材料性能及其加工第2章 铁碳合金.ppt

第2章 铁碳合金,本章知识点 先导案例 第一节金属的品体结构与结品 第二节合金的品体结构、二元合金状态图 第三节铁碳合金状态图 第四节碳钢、铸铁 知识扩展 先导案例解决 本章小结 思考题,本章知识点,1掌握合金的结晶和铁碳合金状态图及其应用。 2掌握金属的结晶及碳钢、铸铁的特点。 3了解碳钢、铸铁的分类及应用情况。,返回,先导案例,试分析下面两张图片是什么零件？分别属于什么类型的钢材？各有什么不同性能？,下一页,返回,先导案例,金属材料通常分为有色金属和黑色金属两大类： （1）黑色金属。包括铁，铬，锰三种。但后两种在实际生产中很少单独使用，故黑色金属泛指铁或以铁为主而形成的物质，如钢和铁。 （2）有色金属。除黑色金属以外的其他金属称为有色金属，如铜，铝和镁等。,下一页,上一页,返回,先导案例,金属材料的化学成份不同，对外表现出来的性能是不同的。即使是同一种成份的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以导致其性能发生极大的变化。这说明影响材料的使用性能不仅仅取决于化学成份，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。由于纯金属的强度、硬度一般都较低，而且价格较高，因此在使用上受到很大的限制。目前工业生产上广泛使用的是合金。,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,一、金属的特性与金属键 金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关，因此，必须首先了解金属的晶体结构。 1金属的特性 固态金属的主要特性有： （1）良好的导电、导热性； （2）不透明，有金属光泽；,下一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（3）具有较高的强度和良好的塑性； （4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升高而增大。 金属的这些特性，都是由金属的原子结构特点及原子之间结合键的性质决定的。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2金属键 金属原子的结构特点是原子的外层电子数目很少，一般只有12个，最多不超过4个，而且这些外层电子与原子核的结合力较弱，很容易摆脱原子核的吸引力，成为能绕所有原子核运动的电子，这种电子成为自由电子。失去外层电子的金属原子成为正离子，这些正离子按一定几何形状，规则排列起来，并在固定位置上作高频率的振动。自由电子在正离子间自由运动，形成所谓的“电子气”。正离子与电子气之间依靠静电引力结合起来，这种结合方式称为“金属键”，图2-1是金属键模型的示意图。有了金属键，就可以解释金属的一系列特性。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（1）当金属的两端存在电势差或外加电场时，电子可以定向地、加速地运动，使金属表现出优良的导电性。金属的导热性是粒子的热振动和自由电子的热运动共同起作用的结果，比单纯的离子热振动所产生的导热效果好。 （2）金属中的自由电子能吸收投射到其表面上可见光的能量而被激发到较高的能级，当跳回到原来的能级时，就把吸收的可见光能量重新辐射出来，所以金属不透明并呈现特有的金属光泽。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（3）金属键使金属原子紧密堆排结合在一起，从而使金属具有较高的强度。金属键没有方向性和饱和性，在外力作用下发生原子相对移动时，金属键不会被破坏，使金属表现出良好的塑性。 （4）金属加热时，正离子的振动增强，原子排列的规则型受到干扰，电子运动受阻，电阻增大，因而金属具有正的电阻温度系数。温度接近绝对零度时，自由电子之间结合成两个电子相反自旋的电子对，不容易遭受散射，所以电阻率趋于零。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,二、金属的结构与结晶 1晶体与非晶体 在物质内部，凡是原子呈无规则堆积状况的，称为非晶体。例如普通玻璃，松香，树脂等，都属于非晶体。相反，凡原子作有序，有规则排列的称为晶体，如图2-2（a）所示。而绝大多数金属和合金都属于金属晶体。 晶体与非晶体的差异主要有：晶体都有规则的几何外形，而非晶体则不然；晶体具有固定的熔点，而非晶体的熔点是不定的；晶体具有各向异性，而非晶体则各向同性。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2晶体结构的概念 （1）晶格与晶胞。晶体内部的原子是按一定的几何规律排列的，为了便于研究原子在空间排列的几何规律，把每个原子看成是一个点，这个点代表原子的振动中心，这样，金属的晶体结构就成为一个规则排列的空间点阵，把这些点用直线连接起来，就形成了一个空间格子，这种空间的网状结构，就叫做晶格，如图2-2（b）所示。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,晶格是由许多大小、形状相同的几何单元反复堆积而构成的，这种完整地反映晶格特征的最小几何单元就叫做晶胞，如图2-2（c）所示。由于晶胞能够完整地反映晶格中原子的排列规律，因此，在研究金属的晶体结构时，是以晶胞作为研究对象的。 晶格中的点叫晶格结点，结点代表原子在晶体中的平衡位置。原子在晶格结点上并不是固定不动的，而是以晶格结点为中心作高频振动，随温度的升高，振动的幅度也就越大。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（2）晶格常数。由于不同金属原子的半径是不一样的。在组成晶胞后，晶胞的大小和形状是不一样的，晶胞的大小可用晶胞的棱边长度来示，而晶胞的形状可用棱边之间的夹角来表示。它们统称为晶格常数。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,三、常见金属的晶体结构 晶格描述了金属晶体内部原子的排列规律，金属晶体结构的主要差别就在于晶格形式及晶格常数的不同。在已知的金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数金属具有简单的晶体结构，其中常见的有三种。