第五章_铁碳合金相图及碳素钢

第五章铁碳合金相图及碳素钢 P56 第一节铁碳合金中的相与基本组织第二节铁碳合金相图第三节碳素钢 高山流水 第一节铁碳合金中的相与基本组织一 Fe的同素异晶转变及晶体结构 P56 同素异晶转变 是指金属在结晶成固态以后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象 也称同素异构转变 Fe的冷却曲线及相应的晶体结构 P56 L Fe Fe Fe Fe 1538 1394 912 液相 体心 面心 体心 同素异构转变 重结晶 的特点 P56 1 在固态下进行 2 同素异构体的晶核优先在原来晶粒的晶界处形成 3 同素异构转变有较大的过冷度 4 同素异构转变往往要产生较大的内应力 注意重结晶与再结晶的区别 二 铁碳合金中的相 相组成物 1 铁素体 P57 铁素体 F或 碳原子固溶到 Fe中形成的间隙固溶体室温相 常作基本相 基体相 铁素体强度 硬度不高 塑性 韧性很好 F的金相组织示意图 二 铁碳合金中的相 相组成物 2 奥氏体 P58 奥氏体 A或 1 碳原子固溶到 Fe中形成的间隙固溶体 2 高温相 存在于727 以上 一般不存在于室温 3 奥氏体强度不高 塑性很好 二 铁碳合金中的相 相组成物 3 渗碳体 P58 渗碳体 Fe3C 铁与碳形成的间隙化合物 含碳量6 69 室温相 常作为钢的第二弥散强化相 渗碳体具有高硬度 高脆性 低强度和低塑性 一次渗碳体Fe3CI 从液相直接结晶出来 二次渗碳体Fe3CII 从A中析出 三次渗碳体Fe3CIII 从F中析出 二 铁碳合金中的相 相组成物 4 石墨 P58 石墨 G Fe C合金中游离存在的碳石墨的强度 塑性 硬度都很低 二 铁碳合金中的相 相组成物 4 液相 P58 液相 L 液态的铁碳合金 铸铁浇注照片 三 铁碳合金中的基本组织 组织组成物 P58 1 珠光体 P 共析转变 恒温下 一种固相同时析出两种不同成分固相的机械混合物 共析体 A0 77 F Fe3C P珠光体的力学性能介于F和Fe3C之间 强度较高 硬度适中 有一定的塑性 727 P的金相显微镜组织 三 铁碳合金中的基本组织 组织组成物 P58 2 高温莱氏体 Ld L4 3 A Fe3C Ld共晶转变高温莱氏体是存在于727 以上的一种基本组织 硬度很高 塑性很差 1148 三 铁碳合金中的基本组织 组织组成物 P58 3 低温莱氏体 Ld 在727 以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变成珠光体 这时的莱氏体就变成由P和Fe3C组成 成为低温莱氏体 低温莱氏体是室温下的一个基本组织 三 铁碳合金中的基本组织 相组成和组织组成物总结 P58 相组成 L A F Fe3C G 组织组成 F A Fe3CI Fe3CII Fe3CIII P Ld Ld 第二节铁碳合金相图 P59 一 Fe C相图与Fe Fe3C相图二 对Fe Fe3C相图的分析三 典型铁碳合金的结晶过程四 含碳量对铁碳合金组织与性能的影响五 Fe Fe3C相图的应用 一 Fe C相图与 P59 简化了的Fe Fe3C相图 二 对Fe Fe3C相图的分析 一 相图中的主要点 P59 二 对Fe Fe3C相图的分析 二 相图中的主要相变线 P59 一 Fe C相图与Fe Fe3C相图 P59 二 对Fe Fe3C相图的分析 二 相图中的相区 P61 相图中的相区1 单相区5个 L A F Fe3C2 双相区7个 L A A L L Fe3C A Fe3C A F F Fe3C3 三相区3个 L A L A Fe3C A F Fe3C包晶线共晶线共析线 三 典型铁碳合金的结晶过程 一 Fe Fe3C相图中铁碳合金的分类 P61 1 工业纯铁Wc 0 02 2 碳素钢0 02 Wc 2 11 1 共析钢Wc 0 07 2 亚共析钢0 02 Wc 0 77 3 过共析钢0 77 Wc 2 11 3 白口铸铁2 11 Wc 6 69 1 共晶白口铸铁Wc 4 3 2 亚共晶白口铸铁2 11 Wc 4 3 3 过共晶白口铸铁4 3 Wc 6 69 二 典型合金的相变过程1 工业纯铁在平衡态下的结晶过程 P61 显微组织照片 1点以上L 3 4点 A 6 7点F 1 2点L 4 5点A 7点以下F Fe3CIII 