钢铁中各类碳化物详细介绍及形成条件.docx

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1、一、初晶碳化物1. 定义与形成铸铁初晶碳化物是在铸铁凝固初期形成的碳化物。当液态铸铁开始凝固时，在一定的成分和冷却条件下，首先析出的碳化物就是初晶碳化物。例如，在高铬铸铁中，由于铬含量较高，在凝固初期就会形成以铬为主要合金元素的初晶碳化物，如CrC。2. 形态与分布初晶碳化物的形态多样，常见的有块状、树枝状等。块状初晶碳化物颗粒相对较大，在基体中分布比较均匀；树枝状初晶碳化物则呈现出类似树枝的形状，它的存在会对铸铁的性能产生较大影响。其分布情况也因铸铁的成分和凝固条件而异，在某些情况下，初晶碳化物可能会在晶界处富集，这种分布可能会降低铸铁的韧性。3. 对性能的影响耐磨性：初晶碳化物硬度很高，能

2、显著提高铸铁的耐磨性。例如，在耐磨铸铁中，初晶碳化物就像一个个坚硬的“骨架”，可以抵抗磨粒的磨损，当磨粒与铸铁表面接触时，初晶碳化物能够有效地阻止磨粒的切入，从而延长铸铁的使用寿命。韧性和强度：如果初晶碳化物的形态和分布不合理，比如呈连续网状分布在晶界，会降低铸铁的韧性和强度。因为这种分布会成为裂纹扩展的通道，当铸铁受到外力作用时，裂纹容易沿着碳化物与基体的界面或者碳化物本身扩展，导致铸铁发生脆性断裂。但是，如果初晶碳化物是细小且均匀分布的块状，在一定程度上可以提高强度，并且对韧性的降低作用相对较小。热稳定性：初晶碳化物的存在还可以提高铸铁的热稳定性。在高温环境下，初晶碳化物能够保持其结构和硬

3、度，使得铸铁在高温工作条件下仍然具有较好的耐磨性能和力学性能。二、共晶碳化物共晶碳化物是冶金学中的一个名词。它指的是碳元素与一种不同化学物质或元素，在特定比例混合后，于比各自熔点还要低的温度下进行加热熔合，所形成的均匀混合物。在白口铸铁的共晶结晶过程中，当熔液温度过冷到 FeC 相图ecf共晶线以下时，会发生共晶反应，即碳化物（或渗碳体）+奥氏体共晶团的成核与生长，共晶团中的碳化物就被称为共晶碳化物。共晶碳化物的存在形式和分布情况会对白口铸铁的性能产生重要影响。例如，在一些高铬铸铁中，共晶碳化物的形态和分布会影响铸铁的耐磨性、韧性和强度等性能。如果共晶碳化物呈连续网状分布，可能会削弱基体的连续

4、性，导致铸铁脆性过大；而通过一定的处理工艺使共晶碳化物团球化，则有利于提高白口铸铁的韧性和耐磨性。各种具有莱氏体组织成分的钢种中也存在共晶碳化物，其在钢中的分布通常极不均匀。经过锻轧等压力加工后，莱氏体组织受到破坏，共晶碳化物会呈明显堆集的带状或鱼骨状分布。“共晶碳化物不均匀度”一直是考核莱氏体钢的冶金质量的重要指标，因为这种不均匀分布对莱氏体钢的工艺性能和使用性能有极大影响。在检验莱氏体钢共晶碳化物不均匀度时，通常是在淬回火状态下进行，但这样会消耗大量电力和时间，且试样易脱碳、氧化，制备也较困难。研究发现，采用特定的浸蚀剂（如5%-硝酸酒精溶液），在退火状态下也可对其直接加以浸蚀进行检验，且

5、检验结果与淬回火状态下基本一致。这种方法工艺简单、节约高效且检验结果准确可靠，可以在生产检验中推行。共晶碳化物的具体性质和影响因素会因铸铁或钢的成分、热处理工艺等不同而有所差异。对共晶碳化物的深入研究和有效控制，有助于优化材料的性能，满足不同的使用需求。1.莱氏体碳化物1. 定义与形成莱氏体碳化物主要存在于莱氏体钢和白口铸铁中。莱氏体是由奥氏体（或珠光体）和渗碳体组成的共晶组织。在凝固过程中，当液态合金冷却到共晶温度时，发生共晶反应，形成莱氏体，其中的碳化物成分即为莱氏体碳化物。例如，在高碳高合金钢中，由于碳和合金元素含量较高，容易形成莱氏体组织，其中的碳化物形态和分布受合金成分和冷却速度等因

