金属工艺学第五版cp2.ppt

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1、第二章 铁碳合金,什么是铁碳合金？ 以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于 95%。 学习内容 1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 2.铁碳合金的基本组织 3.铁碳合金状态图 4.工业用钢,第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,【重点内容】 1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素。 2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及细化晶粒的办法。 3.纯铁的晶体结构。 4.纯铁同素异晶转变。 12min35s的录像（金属的晶体结构、结晶过程、细化晶粒的方法、同素异晶转变等结晶和固态转变的基本理论）,一、金属的结晶,什么是金属的结晶？ 液态金属冷却凝固转变为固态晶体的过程

2、 结晶的过程可用（温度时间的曲线）冷却曲线来表示。 水结晶成冰的实验，可以看出晶体结晶存在“过冷”现象。 过冷度 过冷度的大小与冷却速度的关系,纯金属的冷却曲线,结晶过程,结晶过程：形核+长大,晶粒大小及控制,晶粒每个晶核长成的晶体称为晶粒。 晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。 影响晶粒大小的因素有哪些？ 形核率N (晶核数/scm3) 长大速度G (cm/s) 晶粒大小的控制 （1）增大过冷度 ；（2）变质处理；（3）振动,1）过冷度的影响,冷却速度愈大，过冷度愈大。 实线部分，随着T的增大，形核率和长大速度都大，

3、且N的增加比G增加的快，晶粒愈细。,2）变质处理,在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。,（3）振动,对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。,二、 纯铁的晶体结构,晶体中原子在空间的排列 ，可用晶格来表示。 晶格中一个最基本的几何单元叫晶胞。 根据对晶胞的分析，最常见的晶格类型有体心立方晶格 、面心立方晶 格、密排六方晶格 。,纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。,纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。,三

4、、 纯铁同素异晶转变,液态铁缓慢冷却到熔点左右经过第一次结晶后，到室温的过程中，晶格类型将发生改变。这种随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象，称为同素异晶转变。 -Fe 转变为-Fe 时，金属的体积将膨胀还是收缩？,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,第二节 铁碳合金的基本组织,基本概念：合金、组元、相、组织 将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，通常是指组成该合金的元素或某些化合物，根据合金组元数目的多少，把合金分为二元合金、三元合金和多元合金。如：铁碳合金就是由铁和碳二组元组成的二元合金。,相是指在合

5、金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。 在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形貌、图象称为组织，合金又可分为不同的组织。 铁碳合金的基本组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。,一、固溶体,某些合金的组元在固态时，具有一定的互相溶解能力。 溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称固溶体。 在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）溶剂，其余的组元（元素）溶质 根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。,间隙固溶体和置换固溶体,铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体,1、铁素体（F） Fer

6、rous 铁素体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。 由于-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727）所以是几乎不含碳的纯铁。 具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却较低。它在770以下具有磁性。 性能： b =180230MPa HB=5080 =3050% =7080% ak=156196Jcm-2,显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。,2、奥氏体（A） Austenite 奥氏体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。 -Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148）。 由于-Fe一般存在于7271394之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。 性能：

7、 =4050%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。,显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织。,“固溶强化”,通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。 固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大的缘故。因此固溶强化是材料的一种主要的强化途径。,固溶体的性能,当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。 随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变。其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑

8、性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。,二、金属化合物,合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质，称为金属化合物。 金属化合物性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物后，其强度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性和韧性则降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。 铁碳合金中的渗碳体属金属化合物。,渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。 含碳量为6.69%。 性能：HBW=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。 显微镜下观察，渗碳体(Fe3C)呈银白色光泽。 渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。,渗碳体 Fe3C,三、机械混合物,它是两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物

9、质。 混合物各相保持其原有晶格。 混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。,1. 珠光体（P） Perlite 珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。 性能：b =750MPa HB=160180 较高 =2025% =3040% 适中,显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因得名。这是T8钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳体）。,2. 莱氏体Ld Ledeburite 由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物。 奥氏体在727时将转变为珠光体，所以