2 3点 铁素体相 5 6点A F 室温下 相组成物F Fe3C 二 典型合金的相变过程1 共析钢在平衡态下的结晶过程 P62 1点以上L 1 2点L A 2 3点A 3点共析转变AS FP Fe3C P 片层状分布 共析铁素体共析渗碳体珠光体团3 4点F Fe3CIII Fe3C P室温下 相组成物F Fe3C 组织组成物P 727 二 典型合金的相变过程3 亚共析钢在平衡态下的结晶过程 P63 1点以上L 2点包晶转变 0 09 L0 53A0 171 2点L 5点共析转变A0 77 FP Fe3C P2 3点A L 5 6点F Fe3CIII P F P3 4点A Fe3CIII含量很少 可以忽略不计 4 5点A F 室温下 相组成物F Fe3C 组织组成物F P 1495 727 二 典型合金的相变过程含碳量的估算 P64 F 白色P 黑色 通过光学显微镜观察估计某一铁碳合金中的P所占比例 可用杠杆定律估算出该合金的WC即 WC 0 77 QP 亚共析钢显微照片 二 典型合金的相变过程4 过共析钢的相变过程 P64 1点以上L 4点共析转变A0 77 FP Fe3C P1 2点L A 4 5点P Fe3CII2 3点A 室温下 相组成物F Fe3C3 4点A Fe3CII组织组成物P Fe3CII 727 显微组织照片 二 典型合金的相变过程5 共晶白口铸铁的相变过程 P65 1点以上 L 1点 共晶转变L4 3 A2 11 Fe3C Ld 1 2点 A Fe3CII Fe3C Ld二次渗碳体与共晶渗碳体混成一体 2点 共析转变A0 77 FP Fe3C P 2 3点 P Fe3CII Fe3C Ld 室温下 相组成物F Fe3C 组织组成物Ld 渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体 显微照片 1148 727 二 典型合金的相变过程6 亚共晶白口铸铁的相变过程 P65 1点以上 L 1 2点 L A 2点 共晶转变L4 3 A2 11 Fe3C Ld2 3点 A Fe3CII Ld 3点 先共晶A共析转变A0 77 FP Fe3C PLdLd 3 4点 P Fe3CII Ld 室温下 相组成物F Fe3C 组织组成物 P Fe3CII Ld 显微组织照片 1148 727 二 典型合金的相变过程6 过共晶白口铸铁的相变过程 P66 1点以上 L 1 2点 L Fe3CI 先共晶渗碳体 呈粗大条状 2点 共晶转变L4 3 A2 11 Fe3C Ld 2 3点 Fe3CI Ld 3点 LdLd Fe3CI 3 4点 Fe3CI Ld 室温下 相组成物F Fe3C 组织组成物Ld Fe3CI 1148 过共晶白口铁显微照片 四 按组织组成物分区的Fe Fe3C相图 P67 F P P P Fe3CII A A Fe3CII F A A Fe3CII Ld A Fe3CII Ld Fe3CI Ld Fe3CI Ld Ld Ld 五 含碳量对铁碳合金组织与性能的影响 一 含碳量对铁碳合金组织的影响 P68 随着含碳量增加时 渗碳体不仅数量增加 形态和分布也发生了很大变化 渗碳体分布在P内 网状分布在A晶界上 形成莱氏体时 渗碳体则成了基体 二 含碳量对铁碳合金性能的影响1 对热变形加工性能的影响 P68 WC 2 11 时 纯铁与碳素钢 高温时可获得单相A固溶体组织 塑性好 可进行热变形加工 WC 2 11 时 白口铸铁 高低温区都有脆硬的莱氏体 不能进行热变形加工 二 含碳量对铁碳合金性能的影响2 对力学性能的影响 P68 1 硬度WC增加 硬度增加 2 强度WC0 9 时 WC增加 强度降低 3 塑性 韧性WC增加 塑性 韧性下降 为了保证工业用钢具有足够的强度和塑性 韧性 碳素钢的含碳量一般不超过1 4 二 含碳量对铁碳合金性能的影响3 对物理化学性能的影响 P68 WC增加 导热性下降 抗电化学腐蚀性能下降 焊接工艺性下降 铸造工艺性下降 六 Fe Fe3C相图在工业生产中的应用1 在选材方面的应用 P69 根据零件的使用性能选择钢的成分 钢号 1 要求塑性 韧性好而强度不高的机件 低碳钢 WC 0 25 如冷冲压件 2 要求强度 塑性 韧性等综合性能好的机件 中碳钢 WC 0 3 0 55 并进行适当的热处理 如机床主轴 3 各种工具用钢 