6、素影响。2. 形态与分布莱氏体碳化物的形态多样，常见的有鱼骨状、带状和网状等。鱼骨状莱氏体碳化物呈现出类似鱼骨的形状，这种形态的碳化物在组织中比较粗大，会对材料的韧性产生较大影响。带状分布的碳化物是由于钢材在锻造或轧制过程中，组织沿加工方向变形而形成的，会导致材料在不同方向上性能差异较大。网状莱氏体碳化物通常分布在晶界周围，可能会使材料的脆性增加。3. 对性能的影响耐磨性：莱氏体碳化物硬度很高，能有效提高材料的耐磨性。在磨料磨损环境下，这些碳化物可以像坚硬的屏障一样，抵抗磨粒的切削和摩擦，延长材料的使用寿命。韧性和强度：其形态和分布对韧性和强度影响显著。如网状和鱼骨状碳化物会降低材料的韧性，因

7、为它们容易成为裂纹扩展的通道。当材料受到外力时，裂纹会沿着碳化物与基体的界面或者碳化物本身蔓延，导致材料脆性断裂。不过，如果能改善碳化物的形态，如使其球化或细化，在一定程度上可以提高材料的韧性和强度。热加工性能：莱氏体碳化物的存在会给材料的热加工带来困难。在锻造或轧制过程中，由于碳化物硬度高且形态复杂，容易导致加工时应力集中，出现裂纹等缺陷，所以需要严格控制加工温度和变形程度等参数来保证加工质量。2.鱼骨状碳化物1. 形态特征鱼骨状碳化物是一种比较典型的碳化物形态。它的形状类似鱼骨，中间有一条“主骨”，两侧有类似鱼刺的分支结构。这种形态的碳化物尺寸通常比较大，在金相显微镜下可以清晰地观察到其复

8、杂的形状。2. 形成原因鱼骨状碳化物的形成与合金的化学成分和凝固过程密切相关。在高碳高合金钢（如某些模具钢）中，当合金元素（如铬、钼等）和碳的含量达到一定比例，并且在凝固速度适中的情况下，容易形成这种特殊形态的碳化物。例如，在一些莱氏体钢的凝固过程中，由于合金元素的偏析和特定的结晶方式，导致碳化物以鱼骨状生长。3. 对性能的影响降低韧性：鱼骨状碳化物对材料韧性有较大的负面影响。由于其尺寸较大且形状复杂，很容易成为裂纹的发源地和扩展通道。当材料受到外力冲击或拉伸时，裂纹会沿着碳化物与基体的界面或者碳化物本身延伸，使材料发生脆性断裂，降低材料的韧性和抗冲击性能。影响耐磨性：在耐磨性方面，鱼骨状碳化

9、物有一定的积极作用。其硬度较高，可以在一定程度上抵抗磨粒磨损。然而，由于它会导致材料韧性降低，在承受冲击磨损的工况下，材料可能会因为韧性不足而发生剥落等失效形式，影响整体的耐磨性能。热加工困难：在热加工过程中，鱼骨状碳化物会带来诸多问题。因为其硬度高、形状不规则，在锻造、轧制等加工过程中容易造成应力集中。例如，在锻造时，应力集中可能会导致材料表面出现裂纹，增加加工难度，并且可能需要更复杂的加工工艺（如多次镦粗和拔长）来改善碳化物的分布和形态。3.葵花状碳化物1. 形态特征葵花状碳化物呈现出类似葵花的形状。从中心向外有类似花瓣的结构，是一种比较特殊的碳化物形态。在金相显微镜下观察，其“花瓣”分布

