铁碳合金 NXPowerLiteppt课件.ppt

第四章铁碳合金 一 铁碳合金的基本组织二 铁碳合金的结晶过程三 铁碳合金相图分析四 合金相图的应用五 碳素钢 1 一 铁碳合金的基本组织 碳在 Fe中的固溶体称铁素体 用F或 表示 碳在 Fe中的固溶体称 铁素体 用 表示 都是体心立方间隙固溶体 铁素体的溶碳能力很低 在727 时最大为0 0218 室温下仅为0 0008 铁素体的组织为多面体晶粒 性能与纯铁相似 组元 Fe C 相 铁素体 2 奥氏体 碳在 Fe中的固溶体称奥氏体 用A或 表示 是面心立方晶格的间隙固溶体 溶碳能力比铁素体大 1148 时最大 为2 11 组织为不规则多面体晶粒 晶界较直 强度低 塑性好 钢材热加工都在 区进行 碳钢室温组织中无奥氏体 3 渗碳体 即Fe3C 含碳6 69 用Fe3C或Cm表示 Fe3C硬度高 强度低 脆性大 塑性几乎为零 Fe3C是一个亚稳相 在一定条件下可发生分解 Fe3C 3Fe C 石墨 该反应对铸铁有重要意义 由于碳在 Fe中的溶解度很小 因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在 4 4 珠光体共析转变的产物是 与Fe3C的机械混合物 称作珠光体 用P表示 珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布 性能介于两相之间 强度较高 硬度适中 塑性和韧性较好 5 5 莱氏体共晶产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物 称作莱氏体 用Le表示 莱氏体 莱氏体的力学性能与渗碳体相似 硬度很高 塑性极差 6 合金的结晶过程比纯金属复杂 常用相图进行分析 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解 又称状态图或平衡图 二 二元相图的建立与分析 7 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律 是制订熔炼 铸造 热加工及热处理工艺的重要依据 根据组元数 分为二元相图 三元相图和多元相图 8 1 二元相图的建立 几乎所有的相图都是通过实验得到的 最常用的是热分析法 9 二元相图的建立步骤为 以Cu Ni合金 白铜 为例 1 配制不同成分的合金 测出各合金的冷却曲线 找出曲线上的临界点 停歇点或转折点 2 将临界点标在温度 成分坐标中的成分垂线上 3 将垂线上相同意义的点连接起来 并标上相应的数字和字母 10 相图中 结晶开始点的连线叫液相线 结晶终了点的连线叫固相线 11 2 二元相图的基本类型分析 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图 以Cu Ni合金为例进行分析 1 二元匀晶相图 12 相图由两条线构成 上面是液相线 下面是固相线 相图被两条线分为三个相区 液相线以上为液相区L 固相线以下为 固溶体区 两条线之间为两相共存的两相区 L 13 合金的结晶过程除纯组元外 其它成分合金结晶过程相似 以 合金为例说明 当液态金属自高温冷却到t1温度时 开始结晶出成分为 1的固溶体 其Ni含量高于合金平均成分 14 随温度下降 固溶体重量增加 液相重量减少 同时 液相成分沿液相线变化 固相成分沿固相线变化 这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应 15 成分变化是通过原子扩散完成的 当合金冷却到t3时 最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体 此时固溶体的成分又变回到合金成分 3上来 液固相线不仅是相区分界线 也是结晶时两相的成分变化线 匀晶转变是变温转变 16 杠杆定律处于两相区的合金 不仅由相图可知道两平衡相的成分 还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量 现以Cu Ni合金为例推导杠杆定律 确定两平衡相的成分 设合金成分为x 过x做成 分垂线 在成分垂线相当于温度t的o点作水平线 其与液固相线交点a b所对应的成分x1 x2即分别为液相和固相的成分 17 枝晶偏析合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体 但实际冷速较快 结晶时固相中的原子来不及扩散 使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素 如Cu Ni合金中的Ni 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素 