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,1体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一个立方体，如图2-3（a）所示，即在晶胞的中心和八个顶角各有一个原子，因每个顶角上的原子同属于周围八个晶胞所公有，所以，每个体心立方晶胞的原子数为2。属于这类晶格的金属有-铁、铬、钼、钨、钒等。这类金属的塑性较好。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，如图2-3（b）所示，即在立方晶格的晶胞的八个顶角和六个面的中心有一个原子。因每个面中心的原子同属于两个晶胞所共有，故每个面心立方晶格的原子数为4。属于这类晶格的金属有铝、铜、金、镍、-铁等。这类金属的塑性优于具有体心立方晶格的金属。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,3密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六棱柱体，如图2-3（c）所示。原子位于两个底面的中心处和12个顶点上，棱柱内部还包含着三个原子，其晶胞的实际原子数为6。属于这类晶格的金属有镁、锌、铍等。这类金属通常较脆。 金属的晶格类型不同，其性能必然存在差异。即使晶格类型相同的金属，由于各元素的原子直径和原子间距不同等原因，其性能也不相同。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,四、金属的实际晶体结构 1金属的多晶体结构 单晶体是指具有一致结晶位向的晶体，如图2-4（a）所示，表现出各向异性。而实际的金属都是许多结晶位向不同的单晶体组成的聚合体，称为多晶体，如图2-4（b）所示。每一个小单晶体叫做晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫做晶界。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2金属的晶体缺陷 实际金属不仅是多晶体，而且存在着各种各样的晶体缺陷。所谓晶体缺陷是指由于结晶条件或加工条件等诸方面的影响，晶体内部的原子排列受到干扰而不规则的区域。实际金属晶体缺陷的存在对金属性能和组织转变均会产生很大影响。根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将其分为以下三类。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（1）点缺陷（空位和间隙原子）。点缺陷是指点状的晶体缺陷，即在所有方向上的尺寸都很小的晶体缺陷。例如，结晶时，晶体上应被原子占据的结点未被原子占据，形成空位，如图2-5（a）所示。也可能有的原子占据了原子之间的空隙，形成间隙原子，如图2-5（b）所示。空位和间距原子都会造成点缺陷。 （2）线缺陷（位错）。线缺陷是指在三维空间的两个方向上尺寸都很小的晶体缺陷。例如，图2-6所示晶体的ABCD面以上，多出了一个垂直方向的原子面EFGH，即晶体的上下两部分出现错排现象。多余的原子面像刀刃插入晶体，在刃口附近形成线缺陷。这样的线缺陷通常称为刃型位错。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（3）面缺陷 （晶界和亚晶界）。面缺陷是晶粒与晶粒之间的交界面。多晶体中，各晶粒之间的位向互不相同，多数相差达3040，当一个晶粒过渡到另一个晶粒时，必然会有一个原子排列无规则的过渡层。在实际金属晶体的晶粒内部，原子排列也不是完全理想的规则排列，而是存在着许多尺寸更小（边长10-410-6cm）、位向差也更小（一般小于1o2o）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒（或亚结构，嵌镶块） 。亚晶粒内部原子排列的位向是一致的，亚晶粒的交界面称为亚晶界。 由于在金属晶体内部存在着空位、间隙原子、位错、晶界和亚晶界等缺陷，都会造成晶格畸形，引起塑性变形抗力增加，从而使金属的强度增加。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,五、金属的结晶 金属的结晶是指金属由液态转变为固态的过程，也就是原子由不规则排列的非晶体状态过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程。金属的晶体结构是在结晶过程中逐步形成的，研究结晶的规律对于探索改善金属材料性能的途径具有重要意义。 1冷却曲线与过冷现象 工业上使用的绝大多数金属材料都属于合金。但纯金属与合金的结晶过程基本上遵循同样的规律。为了由浅入深地讨论，下面先介绍纯金属的结晶。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,纯金属的结晶都是在一定温度下进行的，它的结晶过程可用冷却曲线来描述。如图2-7所示的冷却曲线上有一个平台出现，这个平台所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。纯金属的结晶都是在恒定的温度下进行的。 在冷却曲线上出现平台的原因是由于结晶过程中有大量潜热放出，补偿了散失在空气中的热量，使温度并不随冷却时间的增长而下降，直到金属结晶终了后，由于不再有潜热释放，故温度又重新下降。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）结晶，所测得的结晶温度称为理论结晶温度，可用T0表示。但实际上金属由液态向固态结晶时，都有较大的冷却速度，此时，液态金属将在理论结晶温度以下某一温度T1才开始结晶。金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差T，称为过冷度。T=T0-T1。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，但同一金属结晶时的过冷度不是一个恒定值，它与冷却速度有关。结晶时，冷却速度越大，过冷度就越大，即金属的实际结晶温度就越低。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2金属结晶过程 金属的结晶是在冷却曲线上水平段所对应的这段时间内完成的，它是一个不断形成晶核和晶核不断长大的过程，如图2-8所示。 （1）形核。当液态金属的温度下降到接近T1时，某些局部会有一些原子规则地排列起来，形成极细小的晶体，这些小晶体很不稳定，遇到热流和振动就会立即消失，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，稍大一点的细小晶体，有了较好的稳定性，就有可能进一步长大成为结晶核心，称为晶核。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（2）长大。晶核形成之后，会吸附其周围液态中的原子不断长大，晶核长大使液态金属的相对量逐步减少。刚开始，各个晶核自由生长，并且保持着规则的外形。当各个生长着的小晶体彼此接触后，接触处的生长过程自然停止，因此，小晶体的规则外形遭到破坏。最后，全部液态金属转变成晶体，结晶过程终止。纯金属的结晶过程如图2-8所示，图中1、2、3、4、5、6表示结晶过程的变化顺序。 由于不同方位形成的小晶体与其周围的晶体相互接触，使得小晶体的外形几乎都呈不规则的颗粒状。每个颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。一般纯金属就是由许多晶核长成的外形不规则的晶粒和晶界所组成的多晶体。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,3金属结晶后的晶粒大小 金属结晶后的晶粒大小对其力学性能影响很大。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-1。一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。晶粒越细小，则晶界越多、越曲折，晶粒与晶粒之间相互咬合的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，增强了彼此间的结合力。不仅使强度、硬度提高，而且塑性、韧性也越好。因此，细晶粒组织的综合力学性能好，生产中总是希望获得细晶组织。实际生产中，常采用增大过冷度T、变质处理和附加振动等方法获得细晶组织。用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化，它是强化金属材料的基本途径之一。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（1）增加过冷度，实践证明，增加结晶时的过冷度T，能使晶核的形成速率N增加，也能使晶核的长大速率v增加。但是，形核速率N要比长大速率v大得多，如图2-9所示。因此，增加过冷度能获得细晶粒组织。 （2）变质处理，对于液态金属，特别是对于数量多、体积大的液态金属来说，获得大的过冷度是不容易办到的。为此，可在浇注前，向液态金属中加入少量的某种物质，以形成大量的人工晶核，从而使晶核数目大大增加，达到细化晶粒的目的，加入的这种物质称为变质剂。这种依附于这些固态杂质微粒的形核方式，称为非自发形核。通过非自发形核获得细晶粒组织的方法，称为变质处理，也称为孕育处理。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,（3）附加振动，生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，使熔融金属在铸型中产生运动，从而使得晶体在长大过程中不断被破碎，最终获得细晶粒组织。,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,纯金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽，在工业上具有一定的应用价值。但由于强度、硬度一般较低，远远不能满足生产实际的需要，而且冶炼困难，价格成本较高，其使用受到很大限制。因此，实际生产中大量使用的金属材料主要是合金。 一、基本概念 合金是指由两种或两种以上化学元素（其中至少有一种是金属元素）所组成的具有金属特性的物质。例如，黄铜是由铜与锌组成的合金，钢和铸铁是铁与碳组成的合金等。,下一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,组成合金的最基本的独立物质称为合金的组元。给定组元可以按不同比例配制一系列不同成份的合金，构成一个合金系。在一个合金系内，组元可以是元素，也可以是稳定的化合物。 由两种组元构成的合金称为二元合金；由三种组元构成的合金称为三元合金；由三种以上组元构成的合金称为多元合金。合金系统中具有相同的化学成份、相同的晶体结构、相同的物理和化学性能，并与该系统的其他部分以界面分开的组成部分称为相。例如，铁碳合金中，碳原子溶于-Fe中形成了新的铁素体相，碳原子与铁原子相互化合形成了新的渗碳体相。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,用金相分析的方法，观察到的金属及合金内部组成相的数量、大小、方向、形态、分布以及相互间结合状态等，称为合金的组织。用肉眼和放大镜观察到的组织称为宏观的组织；在显微镜下观察到的组织称为显微组织。 若合金是由成份、结构都相同的同一种晶粒所组成的，则该合金中只有一个相，称为单相组织。若合金是由成份、结构互不相同的几种晶粒构成，则它们将属于不同的几种相，称为多相组织。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,二、合金的相 合金的性能由组织决定，而组织由相组成。所以，在研究合金的组织、性能之前，必须先了解合金的相。根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,1固溶体 合金在固态下，由于组元间相互溶解而形成的相称为固溶体，即在某一组元的晶格中溶入了其他组元的原子。在各组元中，晶格类型与固溶体相同的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。固溶体是合金的一种基本相结构。 （1）固溶体的类型。当溶质原子在溶剂晶格中不占据格点位置而是嵌于格点之间的空隙时，形成间隙固溶体，如图2-10左上角所示。间隙固溶体中的溶质元素多是原子半径较小的非金属元素如碳、硼、氮等。因溶剂晶格的间隙有限，间隙固溶体只能是有限固溶体。