10、相对比较规则，且具有一定的对称性。2. 形成过程及条件葵花状碳化物的形成通常与特定的合金成分和凝固条件有关。在一些含有多种合金元素（如铬、钒等）的耐磨铸铁或合金钢中，当合金元素在凝固过程中发生复杂的相互作用，并且冷却速度适中时，可能会形成这种形态的碳化物。具体来说，合金元素的种类和含量会影响碳化物的成核与生长方式，合适的温度梯度和冷却速度为葵花状碳化物的形成提供了条件。3. 对材料性能的影响耐磨性：葵花状碳化物的硬度较高，能有效抵抗磨粒磨损。其特殊的形态使得在磨损过程中，磨粒不容易将其从基体上剥落，就像多个坚固的“盾牌”一样，增强了材料的耐磨性能。韧性：相比一些不规则且容易成为裂纹扩展通道的碳

11、化物形态（如鱼骨状碳化物），葵花状碳化物对韧性的负面影响相对较小。因为其相对规则的形态和分布，在材料受到外力时，不会像鱼骨状碳化物那样容易引发裂纹的快速扩展，一定程度上有利于保持材料的韧性。热加工性能：在热加工方面，葵花状碳化物的存在依然可能会给加工带来一定的难度。不过，由于其相对规则的形态，相较于其他复杂形态的碳化物，在适当的热加工工艺下，如合理的锻造温度和变形程度控制下，可能更容易使碳化物细化和均匀分布，从而改善材料的综合性能。4.菊花状碳化物1. 形态特点菊花状碳化物的形态类似菊花，有一个中心部分，然后从中心向外呈放射状分布着多个“花瓣”。这些“花瓣”形态较为规则，且相互之间有一定的间距

12、，整体形状比较均匀对称，在金相观察中很容易识别。2. 形成机制菊花状碳化物的形成受合金成分和凝固条件的双重影响。在特定的合金钢或耐磨铸铁中，合金元素（如铬、钼等）和碳在凝固时会相互作用。当合金元素达到一定比例，并且在合适的冷却速度下，碳化物开始成核生长。其成核位置通常在晶界或者某些微观缺陷处，然后沿着特定的结晶学方向生长，逐渐形成菊花状。例如，在一些高铬铸铁中，由于铬元素的存在和适当的凝固条件，促使碳化物以这种菊花状的形式生长。3. 性能影响耐磨性：菊花状碳化物硬度很高，是提高材料耐磨性的重要因素。在磨料磨损环境下，这些呈放射状的“花瓣”可以有效阻止磨粒的切入和切削，就像一个坚固的防护结构，保

13、护基体不受磨损。而且这种形态的碳化物在磨损过程中不容易被磨粒剥落，能够长时间保持良好的耐磨性能。韧性和强度：相比一些连续网状或者不规则形状的碳化物，菊花状碳化物对韧性和强度的负面影响较小。由于其相对规则的形态和分布，不会轻易成为裂纹扩展的通道。在材料受到拉伸或者冲击等外力作用时，能够在一定程度上保持材料的完整性，有利于提高材料的韧性和强度。热加工性能：在热加工过程中，菊花状碳化物的存在会使加工过程变得复杂。不过，由于其形态相对规则，通过适当的热加工工艺，如合理控制锻造温度和锻造比，可以对其进行一定程度的细化和均匀分布，从而改善材料的热加工性能，并且提高材料加工后的综合性能。三、共析碳化物1.

14、定义与形成共析碳化物是在共析转变过程中形成的。在铁碳合金中，当合金冷却到共析温度（727）时，奥氏体发生共析反应（ - Fe - Fe + FeC），生成珠光体，其中的渗碳体（FeC）就是共析碳化物。它是铁素体和渗碳体片层相间的组织，这个过程是固态相变。2. 形态与分布共析碳化物（渗碳体）在珠光体组织中呈片层状分布。在光学显微镜下，可以看到黑色的片层（渗碳体）和白色的铁素体交替排列。其片层间距会因冷却速度等因素而变化。冷却速度越快，片层间距越小，材料的强度和硬度越高。3. 对性能的影响强度和硬度：共析碳化物能够提高材料的强度和硬度。渗碳体本身硬度很高，片层状的分布在铁素体基体中，阻碍了位错的运