如Cu Ni合金中的Cu 18 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析 不仅与冷速有关 而且与液固相线的间距有关 冷速越大 液固相线间距越大 枝晶偏析越严重 枝晶偏析会影响合金的力学 耐蚀 加工等性能 生产上常将铸件加热到固相线以下100 200 长时间保温 以使原子充分扩散 成分均匀 消除枝晶偏析 这种热处理工艺称作扩散退火 19 Cu Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织 平衡组织 枝晶偏析组织 20 2 相图的分析步骤 实际二元相图常比较复杂 可按下列步骤进行分析 Fe Fe3C相图 分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区 相区接触法则 相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定 液相线以上为液相区 21 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区 相图中的垂线可能是稳定化合物 单相区 也可能是相区分界线 相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区 相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触 22 两相区的确定 两个单相区之间夹有一个两相区 该两相区的相由两相邻单相区的相组成 三相区的确定 二元相图中的水平线是三相区 其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成 Fe Fe3C相图 23 常见三相等温水平线上的反应 24 分析典型合金的结晶过程 25 第三节铁碳合金相图 铁碳合金 碳钢和铸铁 是工业应用最广的合金 含碳量为0 0218 2 11 的称钢含碳量为2 11 6 69 的称铸铁 26 铁和碳可形成一系列稳定化合物 Fe3C Fe2C FeC 它们都可以作为纯组元看待 含碳量大于Fe3C成分 6 69 时 合金太脆 已无实用价值 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe Fe3C相图 27 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具 是研究碳钢和铸铁的成分 温度 组织及性能之间关系的理论基础 是制定热加工 热处理 冶炼和铸造等工艺依据 28 二 铁碳合金相图的分析 特征点 29 特征线 液相线 ABCD 固相线 AHJECF 三条水平线 HJB 包晶线LB H JECF 共晶线LC E Fe3C共晶产物是 与Fe3C的机械混合物 称作莱氏体 用Le表示 为蜂窝状 以Fe3C为基 性能硬而脆 莱氏体 30 PSK 共析线 S FP Fe3C共析转变的产物是 与Fe3C的机械混合物 称作珠光体 用P表示 珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布 性能介于两相之间 PSK线又称A1线 扫描电镜形貌 31 其它相线GS GP 固溶体转变线 GS又称A3线 HN JN 固溶体转变线 ES 碳在 Fe中的固溶线 又称Acm线 PQ 碳在 Fe中的固溶线 32 三个三相区 即HJB L ECF L Fe3C PSK Fe3C 三条水平线 相区 五个单相区 L Fe3C 七个两相区 L L L Fe3C Fe3C Fe3C 33 三 铁碳合金的结晶过程 钢 0 0218 2 11 C 高温组织为单相奥氏体 亚共析钢 0 0218 0 77 C 共析钢 0 77 C 过共析钢 0 77 2 11 C 铁碳相图上的合金 按成分可分为三类 工业纯铁 0 0218 C 组织为单相铁素体 34 白口铸铁 2 11 6 69 C 铸造性能好 硬而脆 亚共晶白口铸铁 2 11 4 3 C 共晶白口铸铁 4 3 C 过共晶白口铸铁 4 3 6 69 C 35 工业纯铁的结晶过程合金液体在1 2点间转变为 铁素体 3 4点间 奥氏体 5 6点间 到7点 从 中析出Fe3C 36 随温度下降 Fe3C 量不断增加 合金的室温下组织为F Fe3C 室温下Fe3C 最大量为 从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体 用Fe3C 表示 Fe3C 以不连续网状或片状分布于晶界 37 工业纯铁的结晶过程 38 共析钢的结晶过程 合金液体在1 