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,当溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格的结点位置时，形成置换固溶体，如图2-10右下角所示。置换固溶体中溶质与溶剂元素的原子半径相差越小，则溶解度越大。若溶剂元素与溶质元素在元素周期表中位置靠近，且晶格类型相同，往往可以按任意比例配制，都能相互溶解，从而形成无限固溶体。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,（2）固溶体的性能，溶质原子溶入溶剂晶格，将使晶格发生畸变，如图2-11所示。晶格畸变对金属的性能有重大的影响，它将使合金的强度、硬度提高，这种现象称为固溶强化，它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。 实践证明，在一般情况下，如果溶质的浓度适当，对固溶体的塑性影响较小，即固溶体不但强度、硬度比纯金属高，而且塑性、韧性仍然良好。因此，实际使用的金属材料大多数是单相固溶体合金或以固溶体为基体的多相合金。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,2金属化合物 合金的组元在固态下相互溶解的能力往往有限，当溶质含量超过在溶剂中的溶解度时，有些组元之间可发生相互作用而形成化合物。金属化合物是金属与金属或金属与非金属之间形成的具有金属特性的化合物相，是很多合金的另一种基本相结构。金属化合物通常具有不同于组元的复杂晶格结构。 例如，在铁碳合金中，碳的含量超过铁的溶解能力时，多余的碳与铁相互作用形成金属化合物Fe3C，其晶格结构如图2-12所示。它既不同于铁的晶格，也不同于碳的晶格，是复杂的斜方晶格。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,金属化合物的熔点高、硬度高、脆性大，塑性、韧性几乎为零，故很少单独使用。当合金中含有金属化合物时，将使合金的强度、硬度和耐磨性提高，而塑性降低。因此，金属化合物是许多合金材料的重要强化相，与固溶体适当配合，可以提高合金的综合力学性能。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,3机械混合物 在合金中，由两种或两种以上的相按一定的质量分数组成的物质叫做机械混合物。在混合物中，各组成部分可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自混合，也可以是它们之间的混合。混合物中的各相仍保持自己原有的晶格。在显微镜下可以明显地分辨出各组成部分的形态。混合物的性能主要取决于各组成部分的性能，以及它们的形态、大小和数量。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,三、合金的结晶 合金的结晶与纯金属的结晶有相似之处，但是，纯金属的结晶是在某一温度下进行（如铁为1538），而合金的结晶比纯金属复杂得多，必须建立合金相图才能表示清楚。合金相图就是表示合金结晶过程的简明图解，它是研究合金成份、温度和结晶组织结构之间变化规律的重要工具，利用相图可以正确制订热加工的工艺参数。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,1合金相图的建立 合金相图是通过实验方法建立的。首先在极缓慢冷却的条件下，作出该合金系中一系列不同成份合金的冷却曲线，并确定冷却曲线上的结晶转变温度（临界点），然后把这些临界点标在温度成份坐标上，最后把坐标图上的各相应点连接起来，就可得出该合金的相图。以铜、镍合金为例，用热分析法建立相图的步骤如下： （1）配制一系列不同成份的铜镍合金，如铜100%；铜80%，镍20%；铜60%，镍40%；铜40%，镍60%；铜20%，镍80%；镍100%等（均指质量分数）。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,（2）用热分析法测出上述各种不同成份合金的冷却曲线，如图2-13（a）所示。找出冷却曲线上的各临界点。纯铜和纯镍的冷却曲线上都有一个平台，平台所对应的温度即结晶温度。结晶是在恒温下进行的，所以只有一个临界点。在其他四种不同成份铜镍合金的冷却曲线上，都有两个转折点，上转折点所对应的温度为结晶开始温度，即上临界点；下转折点所对应的温度为结晶终了温度，即下临界点。结晶过程是在上、下临界点之间的温度范围内完成的。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,（3）将各临界点描绘在温度成份坐标系中。把意义相同的临界点用平滑的线条连接起来，构成Cu-Ni合金相图，如图2-13（b）所示。图中，上临界点连成的线条称为液相线；下临界点连成的线条称为固相线。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,2二元合金结晶过程分析 （1）匀晶合金，当两组元在液态和固态均能无限互溶时，所形成的合金称为二元匀晶合金，所构成的相图称为二元匀晶相图。如图2-14所示Cu-Ni合金相图属于匀晶相图。 （2）共晶合金，两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并且发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相图。如图2-15所示Pb-Sn相图属于共晶相图。,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,一、铁碳合金的基本组织 1铁素体（F） 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用符号F表示。其晶粒在显微镜下呈现均匀明亮、边界平缓的多边形特征。由于-Fe具有体心立方晶格，原子间隙较小，所以溶碳能力很小，在727时溶碳最多为WC=0.0218%，室温下约.008%，铁素体的性能与纯铁相近，强度、硬度较低（b=180280MPa，HBS5080），而塑性、韧性较好（=30%50%，AKU=128J160J）。以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性变形成型加工。