成形工艺基础金属工艺学（下册）第二章铁碳合金（ppt 53页）课件

第第 二二 章章 铁铁 碳碳 合合 金金 成形工艺基础材21 1纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 1.结晶 由液态转变为固体晶体的过程。 或：原子由不规则(无序)排列到有(序)规则排列 过程. 或：晶体结构形成的过程。如水冰2 2.冷却曲线 用热分析法测定时描述金属结晶 过程的曲线。 成形工艺基础材22 曲线上有一段水平线，是实际结晶温度 T1 , 又称结晶平台 ，是结晶时放出的热(潜热)造成的. 虚线：理论结晶温度T0。 3.过冷度 T T0T1 实际结晶温度 低于理论结晶温度，此称“过 冷”。 过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关 冷却速度越快，结晶温度越低，过冷度越大, 反之冷却速度慢，过冷度则小。 成形工艺基础材23 下图是金属结晶过程示意图 主要结论： 1.结晶过程实质形核成长（大）， 两者相继又并存。 2.结晶终了： 得多晶粒组织(晶界多), 犬牙交错，晶粒愈细愈好； 控制细晶措施有： 成形工艺基础材24 1.增大过冷度； 2.变质处理； 3.机械振动； 4.热处理或压力加工。 二、纯铁的晶体结构 1.晶体与非晶体 定义：原子按一定几何形状作有规律的重复 排列的固体物质称晶体；非晶体则反之。 特点：晶体 有熔点；具有各向异性。 成形工艺基础材25 如：食盐，冰， 金刚石，金属等。 非晶体: 无熔点；各向同性。 如：玻璃，松香，沥青等。 2.晶格 为便于研究晶体中原子排列规律，人为将原 子抽象化，将晶体中每一个原子看作一个点，用 假想连线联接起来。形成晶格。 晶格中一个基本几何单元叫做：晶胞。 成形工艺基础材26 晶胞棱边长度为：晶格常数. (1)体心立方晶格 bodycentered cubic lattice bcc 特点：Rm(强度)较好。 如：912 Fe, Cr, Mo, V等。 (2)面心立方晶格 facecentered cubic latticefcc 特点：A、Z (塑性)较好。 912 Fe ,Cu, Al 等金属. 成形工艺基础材27 (3) 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice (hcp). 特点：硬度高、脆性大。 如：锌(Zn) , 镁(Mg), 镉(Cd)等金属。 三、纯铁的同素异构转变 在固态下随温度发生变化，其晶格类型发生 转变的现象同素异构(晶)转变。 广义上说同素异构转变也是结晶过程，遵循 生核与长大两规律； 成形工艺基础材28 也需要一定的过冷度；有结晶热效应。 又称：重结晶，二次结晶。 由于晶格结构的转变，金属随之有体积的涨 缩；金属内部产生应变。 降温时,体积膨胀；,体积收缩。 转变式： -Fe -Fe -Fe-Fe -Fe -Fe 成形工艺基础材29 22铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 1.合金 alloy 由两种或两种以上金属元素或者金属元素与 非金属元素组成的具有金属特性的物质。 如：青铜、铸铁、铝合金等。 2.组元 constituent 组成合金的最基本的独立的物质称组元，简 称“元”。 如：黄铜 Cu-Zn；硬铝 Al-Cu 等为二元合金。 成形工艺基础材210 3.相 phase 指同一化学成分，同一结构并以界面互相分 开的均匀组成部分。如 固相、液相等。 4.组织 structure 借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种形 态、形貌特征的组成部分。 常见的合金的相结构有： 固溶体、金属化合物和机械混合物三类型。 成形工艺基础材211 一、固溶体一、固溶体 solid solutionsolid solution 定义：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一 种均匀固体。 如；糖水 水溶剂，糖溶质。 保持溶剂晶格； 固溶体属于单相组织。 分类： 按溶质原子在溶剂中分布情况不同， 分 置换固溶体和间隙固溶体两类 成形工艺基础材212 (1)置换固溶体溶质原子替换晶格上的原子 (2)间隙固溶体溶质原子溶入晶格原子间隙 特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能 发生变化。 结果： 造成晶格畸变，强度、硬度上升。 这种现象称固溶强化。工程中广泛应用， 如锰钢（16Mn现称Q345)便为固溶结果。 （弱强化相） 成形工艺基础材213 碳可以溶入-Fe 、 -Fe 等形成不同的固 溶体。 1.铁素体F 铁素体是铁中溶入一种或多种溶质元素构 成的固溶体。 727时 Wc=0.0218%；室温时 Wc=0.008. 特点：塑性、韧性好，强度、硬度低。（近 似纯铁） 其显微组织特征： 成形工艺基础材214 正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色，在钢中的 形态多为不规则的多边形块，在接近共析成分的 钢中，往往呈网状或断续网状。 