金属材料及工艺---第2章 铁碳合金.ppt

第2章 铁碳合金 2.1 金属的晶体结构与结晶 2.1.1 晶体的基本概念 （1）晶体：按照一定的几何规则作周期性的重复排列。 晶体具有固定熔点，各向异性。 （2）晶格、晶胞、晶格常数 图2.1.1晶体结构示意图 2.1.2 常见金属的晶体结构 （1） 体心立方晶格 （2）面心立方晶格 图2.1.2 体心立方晶格 图2.1.3 面心立方晶格 3. 密排六方晶格 图2.1.4 密排六方晶格 2.1.3 金属的实际晶体结构 （1）单晶体与多晶体的概念 单晶体 多晶体 晶粒 晶界 图2.1.5 单晶体与多晶体示意图 （2）晶体中的缺陷 1）点缺陷 空位和间隙原子 晶格畸变 2）线缺陷 位错 刃型位错 图2.1.6空位和间隙原子示意图 图2.1.7刃型位错立体模型 3） 面缺陷 晶界和亚晶界 图2.1.8 晶界的过渡结构示意图 图2.1.9亚晶界结构示意图 2.1.4 纯金属的结晶 （1）纯金属的冷却曲线和冷却现象 金属的结晶温度可用热分析等试验方法来测定 。 纯金属的冷却曲线 过冷现象(理论结晶温度T0； 实际结晶温度T1) 过冷度T= T0-T1 图2.1.10 纯金属冷却曲线 （2）金属的结晶过程 生核、长大 枝晶 图2.1.11 金属的结晶过程示意图 图2.1.12 晶核长大示意图 （3）晶粒大小与金属力学性能的关系 晶粒大小对机械性能的影响 在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有 较高的强度、硬度、塑性和韧性。 细化晶粒的方法 1）增加过冷度 2）变质处理 3）附加振动 2.2 合金的相结构 2.2.1 基本概念 合金 ：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属 元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。 组元：组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元 通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。 相：合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫 做相。合金中相与相之间有明显的界面。 相结构：合金中相的晶体结构。 组织：在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的 组成部分总称为组织。 2.2.2 固态合金的相结构 固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 1.固溶体 合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称 为固溶体，可分为有限固溶体和无限固溶体两类。 （1）置换固溶体 无限固溶体； 有限固溶体 （2）间隙固溶体 有限固溶体 （3）固溶体的性能 固溶强化 图2.2.1 固溶体的两种类型 2. 金属化合物 金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型 和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物 。 （1）金属化合物的分类 1）正常价化合物 元素严格遵守化合价规律结合，其成分固定不变，并可用化学式表示。 2）电子化合物 不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度比，组成一定晶体结构的 化合物。 3）间隙化合物 一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe，Cr，Mo，W，V等）与原 子直径较小的非金属元素（H，C，N，B等）所组成。 （2）金属化合物的性能 金属化合物的性能不同于组元，一般熔点较 高, 性能硬而脆。 弥散强化：金属化合物呈细小颗粒均匀分布 在固溶体基体上时, 将使合金的强度、硬度和耐磨 性明显提高。 