,下一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,2奥氏体（A） 奥氏体是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。其显微组织为边界比较平直的多边形晶粒。-Fe的溶碳能力较强，在727时碳的溶解度可达WC=0.77%，随着温度升高，溶解度增加，到1148时达到最大，WC=2.11%。奥氏体的强度、硬度较高（b400MPa，HBS160200），塑性、韧性也较好（=40%50%）。在生产中，钢材大多数要加热至高温奥氏体状态进行压力加工，因其塑性好而便于成型。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,3渗碳体（Fe3C） 铁与碳形成的金属化合物称为渗碳体，用符号Fe3C表示。渗碳体WC=6.69%，是一种具有复杂晶格结构的化合物。渗碳体硬度很高（HBW800），脆性很大，几乎没有塑性，不能单独使用。通常以片状、粒状、网状、带状等形态分布于铁碳合金中，对铁碳合金的性能有很大的影响。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,通常把铁碳合金中的渗碳体分为：一次渗碳体Fe3CI（由液体中直接结晶出来的）、二次渗碳体Fe3C（由奥氏体中析出）、三次渗碳体Fe3C（由铁素体中析出）、共晶渗碳体Fe3C共晶（共晶转变形成）、共析渗碳体Fe3C共析（共析转变形成）。它们的来源和形态虽有所不同，但本质并无区别，其含碳量、晶体结构和本身性质完全相同。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,4珠光体（P） 由铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号P表示。其显微组织为铁素体与渗碳体层片相间。珠光体的平均含碳量WC=0.77%，力学性能介于渗碳体与铁素体之间，强度、硬度较高（b=770MPa，HBS180），具有一定塑性和韧性（=20%35%，AKV=24J32J），是一种综合力学性能较好的组织。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,5莱氏体（Ld） 莱氏体是铁碳合金中的共晶混合物。其平均含碳量WC=4.3%，当WC=4.3%的铁碳合金从液态缓冷至1 148时，将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，也称为高温莱氏体，用符号Ld表示。高温莱氏体缓慢冷却至727时，其中的奥氏体将转变为珠光体，形成了珠光体与渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性极差。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,二、简化后的Fe-Fe3C相图 Fe-Fe3C相图是指在极其缓慢冷却的条件下，铁碳合金（WC6.69%）的组织状态随温度变化的图解。实际研究和分析时，为了简明实用，常将图中左上角部分简化，即得到简化后的Fe-Fe C相图，如图2-16所示。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,三、Fe-Fe3C相图分析 1坐标 Fe-Fe3C相图中纵坐标为温度，横坐标为成份（碳的质量分数） 。横坐标的左端表示碳的质量分数为零，即100%的纯铁，右端WC=6.69%，即100%的Fe3C。横坐标上的任何一点，均表示一种成份的铁碳合金。 2特性点 相图中具有特殊意义的点称为特性点。简化Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、成份及其含义见表2-2。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,3特性线 相图中各不同成份的合金具有相同意义的临界点的连接线称为特性线。简化的Fe-Fe3C相图中各特性线的符号、位置和意义介绍如下。 （1）ACD线液相线，在此线以上合金处于液体状态，用符号“L”表示。铁碳合金冷却到此线时开始结晶，在AC线下从液相中结晶出奥氏体，在CD线下从液体中结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用Fe3CI表示。 （2）AECF线固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,（3）ECF水平线共晶线，在此线上的液态合金冷却时将发生共晶转变，其反应式为 （AW =2.11%+Fe3C共晶）=Ld LW =4.3% C C1 148 共晶转变是在恒温下进行的，其产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体， 用符号Ld表示。凡WC2.11的铁碳合金冷却至1 148时，均将发生共晶转变而形成莱氏体。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,（4）PSK水平线共析线，又称A1线。在这条线上，固态奥氏体将发生共析转变，其反应式为 LW C =0.77% C （FW =0.0218%+Fe3C共析）= PWC =0.77% 共析转变也是在恒温下进行的，反应产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号P表示。凡是WC0.0218%的铁碳合金冷却至727，奥氏体必将发生共析转变而形成珠光体组织。,下一页,上一页,返回,727,第三节 铁碳合金状态图,（5）GS线又称A3线，是WC0.77%的铁碳合金，当温度由1 148降到727，均会由奥氏体中沿晶界析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体，用符号Fe3C表示。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,（7）PQ线碳在铁素体中的溶解度变化曲线。碳在铁素体中的溶解度在727时达到最大WC=0.0218%，至600时降为WC=0.008%。