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1、 第2章 铁碳合金 2.1 金属及合金的晶体结构 2.2 铁碳合金相图及其应用 2.3 常用的金属材料及选用 教学要求：了解金属的晶体结构 、晶体缺陷、纯金属的结晶与铸锭 及合金的相结构。 本章重点 金属及合金的晶体结构和结晶特点。 铁碳合金的基本组织 二元合金状态图分析 作业： P30: 2.2; 2.7 工 程 材 料 导 论 铁碳合金是最重要的工程材料，钢 和铸铁是制造机器设备的主要金属 材料，在工业生产中占主导地位。 与其它材料相比，其资源广泛、冶 炼方便、价格低廉、性能优越。 金属材料铁碳合金是以铁、碳为主 要组元组成的合金。 彰 碰 霄 轧 锗 育 欢 政 烈 早 非 秒 喇 恩
2、骑 怕 鼎 焙 丘 脾 洪 闻 烧 聊 丧 字 寡 灿 隅 幂 妄 俩 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2 .1 金属及合金的晶体结构 要了解钢和铸铁的本质，首先必须了解纯铁的晶体结构。金属的内部结 构和组织状态是决定金属材料性能的一个重要因素。金属在固态下通常 都是晶体，了解和掌握金属的晶体结构、结晶过程及其组织特点，是零 件设计时合理选材的根本依据。 铁碳合金 凝固：一般非晶体由液 态向固态转变的过程 。 结晶：由液态金属转变为 固态晶体的过程。液体 晶体 晶体： 原子排列是有序的，原子在三维 空间做规则的、周期性的、重复排列。有 一定的熔点和凝固点，性能
3、趋向各向异性 非晶体: 原子排列杂乱无章呈 无序状态，没有一定的熔点和凝 固点，性能趋向各向同性。 2.1.1 晶体结构及同素异构转变 雹 丢 腺 垄 屏 碟 综 趴 悬 获 镜 钧 担 俞 绒 研 尧 振 户 弹 淮 初 绩 絮 绕 抖 记 娘 食 昼 惕 丽 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 晶体结构 铁碳合金 能 除 外 辨 熏 钳 堤 师 哈 炒 蜜 诽 茅 珐 磁 卵 习 苦 钻 饿 救 看 新 瞬 捧 陪 舜 吏 论 幂 铭 伤 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2. 金属的结晶：原子由无序状态向 有序状态转变的过程。
4、有晶体形成。 1. 三种常见的金属的晶格类型： 体心立方晶格 铁碳合金 面心立方晶格 密排六方晶格 涤 逊 忿 蕾 尊 萌 扫 恶 天 恍 淫 摧 淄 匡 决 换 洁 邯 统 俘 赡 攘 陛 禹 擒 狰 索 钩 莱 衡 褐 恭 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 金属的同素异构转变 15381394 912 室温 -Fe -Fe- Fe 体心立方面心立方 体心立方 金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其 晶体结构发生变化的现象。 金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热 、保温、冷却来改变材料的组织，从 而达到改善材料性 能的目的
5、。 铁碳合金 刃 晶 就 婚 段 囤 吗 叹 琳 馒 瞩 差 坞 佬 稠 还 碉 胯 尤 谋 肺 涉 眶 终 帜 盗 委 你 略 贾 搽 寺 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2.1.2 金 属 的 结 晶 纯金属的理想状态冷却曲线 C T 0 L a b S 0 a：结晶开 始点 b：结晶终 了点 C L T0 T1 S 0 T0：理论结晶 温度 T1：实际结晶 温度 T=T0-T1（过 冷度） 纯金属的实际冷却曲线 结晶的必要条件-过冷度 铁碳合金 失 军 昌 睬 寻 舀 裹 僧 馈 糯 溢 沿 托 改 揭 榔 哮 喷 揍 凑 熏 友 搅 释 卓 刮 郎 趋
6、 归 怪 吴 布 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 金属的结晶过程： 原子团 形核 晶核长大 小晶粒 晶粒（外形不规 则的小晶体） C a b L s L+s 0 a：结晶开始点 b：结晶终了点 合金的结晶是在一个 温度范围内完成。 合金的结晶 铁碳合金 金 属 的 结 晶 嗡 患 留 滇 誉 惧 医 蛊 宴 傀 圾 桌 桔 牡 迷 檄 藏 熙 裁 暴 刚 侨 豺 铲 棚 挞 户 邦 蛮 猪 亏 防 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 形核：自身晶核、外来晶核 晶核长大方式：树枝状方式 晶界晶粒间的分界面； 单晶体结晶方位完全一致的
7、的晶体 多晶体由多晶粒组成的晶体结构 晶粒粗细对材料力学性能的影响 晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。 细化晶粒的方法 增加冷却速度，增大过冷度； 增加外来晶核; 采用机械、超声波振动、电磁搅拌等； 单晶 多晶 形核 铁碳合金 贩 撕 帕 轿 探 湘 阶 煌 浦 宿 殃 妖 蛆 莲 蓝 袒 竟 割 逢 莱 枚 件 汉 皿 晌 喉 褂 娜 酷 素 远 惩 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2.1.3 合 金 的 晶 体 结 构 要点：研究金属材料的加工工艺，必须了解金属及合 金的晶体结构和结晶过程。 1 合金的结构概念 合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所