2.2.3 相图的建立 二元合金相图的概念 二元合金相图的测定方法 1）配制成分不同 的合金； 2）测定各合金的 冷却曲线； 3）找出各冷却曲线 的相变点； 4）标注相变点； 5）连接相变点成 相界线。 (a) 冷却曲线 (b) 相图 图2.2.2 Cu-Ni相图的测定 2.2.4 相图与性能的关系 1. 合金的使用性能与相图的关系 （a） （b） 图2.2.3 合金的物理及力学性能与相图的关系 2. 合金的工艺性能与相图的关系 （a）（b） 图2.2.4 合金的铸造性能与相图的关系 2.3 铁碳合金相图 2.3.1 工业纯铁 同素异构转变 770称为居里 点，用A2表示。 图2.3.1 纯铁的冷却曲线 2.3.2 铁碳合金基本相及组织 （1）铁素体F 碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以F表示。其强度、硬度不高，但具 有良好的塑性和韧性。 （2）奥氏体A 碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以A表示。其硬度较低而塑性较高， 易于锻压成形。 图2.3.2 铁素体的显微组织 （3）渗碳体Fe3C 分子式为Fe3C，是一种具有复杂晶格的间隙化合物。 其230以下具有弱铁磁性；硬度很高，而塑性和韧性几乎为零 ，脆性极大。 （4）珠光体P 珠光体是铁素体和渗碳体两相组织的机械混合物，常用符 号“P”表示。碳的质量分数为0.77%。 （5）莱氏体Ld 莱氏体是由奥氏体(或珠光体)和渗碳体组成的机械混合物， 常用符号“Ld”表示。碳的质量分数为4.3%。 2.3.3 铁碳合 金相图 分析 图2.3.3 Fe-Fe3C相图 1. 铁碳合金相图分析 Fe-Fe3C相图主要特征点及含义见表2.3.1所示。 ACD线液相线 AECF线固相线 ECF线共晶线 ：共晶反应 PSK共析线 ；共析反应 GS、GP线固溶体的同素异构转变线。 ES和PQ线溶解度曲线 CD线是从液体中结晶出渗碳体的起始线 4个单相区： 液相区L相区 ，奥氏体(A)相区， 铁素体(F)相区，渗碳体(Fe3C)相区。 5个两相区： L+A， L+ Fe3C， A+F， A+ Fe3C， F+ Fe3C。 2个三相共存区： ECF线(L+A+Fe3C)、 PSK线(A+F+ Fe3C)。 2. 铁碳合金的分类 (1) 工业纯铁：c0.0218。 (2) 钢：0.0218c2.11。钢又分为: 亚共析钢：0.0218c0.77； 共析钢：c0.77； 过共析钢：0.77c2.11。 (3) 白口铸铁：2.11c6.69。白口铸铁又分为： 亚共晶白口铸铁：2.11c4.3； 共晶白口铸铁: c4.3； 过共晶白口铸铁: 4.3c6.69。 2.3.4 典型铁碳合金的结晶过程分析 图2.3.4 钢部分的典型铁碳合金的结晶过程分析示意图 图2.3.5 共析钢的显微组织图2.3.6 亚共析钢的显微组织 （1）共析钢（c0.77 ） （2）亚共析钢（0.0218c0.77 ） （3）过共析钢（0.77c2.11 ） 图2.3.7 过共析钢的显微组织 （4）共晶白口铸铁（c4.3 ） （5）亚共晶白口铸铁（2.11c4.3 ） 图2.3.9 共晶白口铸铁显微组织 图2.3.10 亚共晶白口铸铁显微组织 （6）过共晶白口铸铁（4.3c6.69） 图2.3.11 过共晶白口铸铁显微组织 2.3.5 碳的质量分数对铁碳组织、性能的影响 1、碳的质量分数对平衡组织的影响 2.碳的质量分数对力学性能的影响 钢钢中c0.9%时，随含碳 量的增加，其强度、硬度呈直线 上升而塑性、韧性不断降低； 钢中c0.9%时，因渗碳 体网的存在，使塑性、韧性进一 步降低，强度也明显下降； 钢中碳的质量分数一般不超过 1.3%1.4% c2.11%的白口铸铁，存在 大量渗碳体、硬脆难加工，一般应 用不广。 图2.3.12 碳的质量分数对钢的力学性能影响 3. 碳的质量分数对工艺性能的影响 （1）切削加工性 （2）可锻性 （3）铸造性能 （4）可焊性 2.3.6 铁碳合金相图的应用 （1）选材料方面的应用 （2）制定热加工工艺方面的应用 2.4 碳素钢、铸铁 2.4.1 碳钢中常存杂质及对性能的影响 (1) 硅 硅在钢中是有益元素。在炼铁、炼钢的生产过程中 ，由于原料中含有硅以及使用硅铁作脱氧剂，使得钢中常含 有少量的硅元素。