高碳钢 如锉刀 六 Fe Fe3C相图在工业生产中的应用2 在铸造方面的应用 P69 1 确定合理的浇注温度铸件的合理浇注温度一般选在液相线以上50 100 2 铸铁件的化学成分多选在共晶点附近 此成分的铁碳合金结晶温度区间较小 流动性好 分散缩孔小 六 Fe Fe3C相图在工业生产中的应用3 在锻造方面的应用 P69 根据相图选择最佳压力加工工艺温度范围 锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200 左右 停止锻轧温度一般要控制在800 左右 六 Fe Fe3C相图在工业生产中的应用4 在热处理方面的应用 P70 Fe Fe3C相图中的A1 A3 Acm三条相变线是确定碳素钢热处理工艺加热温度的依据 PSK A1GS A3ES Acm A1 Acm 第三节碳素钢 P70 一 钢中常存杂质对钢性能的影响二 碳素钢的分类 钢号和主要用途 一 钢中常存杂质对钢性能的影响1 Mn的影响 P70 钢中常在杂质有 Si Mn S P和氧 氢 氮等气体 Mn是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素 锰有较强的脱氧能力 锰大部分溶于F 使钢强化 锰对钢有益 锰能降低S对钢的危害 一般碳素钢中把锰控制在0 25 0 8 范围内 一 钢中常存杂质对钢性能的影响2 Si的影响 P70 Si主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂 Si比锰脱氧能力强 硅溶于F 提高钢的强度和硬度 但会使塑性和韧性降低 硅促进Fe3C分解成石墨 若钢中出现石墨会使钢的韧性严重下降 产生所谓的 黑脆 硅在碳素钢中一般控制在0 17 0 37 范围内 一 钢中常存杂质对钢性能的影响3 S的影响 P70 S可使钢的 热脆 性增加 S不溶于 Fe 而以化合物FeS的形式存在 其熔点为1190 而FeS又能于Fe形成共晶体分布于晶界上 其熔点仅为985 S对钢的焊接性能也有不良影响 容易导致焊缝热裂 所以 S在钢中是有害杂质 其含量一般要求不大于0 05 但是 S能改善钢材的切削性能 一 钢中常存杂质对钢性能的影响4 P的影响 P71 P会引起钢的 冷脆 P在钢中全部溶于 Fe中 使钢的强度和硬度增高 同时 塑性和韧性显著降低 当钢中含P量达0 3 时 钢完全变脆 这种脆性现象在低温时更为严重 P还降低钢的焊接性能 所以 P在钢中是有害杂质 其含量一般要求不大于0 045 但是 S能改善钢材的切削性能和耐腐蚀性能 一 钢中常存杂质对钢性能的影响5 气体的影响 P71 氧会降低钢的力学性能 尤其是疲劳强度 对钢无益 越少越好 N会以氮化物的形式析出 增加钢的强度和硬度 但会降低钢的塑性和韧性 使钢变脆 H会使钢的脆性显著增加 称为 氢脆 H会使钢中产生裂纹 称为 白点 二 碳素钢的分类 钢号和主要用途 一 碳素钢的分类 P72 1 按钢中含碳量分 1 低碳钢WC 0 25 2 中碳钢0 25 0 6 2 按钢的质量分 1 普通钢WS 0 05 WP 0 045 2 优质钢WS 0 035 WP 0 035 3 高级优质钢WS 0 02 WP 0 03 二 碳素钢的分类 钢号和主要用途 一 碳素钢的分类 P72 3 按钢的用途分 1 碳素结构钢 2 优质碳素结构钢 3 碳素工具钢 4 一般工程用铸造碳素钢件 铸钢 二 碳素钢的分类 钢号和主要用途 一 碳素钢的分类 P72 4 按炼钢时的脱氧程度分 1 沸腾钢 F 脱氧不彻底 2 镇静钢 Z 脱氧彻底 3 半镇静钢 b 脱氧程度介于F和Z之间 4 特殊镇静钢 TZ 进行特殊脱氧 二 碳素钢的钢号命名方法和主要用途 P72 1 碳素结构钢主要用途 各类工程 通常热轧后空冷供货 用户一般不需进行热处理而直接使用 这类钢共分五个强度等级 命名 标志符号Q 最小 S值 等级符号 脱氧程度符号如 Q235 AF等级符号 A B C D D级达到了优质钢水平 二 碳素钢的钢号命名方法和主要用途 P78 2 优质碳素结构钢主要用途 重要机件 可以通过热处理调整零件的力学性能 出厂状态可以是热轧后空冷 也可以是退火 正火等状态 随用户需要而定 命名 用两位数字表示 两位数字表示钢中含碳量的万分之几 如 45钢WC 0 45 常用牌号 08F 15 4