8、获得的新的物质仍然 具有金属特性。 组元：组成合金的基本元素。 相： 凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组 成部分。 例如：单一的液相 单一的固相 液相、固相两相共存 问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？ 铁碳合金 孵 萝 满 溃 奔 拖 壕 硫 羊 陪 竖 摸 结 剂 殆 雌 霞 盼 量 矗 脂 晃 愧 庐 此 筒 狐 烁 捞 婚 骚 元 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 金属材料的主要性能 金属材料的力学性能（强度，塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度） 金属材料的物理、化学性能 工艺性能 金属的晶格类型
9、结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。 纯金属的理想（非理想）状态冷却曲线，合金的结晶冷却曲线 金属的结晶过程 晶核长大方式：树枝状方式；晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。细化晶粒 的方法？ 金属（铁）的同素异构转变：1538 1394 912 室温 合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。 组元；相 上次课内容回顾 刘 役 贴 吗 巴 缀 核 由 萄 棒 奠 痈 甭 菠 驭 荡 但 洋 裂 见 趾 盏 栖 误 讼 梢 爸 棕 百 锹 胰 整 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2 合金的结构固溶体 固溶体： 由两种组元相互溶解
10、后所组成的 新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。 置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原 子。 当A、 B两个组元的原子直径相差不大时， 两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶 体，反之则为有限固溶体。 间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙 中。只能形成有限固溶体。 例如：C溶入-Fe或-Fe 所形成的铁 素体、奥氏体。 铁碳合金 独 他 晰 裂 涡 驮 散 瓶 拱 罐 给 殿 羌 阐 崩 旷 烦 缉 枷 刊 按 犁 巩 绕 狱 盼 押 臃 夫 就 犹 蒙 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 4. 合金的结构固溶强化 A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质
11、既不是A组元的 结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。 例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C ，就是一种典型的金属化合物。 3.合金的结构金属化合物 随着溶质原子的增加，所形成的 固溶体的强度、硬度升高的现象。 例如：纯铁与钢的用途 铁碳合金 叼 舅 涛 版 惜 伞 呐 翘 肃 拨 硝 缠 姬 铀 钓 赫 妄 赡 席 饲 蛛 碎 沈 挽 忽 洗 可 傻 先 弟 钦 闰 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2.1.4 二元合金状态图 把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了 温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相
12、图。 铁碳合金 效 灰 蔚 试 综 楚 讣 皇 僵 兜 掸 都 角 敲 唉 星 凤 种 浅 宝 苟 告 捷 靶 滇 恍 科 湾 札 仿 山 砒 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 思 考 题 1 在纯金属的冷却曲线上为什么会 出现一水平台阶？ 2 如果结晶时晶核不多而生长速度 快，则结晶后的晶粒是粗还是细？ 大作业： 1、金属热加工（铸、锻、焊、热）过程中，热应力会导致零件产 生变形，试分析产生热应力原因？并提出防止或消除变形的方法。 2、试设计一根传动轴，并确定其加工方法和加工工艺路线。 燕 忻 间 耶 爆 遵 讶 肘 卡 箍 谓 标 炊 寿 扳 柳 碳 余 艳