在碳钢中通常wSi0.4%，硅能溶入铁素 体使之强化，提高钢的强度、硬度，而塑性和韧性降低。 (2) 锰 锰在钢中也是有益元素。锰也是由于原材料中含有 锰以及使用锰铁脱氧而带入钢中的。锰在钢中的质量分数一 般为wMn=0.25%0.8%。锰能溶入铁素体使之强化，提高 钢的强度、硬度。锰还可与硫形成MnS，消除硫的有害作用 ，并能起断屑作用，可改善钢的切削加工性。 (3) 硫 硫在钢中是有害元素。硫和磷也是从原料及燃 料中带入钢中的。硫在固态下不溶于铁，以FeS(熔点 1190)的形式存在。FeS常与Fe形成低熔点(985)共 晶体分布在晶界上，当钢加热到10001200进行 压力加工时，由于分布在晶界上的低熔点共晶体熔化 ，使钢沿晶界处开裂，这种现象称为热脆。为了避免 热脆，在钢中必须严格控制含硫量。 (4) 磷 磷在钢中也是有害元素。磷在常温固态下能全 部溶入铁素体中，使钢的强度、硬度提高，但使塑性 、韧性显著降低，在低温时表现尤为突出。这种在低 温时由磷导致钢严重脆化的现象称为“冷脆”。磷的存 在还使钢的焊接性能变坏，因此钢中含磷量要严格控 制。 2.4.2 碳素钢分类、牌号及用途 （1）碳素钢分类： 按碳的质量分数： 低碳钢(Wc0.25%）； 中碳钢(Wc0.250.60)； 高碳钢(Wc0.60)。 按钢的冶金质量和有害杂质元素硫、磷的质量分数： 普通质量钢(Ws=0.035%0.050，Wp=0.0350.045)； 优质钢(Ws、Wp均0.035)； 高级优质钢(Ws =0.0200.030，Wp0.0250.030) 。 按用途分类为结构钢、工具钢。 （2）钢的编号 1)碳素结构钢 碳素结构钢牌号表示方法由代表屈服点屈字 的汉语拼音字母、屈服极限数值、质量等级符号及脱氧方法 符号四个部分按顺序组成。牌号中Q表示“屈”；A、B、C、D 表示质量等级，它反映了碳素钢结构中有害杂质（S、P）质 量分数的多少，（C、D）级硫、磷质量分数最低、质量好， 可作重要焊接结构件。例如Q235AF，即表示屈服点为235N mm2、A等级质量的沸腾钢。F、b、Z、TZ依次表示沸腾钢、半 镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，一般情况下符号Z与TZ在牌号 表示中可省略。 2)优质碳素结构钢 其牌号用两位数字表示，两位数字表示钢 中平均碳质量分数的万倍。例如45钢，表示平均Wc=0.45%； 08钢表示平均Wc =0.08%。优质碳素结构钢按锰的质量分数不 同，分为普通锰钢(WMn0.25%0.80%)与较高锰的钢 (WMn=0.70%1.20%)两组。较高锰的优质碳素结构钢牌号数 字后加“Mn”，如45Mn。 3)碳素工具钢 其牌号冠以“T”(“T”为“碳”字的汉语拼 音首位字母)，后面的数字表示平均碳的质量分数的千倍。 碳素工具钢分优质和高级优质两类。若为高级优质钢，则在 数字后面加“A”字。例如T8A钢，表示平均Wc =0.8%的高级 优质碳素工具钢。对含较高锰的(WMn0.400.60%)的碳 素工具钢，则在数字后加“Mn”，如T8Mn、T8MnA等。 4)铸造碳钢 其牌号用“ZG”代表铸钢二字汉语拼音首位字母 ，后面第一组数字为屈服强度(单位N/mm2)，第二组数字为 抗拉强度(单位N/mm2)。例如ZG200-400，表示屈服强度s( 或0.2)200N/mm2，抗拉强度b400N/mm2的铸造碳钢 件。 （3）碳素结构钢 表2.4.1 碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途 （4）优质碳素结构钢 表2.4.2 优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能 表2.4.3 优质碳素结构钢的用途 （5）碳素工具钢 表2.4.4 常用碳素工具钢的牌号、成分、硬度及用途 （6）铸造碳钢 表2.4.5 铸造碳素钢的牌号、成分、力学性能 表2.4.6 铸造碳素钢的应用 2.4.3 铸铁分类、牌号及用途 铸铁是c2.11%（一般为c=2.5%4%）的铁碳合 金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素，并比碳钢含有较 多的硫、磷等杂质元素的多元合金。