素,可使奥氏体组织在常温下稳定存在。
由于奥氏体不锈钢是单相奥氏体组织,因此奥氏体不锈钢具有比马氏体不锈钢更高的抗蚀性、更好的塑性、加工成形性和焊接性,而且具有更高的使用温度,但力学性能不及马氏体不锈钢。
奥氏体不锈钢在600℃左右工作(或焊接时焊接区在超过一定温度下加热),在奥氏体晶界出会析出碳化物Cr23C6,消耗附近基体中的含铬量,造成晶界附近的贫铬区,这一现象称作“敏化”。
当晶界贫铬区的铬含量低于11%时,电位明显下降,容易发生腐蚀,造成晶间腐蚀。
可采取一些措施可防止奥氏体不锈钢发生“敏化”和晶间腐蚀。
如降低含碳量,减少形成铬的碳化物的趋势;或加入强碳化物形成元素钛、铌(这些元素在应用于奥氏体不锈钢,防止敏化时称为稳定化元素),使碳优先与之形成碳化物,避免形成铬的碳化物。
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