2点间转变为 到S点发生共析转变 S P Fe3C 全部转变为珠光体 39 珠光体在光镜下呈指纹状 转变结束时 珠光体中相的相对重量百分比为 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体 S点以下 共析 中析出Fe3C 与共析Fe3C结合不易分辨 室温组织为P 40 共析钢的结晶过程 41 亚共析钢的结晶过程0 09 0 53 C亚共析钢冷却时发生包晶反应 以0 45 C的钢为例合金在4点以前通过匀晶 包晶 匀晶反应全部转变为 到4点 由 中析出 到5点 成分沿GS线变到S点 发生共析反应转变为珠光体 温度继续下降 中析出Fe3C 由于与共析Fe3C结合 且量少 忽略不计 42 亚共析钢的结晶过程 43 亚共析钢室温下的组织为F P 在0 0218 0 77 C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加 44 过共析钢的结晶过程合金在1 2点转变为 到3点 开始析出Fe3C 从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体 用Fe3C 表示 其沿晶界呈网状分布 温度下降 Fe3C 量增加 到4点 成分沿ES线变化到S点 余下的 转变为P 在共析温度下Fe3C 的相对量 45 过共析钢的结晶过程 46 共晶白口铸铁的结晶过程液相冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体Le Le是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物 呈蜂窝状 47 共晶转变结束时 两相的相对重量百分比为 C点以下 成分沿ES线变化 共晶 将析出Fe3C Fe3C 与共晶Fe3C结合 不易分辨 48 温度降到2点 成分达到0 77 此时 相的相对重量 在2点 共晶 发生共析反应 转变为珠光体 这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体 用Le 表示 2 点以下 共晶体中珠光体的变化同共析钢 49 共晶白口铸铁的结晶过程 50 共晶白口铁室温组织为Le P Fe3C 它保留了共晶转变产物的形态特征 51 亚共晶白口铸铁的结晶过程合金在1 2点间析出 到2点 液相成分变到C点 并转变为Le 2 3点间从 中析出Fe3C 一次 的Fe3C 被共晶 衬托出来 到3点 转变为P 52 亚共晶白口铸铁的结晶过程 53 亚共晶白口铸铁室温组织为P Fe3C Le 室温下组织组成物 54 过共晶白口铸铁的结晶过程1 2点间从液相中析出Fe3C 这种渗碳体称一次渗碳体 用Fe3C 表示 呈粗条片状 到2点 余下的液相成分变到C点并转变为Le 55 2点以下 Fe3C 成分重量不再变化 Le变化同共晶合金 其室温组织为Fe3C Le 56 组织组成物与相组成物标注区别主要在 Fe3C和 组织组成物在铁碳合金相图上的标注 Fe3C两个相区 Fe3C相区中有四个组织组成物区 Fe3C相区中有七个组织组成物区 57 58 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为 59 含碳量对力学性能的影响铁素体强度 硬度低 塑性好 而渗碳体则硬而脆亚共析钢随含碳量增加 P量增加 钢的强度 硬度升高 塑性 韧性下降 0 77 C时 组织为100 P 钢的性能即P的性能 0 9 C Fe3C 为晶界连续网状 强度下降 但硬度仍上升 2 11 C 组织中有以Fe3C为基的Le 合金太脆 60 含碳量对工艺性能的影响 切削性能 中碳钢合适 可锻性能 低碳钢好 焊接性能 低碳钢好 铸造性能 共晶铸铁好 热处理性能 中碳钢 低碳钢 61 一 选材方面铁碳合金相图总结了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律 这样 就可以根据零件的服务条件和性能要求 来选择合适的材料 四 合金相图的应用 根据相图中成分 组织 性能关系的规律 可以按照零件或工具性能要求 进行合理的选材 如果需要塑性好韧性高的材料时 则可选用铁素体组织多的碳钢 对于要求综合机械性能较高的材料 可选用组织是铁素体加珠光体的碳钢 当需要硬度高 耐磨性好的材料时 则应选含碳更高的其组织是珠光体加渗碳体的碳钢 62 二 焊接方面焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的 可根据铁碳合金相图分析 可选用低碳钢作为焊接接头 三 铸造方面铸造生产中 合理地确定浇注温度对产品的质量起着重要的作用 浇注温度过高 