10、在室温下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld/表示。高温莱氏体仅存于727以上。 莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。,这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。,第三节 铁碳合金状态图,【基本要求】： 1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的含义。 2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利用状态图对典型合金的结晶过程进行分析。 3. 掌握碳钢的牌号及用途；,什么是铁碳合金相图？,铁碳合金状态图是研究在平衡条件下，铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它以温度为纵坐标、

11、合金成分（ Fe3C或含碳量）为横坐标的图形。它是说明合金成分、温度和组织三者关系的图形。,简化图,一、铁碳合金状态图的建立,合金状态图是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图。,二 、铁碳合金状态图的分析,1. 组元和相 （1）组元： 铁石墨相图：Fe,C; 铁渗碳体相图： Fe，Fe3C。 （2）相： L,A(),F(),Fe3C(K)。,2特性点：,3特性线：, ACD线液相线 AECF线固相线 ECF线共晶反应线 GS

12、线（A3)铁素体从A中析出开始线 ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线 PSK线共析反应线 PQ线C在F中的溶解度曲线，冷却至此线有Fe3C析出,四个单相区 (1)ACD线以上的液相区（L） (2)AESGA线围着的单一奥氏体相区（A，） (3)GPQG线围着的单一铁素体相区（F，） (4)DFK垂线代表的单一渗碳体相区（Fe3C）,4. 区域,五个双相区 ACEA线围着的液相与奥氏体相区（L+A） CDFC线围着的液相与渗碳体相区（L+Fe3C） GSPG线围着的奥氏体与铁素体相区（A+F） EFKSE线围着的奥氏体与渗碳体相区（A+Fe3C） QPSK以下为铁素体与渗碳体相区（F+Fe3C）,4

13、. 区域,5.铁碳合金的分类,工业纯铁：C%0.0218 共析钢：C%=0.77 亚共析钢：0.0218C%0.77 过共析钢：0.77C%=2.11 共晶白口铁：C%=4.3 亚共晶白口铁：2.11C%4.3 过共晶白口铁：4.3C%6.69,三、钢在结晶过程中的组织转变,共析钢()：LL+AAP 亚共析钢()：LL+AAA+FP+F 过共析钢()： LL+AAA+Fe3C P+Fe3C 共晶白口铁：LLdLd 亚共晶白口铁： LL+ALd+A+Fe3C Ld+P+Fe3C 过共晶白口铁： LL+Fe3CLd+Fe3C Ld +Fe3C,1. 共析钢,Wc=0.77% 室温组织：P,结晶过程

14、：,2. 亚共析钢,Wc=0.6% 室温组织： P+F,结晶过程：,3. 过共析钢,Wc=1.2% 室温组织： P+Fe3C,结晶过程：,4.含碳量对铁碳合金组织性能的影响,(1) 对平衡组织的影响,图 铁碳合金中组织与成分的关系,(2)对力学性能的影响,5.铁碳合金平衡相图的应用,1）选材的依据 2）选择铸造合金成分和浇注温度的依据 3）确定钢的锻造温度的依据 4）研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据 5）确定各种热处理工艺的依据,低碳钢：塑性、韧性好，用于冲压件、焊接件、抗冲击件。 中碳钢: 综合力学性能较好，用于轴、齿轮等。 高碳钢：强度、硬度、耐磨性好，用于各种工模具。 白口铁：

15、性硬而脆，但铸造性能好，用于不受冲击的铸件。,1） 在选材上的应用,根据Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化、浇注温度(液相线以上50 -100 )。 还可以看到，靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，具有良好的铸造性能。故这类合金适宜于铸造，在铸造生产中获得广泛的应用。,2）在铸造工艺上的应用,Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系,3）确定钢的锻造温度,Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系,钢材轧制或锻造的温度范围，多选择在单一奥氏体组织范围内。 其选择原则是： 始锻温度不得过高，以免钢材氧化严重，甚至发生奥氏体晶界部分熔化，使工