因此铁素体从727冷却下来时，将会从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称为三次渗碳体，用符号Fe3C表示。由于Fe3C数量极少，故一般在讨论中可以忽略。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,四、铁碳合金的分类 铁碳合金相图中的各种合金，按含碳量和室温组织的不同，一般分为以下三类。 1工业纯铁 WC0.0218%，其显微组织为单相铁素体。 2钢 WC=0.0218%2.11%，其特点是高温固态组织为具有良好塑性的奥氏体，因而适宜于锻造。根据含碳量和室温组织不同，钢可分为三类。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,亚共析钢WC0.77%，室温组织为珠光体+渗碳体。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,3白口铁 WC2.11%6.69%，其特点是液态结晶时都有共晶转变，因而有较好的铸造性能。根据含碳量和室温组织的不同，白口铁又分为三类。 亚共晶白口铁WC4.3%，显微组织为莱氏体+一次渗碳体。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,五、典型铁碳合金的结晶过程 1共析钢的结晶过程 图2-16中合金表示共析钢（WC=0.77%） ，合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A） ， 奥氏体的数量随温度的下降而增多。温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。2S点之间，合金是单一奥氏体相。继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。727以下，珠光体基本上不发生变化。故室温下共析钢的组织为珠光体。共析钢的结晶过程如图2-17所示。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,2亚共析钢的结晶过程 图2-16中合金表示亚共析钢。合金在1点以上为液体。缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。在23点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，而剩余奥氏体量逐渐减少。由于铁素体的溶碳量很小，所以铁素体析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加，沿着GS线变化。当温度降至4点（727）时，剩余奥氏体的含碳量增加到了WC=0.77%，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。原铁素体不变保留在基体中。4点以下不再发生组织变化。故亚共析钢的室温组织为铁素体+珠光体。亚共析钢的结晶过程如图2-18所示。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,必须指出，所有WC0.77%的亚共析钢，缓冷后的室温组织都是由铁素体和珠光体组成。但是由于它们的含碳量不同，所以组织中铁素体和珠光体量也不同。随着合金中含碳量增多，组织中铁素体量减少，而珠光体量增多。当含碳量增加到共析成份时，组织全部是珠光体。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,3过共析钢的结晶过程 如图2-17所示合金表示过共析钢。合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。在23点之间是含碳量为合金的奥氏体组织。缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。随着温度的不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳体愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。34点之间的组织为奥氏体+二次渗碳体。降至4点（727）时，奥氏体的成份达到了共析成份，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。在4点以下，合金的组织不再发生变化。故室温组织为珠光体+二次渗碳体。过共析钢结晶过程如图2-19所示。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,应当指出，凡是WC0.77%的过共析钢，缓冷后的室温组织是由珠光体和二次渗碳体组成。只是随着合金中含碳量的增加，二次渗碳体越来越多，珠光体越来越少。当WC=2.11%时，二次渗碳体的数量达到最大值。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,随着含碳量的增加，合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形式、分布也有变化，因此，合金力学性能也相应发生变化。 亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成，随含碳量的增加，其组织中珠光体的数量 随之增加，因而强度、硬度逐渐升高，塑性、韧性不断下降。过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成，随含碳量的增加，其组织中珠光体的数量不断减少，而网状二次渗碳体的数量相对增加，因而强度、硬度上升，而塑性、韧性值不断下降。但是，当钢中,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,但是，当钢中WC0.9时，二次渗碳体将沿晶界形成完整的网状形态，此时虽然硬度继续增高，但因网状二次渗碳体割裂基体，故使钢的强度呈迅速下降趋势。至于塑性和韧性，则随着含碳量的增加而不断降低。实际生产中，为了保证碳钢具有足够的强度，一定的塑性和韧性，WC一般不应超过1.3%1.4%。 WC2.11%的铁碳合金，基本上都已成了硬脆的渗碳体，强度很低，塑性和韧性随渗碳体相对量的增加呈迅速下降趋势。 含碳量对碳钢力学性能的影响如图2-20所示。