会使液态金属的吸气量和总收缩量增大 易在铸件中形成气孔 缩孔等缺陷 浇注温度过低 会使液态金属流动性变差 在浇注中容易产生冷隔和浇不足等缺陷 根据Fe Fe3C相图可以合理地确定浇注温度一般定为液相线以上50 100 63 四 锻造方面铸钢件存在不可避免的组织缺陷 缩孔 疏松 气孔等 零件若直接用金属切削加工制造 会存在金属纤维被切断 这些都导致机械性能不高 因此工程上一些重要的零件都要求用锻件 钢材锻造时 需要把钢加热到一定的温度范围内进行 即确定钢的始锻温度 开始锻造的温度 和终锻温度 停止锻造的温度 我们知道 奥氏体的塑性较好 随温度升高奥氏体的变形抗力也不断减小 因此必须把钢加热到Fe Fe3C相图奥氏体单相区中的适当的温度范围 64 其选择原则是始锻温度不能过高 过高会使金属产生过烧或熔化的现象 碳素钢的始锻温度通常定为固相线以下200 左右 而终锻温度不能过低 过低会使金属的塑性显著降低 这样锻造时易形成锻造裂纹 碳素钢的终锻温度应在GSE线附近 一般定为800 左右 如图所示 65 五 热处理方面根据铁碳合金相图拟订淬火 退火 正火等各种热处理加热规范 有着特别重要的意义 66 第五节碳素钢 1 Mn 0 8 时为杂质 是有益元素 作用为 强化铁素体 消除硫的有害作用 一 杂质元素对性能的影响 钢中的杂质一般是指Mn Si P S 是由原料带入或脱氧残留的元素 含碳量在0 0218 2 11 之间且不含有特意加入合金元素的铁碳合金称为碳素钢 67 强化铁素体 增加钢液流动性 3 S 是有害元素 常以FeS形式存在 易与Fe在晶界上形成低熔点共晶 985 热加工时 1150 1200 由于其熔化而导致开裂 称热脆性 钢中的硫应控制在0 045 以下 2 Si 0 5 时为杂质 是有益元素 作用为 合金晶界的低熔点硫化物共晶 68 Mn可消除硫的有害作用 FeS Mn Fe MnS MnS熔点高 1600 4 P 也是有害元素 能全部溶入铁素体中 使钢在常温下硬度提高 塑性 韧性急剧下降 称冷脆性 P一般控制在0 045 以下 69 5 气体元素 N 室温下N在铁素体中溶解度很低 钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN Fe4N形式析出使钢变脆 称时效脆化 加Ti V Al等元素可使N固定 消除时效倾向 O 氧在钢中以氧化物的形式存在 其与基体结合力弱 不易变形 易成为疲劳裂纹源 70 H 常温下氢在钢中的溶解度也很低 当氢在钢中以原子态溶解时 降低韧性 引起氢脆 当氢在缺陷处以分子态析出时 会产生很高内压 形成微裂纹 其内壁为白色 称白点或发裂 71 二 碳素钢的分类1 按化学成分分 72 2 按质量分钢的质量是以磷 硫的含量来划分的 分普通质量钢 优质钢 高级优质钢和特级优质钢 根据现行标准 各质量等级钢的磷 硫含量如下 73 3 按冶炼方法分 74 4 按金相组织分 电弧炉炼钢 75 5 按用途分 76 二 钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母 化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法 采用汉语拼音字母表示钢产品的名称 用途 特性和工艺方法时 一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母 77 常用钢产品的名称 用途 特性和工艺方法表示符号 GB T221 2000 78 1 普通碳素结构钢Q 最低屈服强度值 质量等级符号 脱氧方法符号Q表示 屈服强度 屈服强度值单位是MPa 质量等级符号为A B C D E 由A到E 其P S含量依次下降 质量提高 脱氧方法符号 沸腾钢 F 镇静钢 Z 半镇静钢 b 特殊镇静钢 TZ 如碳素结构钢牌号表示为Q235AF Q235BZ 钢板 79 碳素结构钢的硫 磷含量较多 但由于冶炼容易 工艺性好 价格便宜 在力学性能上一般能满足普通机械零件及工程结构件的要求 因此用量很大 约占钢材总量的70 这类钢中的S P和非金属夹杂物含量比优质碳素结构钢多 在相同含碳量及热处理条件下 其塑性 韧性较低 加工成形后一般不进行热处理 大都在热轧状态下直接使用 通常轧制成板材 带材及各种型材 热连轧钢板 碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应 Q195钢的碳的质量分数很低 塑性好 常用作螺钉 螺母及各种薄板 也可用来代替优质碳素结构钢08或10钢 制造冲压件 焊接结构件 Q275钢强度较高 可代替30钢 40钢用于制造较重要的某些零件 以降低原材料成本 80 2 优质碳素结构钢牌号用两位数字表示 