16、件报废。一般始锻温度在固相线以下100200。 终止温度也不能过低，以免钢材塑性差，在锻造过程中导致产生裂纹。终锻温度800左右。 各种碳素钢合适的轧制或锻造温度范围如图所示。,4）研究焊缝区及近缝区组织和性能变化,0.熔化区-液体 1.熔合区（半熔化区）-液固共存 2.过热区-奥氏体 3.重结晶区（正火区）-奥氏体 4.部分相变区（不完全重结晶区）-奥氏体+铁素体 5.母材原始组织区-铁素体+珠光体,根据对工件材料不同的性能要求，各种不同热处理方法的加热温度都是参考Fe-Fe3C相图选定的。,5）确定各种热处理工艺,第四节 工业用钢简介,教学目的： 1、 了解杂质元素对钢性能的影响 2、 了

17、解钢的分类方法、编号及用途,第四节 工业用钢简介,钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金。 钢的种类繁多。,一、钢的分类,按化学成分分类：碳素钢（以铁、碳为主要合金元素） 合金钢（除铁碳外还人为加入其它元素）,按用途分类： 结构钢 工具钢 特殊钢,按质量分类： 普通钢（P 0.045%，S 0.050%） 优质钢（P、S均 0.035%） 高级优质钢（P 0.035%，S 0.030%）,按含碳量分类：低碳钢 中碳钢 高碳钢,杂质对钢性能的影响,钢中基本元素为：Fe 、C； 杂质元素主要有：Si、Mn、S、P。,1. Si、Mn,是炼钢时用硅铁、锰铁脱氧后残留在钢中的杂质元素。 在碳钢中wsi0.

18、37% wMn=0.25%-0.8%对力学性能影响不大。但作为合金元素，可提高钢的力学性能。,Si,（1）可清除钢中的FeO，脱氧能力比Mn强。 它与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去。从而消除FeO对钢的不良影响 （2）硅能溶入铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性。当含硅量不多时，其对钢的性能影响不大。 （3）总起来说，硅也是一种有益的元素。作为杂质其含量应小于0.4%。,Mn,（1）可清除钢中的FeO，改善钢的品质。 锰从FeO中夺取氧形成MnO进入炉渣，从而把钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量 。 （2）减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善

19、钢的热加工性能。（MnS在高温时有一定塑性，切削加工中MnS能起断屑作用，因此改善了钢的切削加工性，这类钢称作易切削钢) （3）在室温下锰能大部分溶入铁素体中形成含锰铁素体的置换固溶体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。 （4）锰在碳钢中的质量分数一般为0.25%0.80%，最高可达1.2%。总起来说，锰是一种有益的元素。,S是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的 热脆 ，是有害元素。 P是由矿石带入钢中的冷脆，是有害元素。 因此衡量钢质量的主要指标为钢中的S、 P含量。S一般控制在0.065%以下,P一般控制在0.045%以下。,2. S、 P,S,硫可与铁生成FeS， FeS与Fe能形成低熔点（

20、985）的共晶体，且分布在晶界上。当钢材在10001200 进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加工时开裂。这种金属在高温时出现脆裂的现象，称为“热脆”。,P,磷在钢中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降（Fe3P而使钢的脆性增加 ），产生低温脆性，这种现象称为冷脆。,磷的有害作用在一定条件下可以转化，例如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能。 在炮弹用钢中加入较多磷，可增大钢的脆性，使炮弹在爆炸时碎片增多，从而增加了杀伤力。,P,二、碳素钢,碳素钢是含碳量在1.5%以下，并含有硅、锰、硫、磷等杂质的金属材料。 按含碳的质量分数分类

21、 低碳钢 0.0218%wc0.25% ； 中碳钢 0.25%wc0.60%； 高碳钢 0.60%wc1.3%。 按照钢的用途和质量可分为：碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。,碳素结构钢,1）含碳量小于0.38%。Ws0.035-0.05% Wp0.035%-0.045% 2）牌号：由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。 Q235AF 3）组织：F+P 4）性能：见图1-23 （P.22） 5）用途：适合于扎制成钢板、钢带、型钢等。用于制做不需热处理的焊接、铆接、栓接构件及螺栓螺母等零件,优质碳素结构钢,1）化学成分： Wsp0.035% 2）牌号：

