金属材料基础知识(二)

44.什么叫包晶反应?铁一碳平衡图的左角上部分(图6-3)可知，碳在αFe和δFe中的固溶体分别叫α铁素体和δ铁素体，碳在γFe中的固溶体叫奥氏体。图6-3铁一碳平衡图碳在δFe中的最大溶解度为0.09％或0.10％(图中H点，)在1495℃时发生包晶反应，有δFe(C=0.10％)、γFe(C=0.17％或0.18％，图中J点)和液相(C=0.53％或0.51％，图中B点)三相共存。δFe(固体)+L(液体)→γFe(固体)也就是说碳为0.10%～0.53％的铁碳合金都有包晶反应的发生。它的凝固过程是：当钢水浇到模子里，当模壁附近液体温度降到液相线温度(TL)时，图6-4，从液体中结晶出的固体为δFe并以枝晶形式长大。当液体温度低于1495℃时，发生包晶反应δFe+L→γFe，也就是围绕δFe枝晶形成γFe包层，构成了δFe+γFe+液体三个相界面。温度继续降低，γ相的长大是由碳原子通过相界面扩散，使δ相和液体消耗殆尽，全部变成γ相(奥氏体)为止。图6-4包晶反应凝固模式碳和溶质元素在δFe中扩散速度较大，δFe的枝晶较细，所以δ相中偏析小。大多数合金包晶反应进行得不完全，引起严重的显微偏析。为了消除显微偏析，应在略低于包晶反应线(或固相线)进行高温扩散退火。钢凝固过程中发生包晶反应，伴随这一转变而出现较大的体积变化和线收缩，是钢锭和连铸坯产生热裂纹的原因。45.铁的晶体结构有哪几种形态?铁在不同温度范围有不同的晶体结构。在室温铁有体心立方点阵，称为α铁(αFe)。当温度升高到912℃，α铁转变为具有面心立方点阵，称为γ铁(γFe)。当温度继续升高到1394℃，γ铁转变为体心立方点阵，称为δ铁(δFe)。δFe一直保持到铁熔点(1538℃)变为液体。铁基固溶体金属铁具有两种同素异形晶体结构，即α(δ)铁和γ铁。α(δ)铁具有体心立方点阵，存在于912℃以下(称为α铁)和1400℃以上(称为δ铁)温度范围。γ铁存在于这两个温度范围之间，具有面心立方点阵。各种合金元素在α(δ)铁和γ铁中具有不同的溶解度，因而影响到δ—γ或γ一α转变的温度和α(δ)铁和γ铁基固溶体的稳定温度和浓度范围。46.为什么C=0.12～0.17％时钢对裂纹敏感性最强?大量的生产统计指出，当钢中C=0.12～0.17％时连铸坯纵裂最严重。拉速越高，纵裂趋向加重，为什么C=0.12～0.17％时铸坯纵裂变得严重呢?其原因是：(1)δFe→γFe转变线收缩量。由Fe—C相图可知，C0.12％时进入包晶反应区，即有δFe+液体→γFe的转变，当C=0.12～0.17％，结晶区弯月面形成的初生坯壳δFe，在固相线温度以下25℃时发生δFe→γFe转变，线收缩系数为9.8×10-5/℃，而C0.1％时，δFe线收缩约为～2×10-5/℃。也就是发生δFe→γFe转变时，线收缩量增加3.8%。(2)线收缩量大，使坯壳与铜壁过早脱离形成气隙，导出热流最小，坯壳最薄。结晶器热流测试指出，C0.10%,热流为37Cal/cm2·s；C=0.12％,热流为32Cal/cm2·S；C=0.2％，热流为39Cal/cm2·s。(3)凝固收缩和钢水静压力不均衡作用，使薄的坯壳表面粗糙、折皱,严重时形成凹陷。凹陷部位冷却和凝固比其他部位慢，组织粗化，在热应力和钢水鼓胀力作用下，在凹陷处造成应力集中而产生裂纹。在二次冷却区继续扩展。坯壳表面凹陷越深，纵裂纹出现的几率就越大。