第三章 铁碳合金.doc

组织教学复习提问：.金属的工艺性能是什么?金属有哪些工艺性能？导入新课：以上我们主要学习的是纯金属的知识，但是讲授新课：3-1合金及其组织一、基本概念1合金：是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。2组元：组元是指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。3合金系：合金系是指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。4相：相是指在合金中，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。合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物。1）固溶体：溶质原子溶入溶剂金属中所形成的均匀固相。特点：其点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只是由于溶质原子的溶入引起晶格参数发生畸变。置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子。间隙固溶体：溶质原子分布在溶剂晶体结构的间隙位置。固溶强化：由于各原子大小不一，化学性质也不尽相同，无论组成置换固溶体还是间隙固溶体，都造成固溶体的晶格扭曲。结果，固溶体的强度和硬度升高。2）金属化合物：合金元素间相互作用而形成的新相。特点：a.其晶格类型和性能不同于任一组元；b.一般具有更复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆；c.能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。二、二元合金相图2、二元合金相图的建立1）配置各种成分的合金；2）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；3）建立一个以温度为纵坐标、成分为横坐标的直角坐标系。自横坐标上的成分向上作成分垂线，把临界点分别标注在成分垂线上；4）把开始转变点和转变终了点分别用光滑的曲线连接起来，并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区内的相或组织名称。二、二元匀晶相图二元匀晶相图分析:凡是在液态和固态都能完全互溶、固态下又形成无限固溶体的二元合金，均形成二元匀晶相图。1）合金的结晶在平衡条件下进行；2）枝晶内部化学成分不均匀枝晶偏析；3）结晶过程中的杠杆原理4）合金的性能与成分的关系小结：作业：板书设计：3-1合金及其组织一、基本概念1合金：2组元：3合金系：4相：合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物。1）固溶体：溶质原子溶入溶剂金属中所形成的均匀固相。特点：仍保持溶剂金属的结构，但由于溶质原子的溶入引起晶格参数发生畸变。置换固溶体：间隙固溶体：固溶强化：由于各原子大小不一，化学性质也不尽相同，无论组成置换固溶体还是间隙固溶体，都造成固溶体的晶格扭曲。结果，固溶体的强度和硬度升高。2）金属化合物：合金元素间相互作用而形成的新相。特点：a.其晶格类型和性能不同于任一组元；b.一般具有更复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆；c.能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。二、二元合金相图二元合金相图的建立1）配置各种成分的合金；2）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；3）建立一个以温度为纵坐标、成分为横坐标的直角坐标系。，把临界点分别标注在成分垂线上，并连接相同含义的各临界点。三、二元匀晶相图二元匀晶相图分析:凡是在液态和固态都能完全互溶、固态下又形成无限固溶体的二元合金，均形成二元匀晶相图。1）合金的结晶在平衡条件下进行；2）枝晶内部化学成分不均匀枝晶偏析；3）结晶过程中的杠杆原理4）合金的性能与成分的关系小结：组织教学复习提问：.合金有哪些基本相?.固溶体的组织和性能有何特点？.化合物的组织结构和性能有何特点？导入新课：以上我们学习了一般合金的晶体结构和性能，而生产中应用的主要材料铁碳合金的组织结构和性能怎样呢？讲授新课：3-2 铁碳合金的基本组织和性能一、铁素体（F）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。性能：b=180230MPa，HB=5080，=3050%，=7080%，ak=156196Jcm-2显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。二、奥氏体（A）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。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。性能：=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。三、渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽。渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。四、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。性能：b =750MPa，HB=160180较高； =2025%，=3040%适中。五、莱氏体（Ld）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。铁碳合金中含碳量为4.3%的液体冷却到1148时发生共晶转变，生成高温莱氏体。合金继续冷却到727时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体。统称莱氏体。小结：布置作业：板书设计：3-2 铁碳合金的基本组织和性能一、铁素体（F）铁素体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。最大溶碳量：0.0218%（727）性能：b=180230MPa，HB=5080，=3050%，=7080%，ak=156196Jcm-2显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。二、奥氏体（A）奥氏体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。溶碳能力最大为2.11%（1148）。奥氏体只出现在高温区域内。显微组织：外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。性能：=4050%，具有良好的塑性和低的变形抗力。三、渗碳体（Fe3C）稳定化合物，含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。四、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。显微组织：呈层片状特征，表面具有珍珠光泽。性能：b =750MPa，HB=160180较高； =2025%，=3040%适中。五、莱氏体（Ld）由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。