2.奥氏体 (A) 【austenite 英国金相学家】 奥氏体是铁中溶入碳和（或）其他元素 构成的固溶体。 其强度和硬度比铁素体高,塑性、韧性也好。 因此，钢材多数加热到奥氏体状态进行锻造。 成形工艺基础材215 在1148时 Wc2.11；在727时 Wc0.77 高温显微镜下(727以上)才能观察到奥氏体 组织。其晶粒呈多边形，且晶界较铁素体平直。 二、金属化合物二、金属化合物 compoundcompound 合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有 金属性质的新相。 如 Fe与CFe3C(渗碳体)是晶体结构属于正交 系，化学式为Fe3C的金属化合物,是钢和铸铁中 成形工艺基础材216 常见的固相。其硬度很高(800HBW)，塑性、韧性 很差，脆性很大。 渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状和网状 分布，主要起强化作用，它的形态、大小、数量 和分布对钢和铸铁的性能有很大影响。 （相对固溶体，Fe3C属于强强化相。） Fe3C在一定条件下可以分解，形成石墨。 反应式： Fe3C 3FeC石墨 成形工艺基础材217 三、机械混合物三、机械混合物 两相按固定比例构成的组织（复合相）， 称机械混合物。 各相保持自己的晶格类型、性能特点.(如:混 凝土) 强度、硬度适中。 目前钢铁材料中大部分是这种组织。 如 铁碳合金中珠光体(P)；莱氏体(Ld)。 1.珠光体 P pearlite 是F与Fe3C机械混合物，WC=0.77% 成形工艺基础材218 珠光体是铁素体薄层（片）与碳化物（包括 渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的共析组织。 （记住：层片相间） 其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高 ，硬度适中，有一定的塑性。 2.莱氏体 Ld 分高温莱氏体和低温莱氏体 A与Fe3C的机械混合物 称高温莱氏体，用符 号：Ld表示； 成形工艺基础材219 高温莱氏体冷却到727以下时，转变为： P+ Fe3C 称低温莱氏体； 珠光体和渗碳体的复合物，又称“变态莱氏 体”(Ld)。 其力学性能与渗碳体相近,极为脆硬！ 平均含碳量为4.3。 组织特征：白亮的渗碳体为基体，上面分布 着许多粒状、条状或不规则形状的黑色珠光体。 成形工艺基础材220 3 3 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的多。 含碳量不同的铁碳合金结晶过程差别很大。 用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化 ；然后，使之极其缓慢的冷却，测出各成分的合 金的冷却曲线； 在横(成分)纵(温度)坐标图上连点描线， 可得铁碳合金状态图。 铁碳合金状态图的作用： 成形工艺基础材221 1.表达铁碳合金不同成分、温度下的组织状态 . 2.研究钢铁成分、组织和性能之间关系的工具. 3.制定铸造、锻造、焊接和热处理工艺的依据. 由于含碳大于6.69的铁碳合金在工业上没 有实用价值，又由于Fe3C的含碳量6.69，是一 个稳定的化合物，视为一个组元；我们重点讨论 的是： FeFe3C 简化状态图 成形工艺基础材222 成形工艺基础材223 二、铁碳合金状态图的分析二、铁碳合金状态图的分析 1. 四个基本相 是 指铁碳合金状态图中： 液相(L)、 奥氏体相(A)、 铁素体相(F)、渗碳体相( Fe3C)。 2.特性点 在铁碳合金状态图中用字母标出的点都有其 特定的意义。 3.特性线 成形工艺基础材224 1）ACD线液相相；液体到此开始结晶。 2）AECF线固相线；合金至此全部结晶为 固体。 在液固两线之间为液固两相区。 在C点产生共晶反应，其反应式： Lc Ld(A+Fe3C) 3）GS线自A中析出F线。以：A3线表示。 4）ES线C在A中的溶解度曲线.以：Acm表示 。 1148 成形工艺基础材225 5）PSK线共析反应线，常以：A1表示。 6）PQ线碳在铁素体中溶解度曲线。产生 Fe3C 按含碳量不同，将铁碳合金分为： 钢和铸铁两类 钢含碳量小于2.11的铁碳合金，按室温组 织又分为： 亚共析钢 含碳量0.77 成形工艺基础材226 铸铁指生铁(白口生铁)含碳量为2.116.69 ，又分： 亚共晶白口生铁含碳量4.3% 三、钢在结晶过程中的组织转变三、钢在结晶过程中的组织转变 . . 下面以共析钢为例，分析铁碳合金在缓慢冷却 过程中的组织转变规律 。 成形工艺基础材227 A E G P Q S Fe L A L+A F F+A F+P P P+Fe3C A+Fe3C 0.772.11 . 共析钢 1 2 3 P .亚共析钢 1 2 3 4 1 2 3 44 L L+A A F+A AP P 冷却曲线 过共析钢 成形工艺基础材228 4 4 工业用钢简介工业用钢简介 钢 以铁为主元素，含C2以下，并含 有其它元素的材料。 