47.什么叫钢的高温延性曲线?生产实践表明：连铸坯的表面和内部裂纹可以在连铸机不同区域里产生。裂纹形状各异，产生原因也极其复杂，受设备、工艺等多种因素的影响。铸坯在连铸机内运行过程中，坯壳受多种外力(摩擦力、鼓胀力、热应力、机械力等)的作用是产生裂纹的外因。而内因是钢在600～1400℃力学行为。只有充分认识凝固壳的力学行为，在设备和工艺上采取正确的对策，才是防止铸坯产生裂纹的有效办法。由热模拟试验机(如Gleeble-1500)测定低碳钢的高温延性如图6-5所示。图中纵座标以断面收缩率表示钢延性大小。由图可知：图6-5钢的高温脆性曲线1)高温区(由熔点至固相线温度以下50℃)。在此区，钢的高温强度和塑性都很低(延伸率0.2～0.4%，强度1～3N/mm2)，极易在固液交界而产生裂纹，这是产生裂纹的根本原因。2)中温区(1300～900℃)。在此区，钢处于奥氏体单相区，钢的延性最高。如有裂纹产生，则是由奥氏体晶界析出硫化物之故。3)低温区(900～700℃)。在此区，钢的延性达到最低点，有一个明显“脆性口袋区”。这是因为发生γ→α相变以及晶界上有质点(AlN)沉淀，增加了钢的脆性，加剧了裂纹的形成和矿展。对每一个钢种都有一条相应的高温延性曲线，900～700℃是钢延性最低的“口袋区”，也就是裂纹敏感区。因此连铸坯矫直时，铸坯表面温度应大于900℃，避开这个“脆性口袋区”。否则就会使表面横裂纹加重。因此应实测所浇注钢号的高温延性曲线，二次冷却区水量分布应使铸坯表面温度分布与所浇钢号高温延性相一致，保证铸坯进矫直区的表面温度避开“脆性口袋区”，防止裂纹的产生。50.钢中微量元素对连铸坯质量有何影响?所谓钢中微量元素分为两类：一类为有意加入的元素，如为改善机械切削性能加入S、Pb、Se、Te，为抗腐蚀加Cu等。另一类不是有意加入而是由炼钢炉料和浇注过程带入的元素，如来自炉料的元素有Cu、As、Sb、Zn、Sn、S、P，来自结晶器的Cu，来自保护渣的S等。对于炉料带入的这些微量元素，对用高废钢的电炉冶炼是一个实际问题，在冶炼过程去除这些元素是很困难的，残留在钢中对质量的影响是：(1)结晶器裂纹：结晶器弯月面铜板由于热疲劳的原因常常出现网状裂纹。如果保护渣中的硫和钢中的锌渗入铜板会形成深的裂纹而报废。(2)铸坯表面裂纹：由于铸坯表面铁的氧化而使Cu、Sn、Sb等元素富集，形成细小表面晶间裂纹。一般对钢筋钢无多大影响，而对特殊钢就会带来危害。铸坯表面Ni的富集，可以抵销Cu的有害作用，因为Cu—Ni形成晶间化合物熔点较高。(3)铸坯内部裂纹和偏析加重。微量元素S、P偏析是输送酸性气体的高强度管线钢产生裂纹的根源。因此要求把钢中硫降低到5ppm，磷降到25ppm，以满足所要求性能。只有采用精选炉料或炉料搭配使用(如采用海绵铁)，以减少炉料带入的微量元素。提高钢质量。51.脱氧方式对连铸坯质量有何影响?脱氧方式会影响钢中夹杂物类型、钢水流动性和钢的清洁度，因此选择脱氧方式是非常重要的。一般的钢常用Si、Mn脱氧较好，这些脱氧剂一般形成可变形的球形硅酸盐夹杂物，这种夹杂物能上浮排除且不影响钢水可浇性。用铝脱氧会形成高熔点(2050℃)成串簇状不变形的Al203夹杂，这种夹杂物会影响钢水的可浇性，还会沉积在中间包水口壁上造成水口堵塞，影响浇注正常进行。采用Si-Ca脱氧，脱氧效果、夹杂物形态和钢水的可浇性都较好，但价格较贵，加入时产生烟雾，污染工作环境。