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几 如45钢 平均含碳量为万分之四十五 即0 45 的优质碳素结构钢 81 钢带 说明 含Mn量为0 7 1 0 时 在两位数字后加元素符号 Mn 如40Mn 对于沸腾钢和半镇静钢 在钢号后分别加字母F和b 如08F 10b 高级优质钢在钢号后加字母A 如20A 82 优质碳素结构钢的含硫 磷量较低 s 0 030 p 0 035 非金属夹杂物较少 钢的品质较高 塑性 韧性都比 普通 碳素结构钢好 主要用于制造较重要的机械零件 08F 10F钢的碳的质量分数低 塑性好 焊接性能好 主要用于制造冲压件和焊接件 83 15 20 25钢属于渗碳钢 这类钢强度较低 但塑性和韧性较高 焊接性能及冷冲压性能较好 可以制造各种受力不大 但要求高韧性的零件 此外还可用作冷冲压件和焊接件 30 35 40 45 50 55钢属于调质钢 经淬火加高温回火后 具有良好的综合力学性能 主要用于要求强度 塑性和韧性都较高的机械零件 如轴类零件 这类钢在机械制造中应用最广泛 其中以45钢更为突出 60 65 70钢属于弹簧钢 经淬火加中温回火后可获得高的弹性极限 高的屈强比 主要用于制造弹簧等弹性零件及耐磨零件 渗碳钢经渗碳 淬火加低温回火后 表面硬度可达60HRC以上 耐磨性好 而心部具有一定的强度和韧性 可用来制作要求表面耐磨并能承受冲击载荷的零件 84 7 铸造碳钢ZG 两位数字ZG表示 铸钢 两位数字表示屈服强度 抗拉强度 铸造碳钢一般用于制造形状复杂 机械性能要求比铸铁高的零件 例如水压机横梁 轧钢机机架 重载大齿轮等 85 1 ZG200 400有良好的塑性 韧性和焊接性能 用于制造承受载荷不大 要求韧性的各种机械零件 如机座 变速箱壳等 2 ZG230 450有一定的强度和较好的塑性 韧性 焊接性能良好 切削加工性好 用于制造承受载荷不大 要求韧性的各种机械零件 如砧座 外壳 轴承盖 底板 阀体 犁柱等 3 ZG270 5004 ZG310 5705 ZG340 640 86 碳素工具钢是用于制作刃具 模具和量具的碳素钢 其加工性良好 价格低廉 使用范围广泛 在工具生产中用量较大 碳素工具钢根据使用目的的不同可分为碳素刃具钢 碳素模具钢和碳素量具钢 碳素刃具钢用于制作切削工具 碳素模具钢用于制作冷 热加工模具 碳素量具钢用于制作测量工具 4 碳素工具钢 87 T 数字T表示 碳素工具钢 数字表示平均含碳量的千分之几 如T8 其平均含碳量为千分之八 0 8 C 说明 碳素工具钢都是优质以上质量的 高级优质钢在钢号后加 A 如T8A 丝锥 锉刀 88 1 铅易切削钢铅在钢中呈细小金属颗粒形态 均匀分布或附着于硫化物的周围 铅的熔点较低 切削时会有融熔铅渗出 起润滑作用 减少摩擦 提高钢的被切削性 而对常温力学性能影响甚小 五 易切削钢 钢中含铅量一般为0 10 0 35 因为铅的比重大 如含量过高 容易引起严重的偏析并形成大颗粒夹杂物 反而降低铅对切削的有利作用 铅和硫复合加入低碳结构钢中 改善钢材被切削性的效果更为显著 89 2 硫易切削钢硫在钢中同锰和铁形成硫化锰夹杂物 由于MnS夹杂物割断基体金属的连续性 切削时促使断屑形成易于排除的小半径短卷 减少刀具与断屑间的接触面积 并能起内部润滑作用 降低摩擦 使断屑不致粘附在刀刃上形成刀瘤 从而降低切削力和切削热 减少刀具磨损 提高加工表面光洁度和刀具寿命 通常钢的被切削性随含硫量的增多而改善 即在刀具同样寿命的条件下 含硫量越高 切削速度越高 但含硫量过高 则会导致热脆性 给钢的热加工造成困难 影响钢的力学性能 特别是降低了钢的横向力学性能 如横向的塑性和韧性以及疲劳性能 通常含硫量为0 08 0 30 有时可达0 40 90 3 钙易切削钢钢中钙与铝 硅结合形成低熔点的复合氧化物 主要是CaO Al2O3 SiO2 高速切削时 熔化后粘附在刀具表面起润滑和减摩作用 提高刀具的使用寿命 如果同时含硫 铅等元素 它们的复合作用会使切削效果更好 4 硫磷易切削钢磷和硫复合加入钢中 通常含磷量为0 04 0 12 磷固溶于铁素体中会提高硬度和强度 降低韧性 使切屑易于折断和排除 从而获得良好的加工表面光洁度 如含磷量过高 则会显著降低塑性 增高硬度 反而影响钢的被切削性 91 5 硒 碲 铋易切削钢碲 铋含量约为0 03 0 10 硒的含量可达0 15 硒以硒化物如FeSe MnSe等的形态存在于钢中 其作用与硫相似 对于既要求高的被切削性 又要求较好的塑性的钢 在钢中加硒要比硫好 碲可以单独加入 也可与铅或硫同时加入钢中 形成复合夹杂物 以降低切削抗力和切削热 使切屑容易排除 显著提高钢的被切削性 得到良好的加工表面光洁度