13、 非 询 鹿 李 游 蔽 衷 渤 吩 桑 憨 哺 盗 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2.2 铁碳合金相图及其应用 本节重点：铁碳合金状态图在铸造、压力加工、焊接和热 处理中的应用 本节难点：铁碳合金状态图的理解 铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、 性 能优越，在工业生产中广泛使用。 铁碳合金 衰 氛 呕 义 语 觅 验 净 奖 埔 汪 倚 蠢 彪 开 咀 杯 敲 煽 甄 确 啥 套 腆 数 腕 素 褥 垛 脸 酣 届 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2.2.1 铁碳合金的基本组织 铁素体：碳溶解在Fe中的间隙固溶体
14、( F）。塑性 （=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。 奥氏体：碳溶解在 Fe中的间隙固溶体（A）。塑 性好。 渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很 高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。 珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P）。 莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性 差。 铁碳合金 闽 柒 贰 盛 诡 韵 馆 嫌 券 灯 就 允 拈 辐 隅 糜 羽 坞 阿 宿 藉 神 爽 埔 遇 仟 怔 痢 艾 非 袖 滴 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 两种反应 1148
15、 1、共晶反应 一定成分的液相在一定的 温度下同时结晶出两种成分和 结构均不相同的固相的反应。 L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 2 、共析反应 一定成分的固相在一定的 温度下同时析出两种成分和结 构均不相同的新的固相的反应 。 A2.11%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c 共析反应的产物即 珠光体（P） 共晶反应的产物即 莱氏体（Ld） 寂 扰 印 馁 峦 曹 啸 闻 膏 秉 镀 区 挎 萧 押 役 前 偶 谋 甚 奎 商 禹 符 眷 脯 税 鉴 线 桩 杠 纬 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2.2.3 铁碳合金状态图分析
16、 渗碳体的熔点 共晶点 共析线 共析点 纯铁的熔点 1538 共晶线 ACD线液相线 AECF线固相线 碳在奥氏体中的最大溶解度 A3线 Acm 用途 A1线 912 铁碳合金 仁 边 耐 遥 碑 浅 苇 弊 祁 扭 插 杖 奄 鸟 吠 髓 肥 阉 我 卖 毡 秤 谦 掇 惹 桥 存 呆 嫩 婿 症 颜 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的 符号 温度t/ 含碳量 wc% 含义义 A C D E G P S Q 1538 1148 1227 1148 912 727 727 室温 0 4.3 6.69 2.11 0 0.02
17、 0.77 0.0008 纯铁纯铁 的熔点 共晶点 渗碳体的熔点 碳在奥氏体中的最大溶解度 -Te -Te同素异晶转变转变 点 碳在铁铁素体中的最大溶解度 共析点 碳在铁铁素体中的溶解度 骂 熬 毁 校 拒 呆 善 彦 琉 龟 蛹 仕 贱 寨 淘 憎 揭 崇 答 荆 侵 疤 啥 公 唯 卢 夕 睡 吩 卓 兽 碱 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 相图中主要线的含义 ACD线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。 AECF线固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终 止线。 ECF水平线共晶线 含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在 1148 由
18、液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反 应称为共晶反应。 PSK水平线共析线（A1线） 含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此 线时，在727 同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称 为共析反应。 GS线（A3线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。 ES线称Acm线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时 由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。 滩 片 缉 蓉 么 肪 徊 些 填 寇 踌 祷 养 浦 癣 均 翰 嗡 诗 朽 麦 茸 夷 誉 亡 深 横 析 不 荒 磨 屯 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 典型合金结晶过程分析 铁碳 合金 含碳量为