还可加入一定量的合 金元素，得到合金铸铁。 根据铸铁中石墨形态铸铁可分为：灰铸铁（石墨以片 状形式存在）、球墨铸铁（石墨以球状形式存在）、蠕墨 铸铁（石墨以蠕虫状形式存在）、可锻铸铁（石墨以团絮 状形式存在）。 (1) 灰铸铁 灰铸铁的化学成分 铸铁中碳、硅、锰是调节组织的元素，磷是控制使用的 元素，硫是应限制使用的元素。 C=2.5%4.0%。 (a) 铁素体灰铸铁 (b) 铁素体+珠光体灰铸铁 (c) 珠光体灰铸铁 图2.4.1 灰铸铁的显微组织 1)灰铸铁的性能 孕育处理和孕育铸铁 灰铸铁具有良好铸造性能、切削加工性、减摩性和消震性， 铸铁对缺口的敏感性较低。 2)灰铸铁的牌号和应用 牌号中“HT”是“灰铁”两字汉语拼音的第一个字母，后 面三位数字表示直径30mm单铸试棒的最小抗拉强度值（MPa） 。 (2)球墨铸铁 球墨铸铁的化学成分与灰铸铁相比，其特点是含碳与含硅量 高，含锰量较低，含硫与含磷量低，并含有一定量的稀土与 镁。C=3.6%4.0%。 (a) 铁素体球墨铸铁 (b) 铁素体+珠光体球墨铸铁 (c) 珠光体球墨铸铁 图2.4.2 球墨铸铁的显微组织 1）球墨铸铁的性能 球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高，而成本却接近于灰铸铁 ，并保留了灰铸铁的优良铸造性能、切削加工性、减摩性和缺 口不敏感等性能。因此它可代替部分钢作较重要的零件，对实 现以铁代钢，以铸代锻起重要的作用，具有较大的经济效益。 2）球墨铸铁的牌号和应用 我国国家标准中列了八个球墨铸铁的牌号见表2.4.8。牌号 由QT与两组数字组成，其中QT表示“球铁”二字汉语音的字首 ，第一组数字代表最低抗拉强度值，第二组数字代表最低伸 长率。 （3）可锻铸铁 可锻铸铁又俗称为马铁。可锻铸铁实际上是不能锻造 的。 组织是钢的基体上分布着团絮状的石墨，有铁素体可锻 铸铁(黑心可锻铸铁)和珠光体可锻铸铁两种（如图2.4.3）。 (a) 铁素体可锻铸铁 (b) 珠光体可锻铸铁 图2.4.3 可锻铸铁的显微组织 1）可锻铸铁的牌号、性能和应用 表2.4.9列出我国常用可锻铸铁的牌号、性能及用途。其 牌号由“KTH”或“KTZ”与两组数字表示。其中“KT”表示“可锻 ”二字的汉语拼音字首；“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的汉语 拼音的字首；牌号后边第一组数字表示最小抗拉强度值；第二 组数字表示最小伸长率。 （4）蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是上世纪70 年代发展起来的一种新型 铸铁，因其石墨很象蠕虫 而命名（如图2.4.4）。 蠕墨铸铁的牌号由RuT与一组数字表示。其中RuT表示 “蠕铁”二字汉语拼音的字首，后面三位数字表示其最小抗拉 强度值，蠕墨铸铁的牌号、性能及用途见表2.4.10。 蠕墨铸铁主要用于制造气缸盖、气缸套、钢锭模、液压 件等零件。 图2.4.4 铁素体蠕墨铸铁的显微组织 2.5 金属的塑性变形与再结晶 在工业生产中，由于铸态金属材料的晶粒粗大 、组织不均、成分偏析及组织不致密等缺陷，工业 上用的金属材料大多要在浇注成金属铸锭后经过压 力加工再使用。 塑性变形不仅可以使金属获得一定的形状和尺 寸，而且还会引起金属内部组织与结构变化，使铸 态金属的组织与性能得到一定的改善。 塑性变形后的金属会有回复和再结晶现象。 2.5.1 金属单晶体的塑性变形 单晶体金属塑性变形的基本方式是滑移和孪 生，其中滑移是最主要的变形方式。 滑移变形有如下特点： (1) 滑移只能在切应力作用下发生。 (2) 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生 。 (3) 滑移的距离为滑移方向上原子间距的整数倍。 (4) 滑移的同时伴随着晶体的转动。 (5) 滑移是由于滑移面上的位错运动而产生的。 图2.5.1 晶格中不同晶面的面间距 图2.5.2 滑移带和滑移线的示意图 图2.5.3 晶体通过位错运动而造成滑移的示意图 图2.5.4 位错运动时的原子位移图 单晶体塑性变形另一种形式是孪生