钢：可形变加工的铁碳合金。 一、碳钢分类（掌握内容） 钢从不同角度可以有不同分类： 二、碳素钢 简称：碳钢 carbon -steel 常存元素对碳钢性能的影响(了解) 成形工艺基础材229 1.碳(C )作用 碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示 总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加 ， Fe3C增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降， 强度先升后降。 2.锰 (Mn)作用 脱氧，FeO还原Fe；与S作用MnS降低热脆 性；提高强度、硬度。属有益元素。 3.硅 ( Si)作用 成形工艺基础材230 与钢液中FeO生成炉渣，提高钢质量；溶于F 中，固溶强化。有益元素。 4.硫 S 作用： 形成FeS(熔点1190），在晶界 处，在1100 1200 时，压力加工，产生脆裂。“热脆 ”。有害元素。 5.磷P 作用： 全部溶于F中，固溶强化；Rm、HB，在 低温下引起脆断“冷脆”。有害元素。 成形工艺基础材231 碳钢一般分为： 1.碳素结构钢 GB7001988 牌号由代表屈服点的字母Q、 屈服点数值、 质量等级符号、 脱氧方法四部分组成。 其中质量等级分别用A、B、C、D表示。 A的S、P量高，D的S、P量最低，且质量最 好。 如：Q235A . F Q“屈”字汉语拼音字首，读“屈”。 成形工艺基础材232 235Rm(b)235MPa A质量等级 A级 F脱氧方法，指“沸腾钢”，一般不标。 牌号：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类. 用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、 垫圈、焊接钢管等。 2.优质碳素结构钢 S、P含量较低，用于重要零件 成形工艺基础材233 GB：牌号用两位数字表示，表示含碳量万 分之几（十）。 如：08F、10、15、20、25，为低碳钢，塑 性好，耐冲、好焊； 30、35、40、45、50、55，中碳钢含P多， 强硬适中，多做重要件； 60、65、70、75，高碳钢。多需淬火回火 ，制作弹性耐磨件。 20Mn、65Mn等称 含锰量较高的优质碳素结 构钢。 成形工艺基础材234 3.碳素工具钢。 牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表 示Wc的千分之几。 如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。 如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高 级优质碳素工具钢(适用各类高级优质钢）。 其中： T7钢（WC=0.7%）主要用于制造手钳、剪刀 、凿子、手锤等； 成形工艺基础材235 T10钢（WC=1%）用于制作手用钢锯条、简 单冷作模具、（手工钻头）等； T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。 主参考书P24表14为碳钢成分和性能 三、合金钢 为了提高钢的力学性能、工艺性能、物理性 能、化学性能、淬透性等，在碳钢的基础上加入 某些合金元素，称为合金钢。按用途分 合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。 成形工艺基础材236 1.合金结构钢 钢号:数字元素符号数字(平均百分数) 如20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、38CrMoAlA等； 用于制造机械零件和工程构件。 主参考书P24中16Mn应归类于(低合金)高强度 结构钢,新号:Q345 （GB/T1591-94） 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 在碳素结构钢基础上加入少量锰、硅等合元 制成的。通常在热轧、正火状态下使用，产品同 时保证力学性能和化学成份。 成形工艺基础材237 牌号表达同碳素结构钢， Q295Q295、 Q345Q345、 Q390Q390、 Q420Q420、 Q460Q460. 低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近 ，但性能有较大的提高，在工程结构中应用极为 广泛。（旧牌号:16Mn、09MnV2等等） 2.合金工具钢 用于制造刃具、模具、量具等工具. 如 9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等； 其中GCr15有专用名称：“滚动轴承钢”，实 为“名专用途广”。 成形工艺基础材238 高速钢 又称：锋钢、白钢。 特点是高热硬性、耐