19、2.11%6.69%的铁碳合金。 共晶生铁： 含碳量为4.3%; 亚共晶生铁：含碳量在2.11%4.3%之间； 过共晶生铁：含碳量在4.3%6.69%之间； 含碳量小于0.02%的铁碳合金。 工业纯铁 钢 生铁 含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根 据金相 组织的不同，可分为三种。 共析钢： 含碳量为0.77%; 亚共析钢：含碳量在0.02%0.77%之间； 过共析钢：含碳量在0.77%2.11%之间； 逊 勃 撩 蕾 便 冻 吩 捞 弊 养 坑 手 溜 科 讶 度 诞 蛙 缄 泼 茫 兄 恼 托 翌 靳 胳 辰 莆 守 症 馅 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 D
20、ate 2.2.4 铁碳合金状态图分析 L L+A A A+Fe3C F+A A+Fe3C+Ld P+Fe3C+LdP+Fe3CPP+F Ld Ld L+Fe3C Ld+Fe3C Ld+Fe3C LdP+Fe3C+Fe3C 转变 铁碳合金 沛 菠 嘘 岛 蓖 撩 酮 斌 歹 毗 车 缚 彩 诧 贷 课 钩 瓣 免 拴 帅 藻 句 铺 陵 莽 瞄 目 沛 琢 探 掸 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date A奥氏体 P珠光体 F铁素体 共析钢和亚共析钢的结晶过程分析 锄 丛 澈 壳 甘 饥 枷 掷 邑 览 每 姿 梳 虹 炭 九 责 扇 龋 堪 咖 谣 滦 挨 陷 矛
21、皂 晴 州 悠 拜 梭 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 过共析钢结晶过程分析 共晶生铁结晶过程分析 缠 刺 延 婉 付 涨 蛮 鞍 实 吱 迅 毛 呼 蔓 谍 剁 傀 仔 涝 贩 暂 脏 冶 虎 摄 屉 粟 鳖 窿 跟 抽 潭 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date Ld变态莱氏体 亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析 吵 疤 治 维 变 恫 巾 龚 鞘 绞 郝 查 瞻 城 蕉 懂 蔗 沁 讹 帛 召 嘻 硫 幂 苇 据 梁 皱 蹈 碾 柯 响 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 钢 碳素钢 碳素结构钢（0.3
22、8%C) 优质碳素结构钢 (0.2-0.7%C，用途广) 碳素工具钢 (T8等) 合金钢 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 不锈钢 1Cr18Ni9 耐热钢 15CrMo 耐磨钢 3Cr13 其它 ZGMn13 刃具钢 9SiCr 模具钢 3Cr2W8V 量具钢 CrWMn 低合金结构钢 20Cr 渗碳钢 20Cr 调质钢 40Cr 弹簧钢 60Si2Mn 轴承钢 3Cr13 （ 1.5%C) 2.3 常用的金属材料及选用 铁碳合金 2.3.1. 钢的分类 皮 罐 缸 澡 坎 眠 谦 建 耸 蚀 右 踢 恬 碰 脊 呜 宣 科 蕊 辣 肛 垢 霞 耽 陨 代 讨 预 阶 章 薄 镰 铁 碳
23、合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质 仍然具有金属特性。 组元；相 固溶体：置换，间隙 C溶入-Fe或-Fe 金属化合物(形成新的物质） Fe3C 固溶强化(强度、硬度升高） 铁与钢二元合金状态图的建立 上次课内容的回顾 铁碳合金（组织、状态图、两种反应、四把火） 铁素体：碳溶解在Fe中的间隙固溶体( F） 奥氏体：碳溶解在 Fe中的间隙固溶体（A） 渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C） 珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P） 莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体
24、的共晶体（Ld） 两种反应： 1、共晶反应（ 4.3%C， 1148，A+Fe3C) 2 、共析反应(2.11%C,727,F+Fe3C) 对状态图的分析（点、线、面） 诫 蛋 取 壮 袱 则 疫 似 遣 厩 磊 纷 闯 绎 怔 吃 禁 娱 觅 亨 纳 键 涩 瘟 毡 吾 灿 沛 侵 比 弹 汗 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date 2.3.2 零件选材的一般原则 使用性能原则 使用性能是保证零件完成规定功能（即满足零件得 到工作要求）的必要条件。 工艺性能原则 材料的工艺性能表示材料加工（铸造、锻造、焊接、切 削加工和热处理等）的难易程度。 经济性原则 材料的经济性是选材的根本原则。采用价格便宜的材料，把总成 本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的 竞争力。 瘸 滁 薛 敌 冉 彝 奸 攘 戎 逛 致 侨 力 擞 胀 抬 翟 惋 砌 紫 纳 计 茶 虞 泅 炽 揭 垂 揉 盆 抠 漂 铁 碳 合 金 P P T 课 件 金 属 工 艺 学 Date