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,七、Fe-Fe3C相图在工业中的应用 Fe-Fe3C相图从客观上反映了钢铁材料的组织随成份和温度变化的规律，因此在工程上 为选材、用材及制订铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据，如图2-21所示。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,1在选材方面的应用 由Fe-Fe3C相图可见，铁碳合金中随着含碳量的不同，其平衡组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，可以根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。例如桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳的亚共析钢（WC=0.1%0.25%）；对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，要求强度和韧性都比较好，可选用中碳的亚共析钢WC=0.25%0.6%）；制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、耐磨性，可选用高碳的共析、过共析钢（WC =0.77%1.44%） 。对于形状复杂的箱体、机器底座等可选用熔点低、流动性好的铸铁材料。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,2在铸造生产上的应用 参照Fe-Fe3C相图可以确定钢铁的浇注温度，通常浇注的温度应在液相线以上5060为宜。在所有成份的合金中，以共晶成份的白口铁和纯铁铸造工艺性能最好。这是因为它们的结晶温度区间最小 （为零） ，故流动性好，分散缩孔小，可使缩孔集中在冒口内，得到质量好的致密铸件。因此，在铸造生产中接近共晶成份的铸铁得到了较为广泛的应用。此外，铸钢也是常用的一种铸造合金，其含碳量WC=0.2%0.6%。由于其熔点高，结晶温度区间较大，故铸造工艺性能比铸铁差，常需经过热处理（退火或正火）后才能使用。铸钢主要用于制造一些形状复杂、强度和韧性要求较高的零件。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,3在锻压生产上的应用 钢在室温时的组织为两相混合物，塑性较差，变形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态，才具有较低的强度，较好的塑性和较小的变形抗力，易于锻压成型。因此，在进行锻压或热轧加工时，要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重。但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢较合适的锻轧加热温度范围是：变形开始温度为1 1501 200；变形终止温度为750850。,下一页,上一页,返回,第三节 铁碳合金状态图,4在焊接生产上的应用 焊接时，由于局部区域（焊缝）被快速加热，故从焊缝到母材各处的温度是不同的。根据Fe-Fe3C相图可知，温度不同，冷却后的组织性能就不同，为了获得均匀一致的组织性能，就需要通过焊后热处理来调整和改善。 5在热处理生产上的应用 从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火、和回火等热处理。此外，奥氏体有溶解碳及其他合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其他化学热处理的缘故。,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,碳素钢（简称碳钢）是WC2.11%，而且以碳为主要合金元素的铁碳合金。由于其价格低廉，冶炼方便，工艺性能良好，并且在一般情况下能满足使用性能的要求，因而在机械制造、建筑、交通运输及其他工业部门中得到了广泛的应用。 一、常存杂质元素对碳钢性能的影响 碳钢中，碳是决定钢性能的主要元素。但是，钢中还含有少量的锰、硅、硫、磷等常见杂质元素，它们对钢的性能也有一定影响。,下一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,1锰的影响 锰是炼钢时加入锰铁脱氧而残留在钢中的。锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性。锰还能与硫形成MnS，以减轻硫的有害作用。所以锰是一种有益元素。但是，作为杂质存在时，其含量（WMn）一般小于0.8%，对钢的性能影响不大。 2硅的影响 硅是炼钢时加入硅铁脱氧而残留在钢中的。硅的脱氧能力比锰强，在室温下硅能溶入铁素体，提高钢的强度和硬度。因此，硅也是有益元素，但作为杂质存在时，其含量（WSi）一般小于0.4%，对钢的性能影响不大。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,3硫的影响 硫是炼钢时由矿石和燃料带入钢中的。硫在钢中与铁形成化合物FeS，FeS与铁则形成低熔点（985）的共晶体分布在奥氏体晶界上。当钢材加热到1 1001 200进行锻压加工时，晶界上的共晶体已熔化，造成钢材在锻压加工过程中开裂，这种现象称为“热脆” 。钢中加入锰，可以形成高熔点（1 620）的MnS，MnS呈粒状分布在晶粒内，且在高温下有一定塑性，从而避免热脆。因此，硫是有害元素，其含量（WS）一般应严格控制在0.03%0.05%以下。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,4磷的影响 磷是炼钢时由矿石带入钢中的。磷可全部溶于铁素体，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为“冷脆”。其含量（WP）须严格控制在0.035%0.045%以下。 但是，在硫、磷含量较多时，由于脆性较大，在切削加工过程中，切屑易于脆断而形成断裂切屑，改善了钢的切削加工性，这是硫、磷有利的一面。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,二、碳钢的分类 碳钢的分类方法很多，常用的分类方法有以下几种。 