高温莱氏体低温莱氏体。统称莱氏体。小结：组织教学复习提问：铁碳合金的基本组织有哪几种?各有什么性能特点?引入新课:我们已经学习了铁碳合金的基本组织?那么不同成分的铁碳合金的组织是否相同呢?教授新课:3-3铁碳合金相图铁碳合金相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。铁碳相图是长期的生产和科学实验中总结出来的，是研究钢铁材料，制定热加工工艺的重要理论依据和工具。一、相图的组成铁和碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等金属化合物。整个铁碳相图可以看成是由等各部分相图所组成。由于含碳量超过5%的铁碳合金机械性能和工艺性能差，没有实用价值，因此在铁碳相图中只研究相图部分，下面要分析的铁碳相图实际上就是相图，实际上普遍应用的也是相图。二、相图中各特性点、线的含义和各区域内的组织1特性点：A：铁的熔点1538 0%CB：包晶反应时液态合金的浓度，1495 0.53%CC：共晶点1148 4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：，当冷到1148时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物莱氏体D：渗碳体熔点（计算值）1227 6.69%CE：碳在中的最大溶解度点1148 2.11%CF：渗碳体1148 6.69%CG：同素异构转变点（A3）912 0%CH：碳在中的最大溶解度为1495 0.09%CJ：包晶转变点1495 0.17%C 在这一点上发生包晶转变，反应式：当冷却到1495时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相反应生成具有J点成分的固相A。K：渗碳体 727 6.69%CP：碳在中的最大溶解度点 0.0218%C 727S：共析点727 0.77%C 在这一点上发生共析转变，反应式：，当冷却到727时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物珠光体P（）Q：碳在中的溶解度点 室温0.0008%C2特性线：ABCD线：液相线 ，ABCD线以上全部是液体AHJECF：固相线 ，固相线以下全部是固体整个相图主要是由包晶、共晶和共析三个恒温转变等组成。（1）HJB线：包晶转变线，在这条线上发生包晶转变转变，产物奥氏体（A），含碳在0.090.53%的铁碳合金冷却到1495时都有包晶转变发生。（2）ECF线：共晶转变线，在这条线上发生共晶转变，转变产物（混合物），含碳在2.116.69%的铁碳合金冷却到1148时都有共晶转变发生。（3）PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变，产物（P）珠光体，含碳量在0.026.69%的铁碳合金冷却到727时有共析转变发生。此外相图中还有三条重要的固态转变线。（1）ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以形式析出，所以具有0.77%2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织，从A中析出的称为二次渗碳体。（2）GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是。（3）PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，多余的碳以形式析出，从中析出的称为三次渗碳体，由于铁素体含碳很少，析出的很少，一般忽略，认为从727冷却到室温的显微组织不变。3、Fe-Fe3C相图相区分析依据特性点和线的分析，简化Fe-Fe3C相图主要有三个单相区：L、A、F；五个双相区：L+A、A+F、L+ Fe3C、A+ Fe3C、F+ Fe3C。小结：1、相区与相区内的组织不一样；2、对于每个相区，不论温度成分怎么变，其组织种类不变，但相的成分和相对量可能变化；3相图左侧两个单相固溶体：-Fe、-Fe；相区右侧一个单相Fe3C，之间为上述固溶体组成的两相共存区；4共析点、共析线5、共晶点、共晶线布置作业：板书设计：3-3铁碳合金相图一、相图的组成二、铁碳合金相图分析1各特性点的含义A点纯铁的熔点C点共晶点D点渗碳体的熔点E点碳在-Fe中的最大溶解度F点渗碳体的成分点G点-Fe-Fe同素异构转变点S点共析点P点碳在-Fe中的最大溶解度Q点600时，碳在-Fe中的最大溶解度。2各主要线的意义相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合金的开始点和终了点，分别用光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合金内部组织发生转变的界限。ACD线液相线AECF线固相线AC线奥氏体结晶开始线AE线奥氏体结晶终了线GS线铁素体析出开始线GP线铁素体析出终了线PQ线Fe3C析出线ES线Fe3C析出线PSK线共析线CD线一次渗碳体结晶开始线ECF线共晶线3、Fe-Fe3C相图相区分析依据特性点和线的分析，简化Fe-Fe3C相图主要有三个单相区：L、A、F、；五个双相区：L+A、A+F、L+ Fe3C、A+ Fe3C、F+ Fe3C。小结组织教学复习提问：铁碳合金相图各特性点、线的含义，各区域的组织。引入新课:我们已经了解到不同含碳量的铁碳合金其组织是不同的，因此其性能和用途也就不一教授新课:3-3铁碳合金相图（二）三、典型铁碳合金结晶过程分析1、铁碳合金分类(1)工业纯铁：Wc0.0218%；2、典型铁碳合金结晶过程分析依据成分垂线与相线相交情况，分析几种典型铁碳合金结晶过程中组织转变规律。（1）共析钢的结晶过程分析(如图3-5、3-6所示)：（2）亚共析钢的结晶过程分析（如图3-7、3-8所示）：（3）过共析钢的结晶过程分析（如图3-9、3-10所示）： （4）共晶白口铸铁结晶过程分析：（5）亚共晶白口铸铁结晶过程分析：（6）过共晶白口铸铁结晶过程分析：四、铁碳合金成分、组织、性能的关系1.含碳量对平衡组织的影响 综上所述，铁碳合金在室温的组织都是由F和Fe3C两相组成，随着含碳量增加，F不断减小，而Fe3C逐渐增加，并且由于形成条件不同，Fe3C的形态和分布有所变化。如图3-11所示.2.含碳量对力学性能的影响 图3-12为含碳量对碳钢的力学性能的影响。由图可见，随着钢中含碳量增加，钢的强度、硬度升高，而塑性和韧性下降，这是由于组织中渗碳体量不断增多，铁素体量不断减少的缘故。但当WC=0.9%时，由于网状二次渗碳体的存在，强度明显下降。工业上使用的钢含碳量一般不超过1.4%；而含碳量超过2.11%的白口铸铁，组织中大量渗碳体的存在，使性能硬而脆，难以切削加工，一般以铸态使用。五、铁碳合金相图的应用1.作为选材的主要依据 相图表明了钢铁材料成分、组织的变化规律，据此可判断出力学性能变化特点，从而为选材提供了可靠的依据。例如，要求塑性、韧性好、焊接性能良好的材料，应选低碳钢；而要求硬度高、耐磨性好的各种工具。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、确定各种热处理加热温度的依据小结：作业：板书设计3-3铁碳合金相图（二）三、典型铁碳合金结晶过程分析1、铁碳合金分类(1)工业纯铁：Wc0.0218%；2、典型铁碳合金结晶过程分析（1）共析钢的结晶过程分析(如图3-5、3-6所示)：（2）亚共析钢的结晶过程分析（如图3-7、3-8所示）：（3）过共析钢的结晶过程分析（如