15、动，使材料难以发生塑性变形，从而增加了材料的强度和硬度。韧性和塑性：由于共析碳化物（渗碳体）的存在，材料的韧性和塑性会受到一定程度的影响。片层状的渗碳体限制了铁素体的塑性变形，当材料受到外力作用时，容易在渗碳体与铁素体的界面处产生应力集中，导致材料的韧性和塑性下降。不过，通过细化片层间距等方法可以在一定程度上改善韧性。耐磨性：在耐磨性能方面，共析碳化物起到了积极的作用。其硬度高，在受到磨粒磨损时，能够抵抗磨粒的切削，并且片层状的结构也有助于分散磨粒的作用力，提高材料的耐磨性能。四、二次碳化物1. 定义与形成二次碳化物是指从奥氏体中单独析出的碳化物。在钢或铸铁的热处理过程中，当加热温度较高，使得

16、合金元素和碳充分溶解在奥氏体中，随后在冷却过程中，由于奥氏体的稳定性发生变化或者成分过饱和，碳化物就会以二次碳化物的形式析出。例如，在一些高合金钢的回火过程中，随着回火温度的升高，奥氏体中的碳和合金元素会以碳化物的形式在晶界或者晶内析出，这些就是二次碳化物。2. 形态与分布二次碳化物的形态多样，常见的有粒状、球状和细小片状。其分布也因材料和工艺的不同而不同，一般分布在奥氏体晶界或者晶内。粒状和球状二次碳化物分布相对均匀，而片状二次碳化物可能会在一定程度上影响材料的性能。3. 对性能的影响硬度和强度：二次碳化物的析出会改变材料的硬度和强度。当以细小颗粒状或球状析出时，会产生弥散强化的效果，提高材

17、料的强度和硬度。因为这些细小的碳化物颗粒可以阻碍位错的运动，使材料更难发生塑性变形。韧性和塑性：对于韧性和塑性而言，适当的二次碳化物析出可以改善材料的韧性。例如，球状二次碳化物可以降低应力集中，减少材料在受力时裂纹的产生和扩展，从而提高韧性。但是，如果二次碳化物呈连续的片状分布在晶界，可能会降低材料的韧性和塑性，因为它容易成为裂纹扩展的通道。耐磨性：在耐磨性能方面，二次碳化物起到了重要的作用。由于其硬度较高，能够有效抵抗磨粒磨损。特别是当二次碳化物呈细小颗粒状分布时，在磨损过程中可以像微小的硬质点一样，阻止磨粒的切入，提高材料的耐磨性。五、三次碳化物1. 定义与形成三次碳化物是在回火过程中，从

18、马氏体或贝氏体等组织中，在较低温度下析出的碳化物。当淬火后的钢在低温回火（一般低于300）时，由于马氏体是碳在 - Fe中的过饱和固溶体，处于不稳定状态，随着回火时间的延长，碳会以碳化物的形式析出，这些碳化物即为三次碳化物。它的析出是为了降低马氏体的过饱和程度，使组织趋于稳定。2. 形态与分布三次碳化物通常呈细小的点状或片状分布在基体组织中。这种细小的形态是因为它是在较低温度下缓慢析出的，受基体组织的约束，没有足够的能量形成较大的颗粒或块状。它们主要分布在马氏体片或贝氏体板条内部，以及它们的边界处。3. 对性能的影响硬度和强度：三次碳化物的析出对硬度和强度有一定的影响。在析出初期，由于碳化物的弥散强化作用，会使材料的硬度和强度略有增加。但随着回火温度的升高和时间的延长，碳化物会逐渐长大，导致弥散强化效果减弱，硬度和强度可能会下降。韧性和塑性：三次碳化物对韧性和塑性的改善有积极作用。细小的碳化物可以钉扎位错，阻碍裂纹的产生和扩展，从而提高材料的韧性和塑性。特别是在一些需要兼具一定强度和韧性的应用场景中，适当的三次碳化物析出能够优化材料的性能。耐磨性：在耐磨性方面，三次碳化物也有贡献。其细小的分布状态使得材料在面对磨粒磨损时，能够提供一定的抵抗能力。这些碳化物可以阻止磨粒的切入和切削，提高材料的耐磨性能，尤其是在轻微磨损的工况下。