22、两位数字+符号表示 数字表示含碳量万分之几，符号如果是F则表示是沸腾钢。例：08F 15F 3）根据含碳量的不同分类： 低碳钢 （a）化学成分：WC0.25% （b）组织：退火状态下，组织为较多的F和较少P （c）性能：和HB低，而.ak好，焊接性好。 （d）用途： 08F、10F、15F 冷变形加工成型件。机壳、容器。 1025钢 各种标准件、轴套、容器等。,中碳钢 （a）化学成分：WC=0.30%0.6% （b）组织：F+P， （c）性能：、HB比低碳钢略高，而、ak略低。具有良好的综合力学性能，切削加工性好，但焊接性一般。 （d）用途：用于制作齿数、主轴及连杆等重要的机械零件。,高碳钢

23、（a）化学成分：WC0.60% （b）组织：F+P （c）性能：在淬火+中温回火后，具有较高的和良好弹性也叫弹簧钢。具有较好的耐磨性和中等硬度。 （d）用途：主要用于制作弹簧和易磨损的零件。,碳素工具钢,1）化学成分：Wc=0.65%-1.35% 2）牌号：T+数字表示 T碳 数字表示千分含量。对于硫、磷含量较低的优质碳素工具钢，则在数字后面加A。例：T8A0.8%的高级优质碳素工具钢 3)组织：P+F或P+Fe3C 4)性能：具有很高的硬度和耐磨性，但淬透性差，热硬性差。 5)用途：用于制作手动和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等,三、合金钢,为了改善钢的某些性能，特意加入一种或几种合金

24、元素所炼成的钢。 化学成分： C0.2%，合金元素5%， 常加合金元素：Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N等。 合金钢的性能特点 （a）具有较高的强度、塑性和冲击韧性，特别是低温冲击韧性。 （b）具有良好的焊接性。 （c）具有较高的抗腐蚀性。,合金钢分类,1.合金结构钢,合金结构钢是优质钢，其的牌号表示方法：数字+元素符号+数字 25 Cr2 Ni4 W （万分之几） wS.P0.035%，,元素符号及含量（百分之几）,根据性能用途不同优质合金结构钢又可分为渗碳钢、调制钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。 1）合金渗碳钢典型零件：变速箱齿轮、齿轮等常用的20CrMnTi钢。 2）合金调质钢典型零

25、件：受冲击载荷较大的齿轮常用40Cr、40CrMnMo等 3）弹簧钢典型零件：汽车减振弹簧常用55Si2Mn,2.合金工具钢,合金工具钢都属于高级优质钢，其牌号方法：数字+元素符号+数字 9Mn2V Cr12MoV,合金元素的表示方法与合金结构钢相同,合金工具钢的典型牌号,低合金刃具钢 9SiCr，常用作板牙、丝锥、铰刀、冷冲模等。 高速钢 W18Cr4V W18Cr4V2Co8 W6Mo5Cr4V2 W9Mo3Cr4V 制作各种高速切削刃具，如车刀、铣刀、钻头、拉刀等，高速钢不论含碳量多少都不标注，例如 W18Cr4V，碳的质量分数WC 0.70%0.80%，钢号前不标数字。,3.特殊性能的

26、钢,特殊性能的钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 1)不锈钢 按其组织状态的不同，主要分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢等。铬是不锈钢中最重要的合金元素，其在不锈钢中的含量一般为11.50%-32.10%。,2）耐热钢 是指在高温下具有高的化学稳定性和热强性的特殊钢。 3）耐磨钢 是指在冲击和磨损条件下使用的高锰钢。主要用于严重摩擦和强烈撞击条件下工作的零件，如用作坦克及拖拉机的履带，挖掘机铲齿，推土机挡板和铁路道岔等。高锰钢的主要成分为含碳量为0.9%-1.5%,含锰量为11%-14%。这种钢由于机械加工困难，基本上铸造后直接使用。,第五节 零件选材的一般原则,满足工作性能要求 满足工艺性能要求 满足经济性要求,