1按钢中碳的质量分数分类 （1）低碳钢WC0.25%。 （2）中碳钢0.25%WC0.60%。 （3）高碳钢WC0.60%。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,2按钢的冶金性质分类 根据钢中有害杂质硫、磷含量多少可分为 （1）普通质量钢WS0.050%，WP0.045%。 （2）优质钢WS0.030%，WP0.035%。 （3）高级优质钢WS0.020%，WP0.030%。 （4）特级质量钢WS0.015%，WP0.025%。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,3按用途分类 （1）碳素结构钢，主要用于制造各种工程构件（桥梁、船舶、建筑构件等）和机器零件（齿轮、轴、螺钉、螺栓、连杆等）。这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。 （2）碳素工具钢，主要用于制造各种刃具、量具、模具等。这类钢一般属于高碳钢。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,三、碳钢的牌号与应用 1碳素结构钢 这类钢中碳的质量分数一般在0.06%0.38%范围内，钢中有害杂质相对较多，但价格便宜，大多用于要求不高的机械零件和一般工程构件。通常轧制成钢板或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、角钢、钢筋等）供应。 牌号表示方法是由屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等4个部分按顺序组成。例如Q235AF表示碳素结构钢中屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,碳素结构钢的牌号、主要成份、力学性能及用途见表2-3所列。 由表可见，Q195、Q215、Q235、Q225为低碳钢，Q275为中碳钢，其中Q235因碳的质量分数及力学性能居中，故最为常用。碳素结构钢的屈服强度S与伸长率5均与钢材厚度有关，这是由于碳素结构钢一般都在热轧空冷状态供应，钢材厚度越小，冷却速度越大，得到的晶粒越细，故其S、5越高。中碳钢也可通过热处理进一步提高强度、硬度。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,2优质碳素结构钢 这类钢因有害杂质较少，其强度、塑性、韧性均比碳素结构钢好。主要用于制造较重要的机械零件。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，如08、10、45等，数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。如上述牌号分别表示其平均碳的质量分数为0.08%、0.1%、0.45%。 优质碳素结构钢按其含锰量的不同，分为普通含锰量（WMn =0.25%0.8%）和较高含锰量（WMn =0.7%1.2%）两组。含锰量较高的一组在牌号数字后面加“Mn”字。若是沸腾钢，则在牌号数字后面加“F”字，如15Mn、30Mn、45Mn、65Mn、08F、10F等。 常用优质碳素结构钢的牌号、主要成份、力学性能及用途见表2-4所列。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,3碳素工具钢 碳素工具钢因含碳量比较高（WC=0.65%1.35%），硫、磷杂质含量较少，经淬火、低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于制造各种低速切削刀具、量具和模具。 碳素工具钢按质量可分为优质和高级优质两类。为了不与优质碳素结构钢的牌号发生混淆，碳素工具钢的牌号由代号“T”（“碳”字汉语拼音首字母）后加数字组成。数字表示钢中平均碳质量分数的千倍。如T8钢，表示平均碳的质量分数为0.8%的优质碳素工具钢。若是高级优质碳素工具钢，则在牌号末尾加字母“A”，如T12A，表示平均碳的质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢的牌号、主要成份、性能及用途见表2-5所列。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,4铸造碳钢 生产中有许多形状复杂、力学性能要求高的机械零件难以用锻压或切削加工的方法制造，通常采用铸造碳钢制造。由于铸造技术的进步，精密铸造的发展，铸钢件在组织、性能、精度等方面都已接近锻钢件，可在不经切削加工或只需少量切削加工后使用，能大量节约钢材和成本，因此铸造碳钢得到了广泛应用。 铸钢中碳的质量分数一般在0.15%0.6%范围内。碳含量过高，则钢的塑性差，且铸造时易产生裂纹。铸造碳钢的最大缺点是熔化温度高、流动性差、收缩率大，而且在铸态时晶粒粗大。因此，铸钢件均需进行热处理。,下一页,上一页,返回,第四节 碳钢、铸铁,铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音的首字母“ZG”后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。例如ZG270-500表示屈服强度为270Mpa、抗拉强度为500Mpa的铸造碳钢。 常用铸造碳钢的牌号、主要成份、力学性能及用途见表2-6所列。,上一页,返回,知识扩展,什么是金属的同素异晶转变？ 大多数金属在结晶完了之后晶格类型不再变化，但有些金属，如铁、锰、钛、钴等在结晶成固态后继续冷却时，其晶格类型还会发生一定的变化。 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶格类型的晶体，称为同素异晶体。同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母、等表示。,下一页,返回,知识扩展,铁是典型的具有同素异晶转变特性的金属。如图所示为纯铁的冷却曲线，它表示了纯 铁的结晶和同素异晶转变的过程。由图可见，液态纯铁在1538进行结晶，得到具有体心立方晶格的-Fe，继续冷却到1394时发生同素异晶转变，-Fe转变为面心立方晶格的-Fe，再继续冷