金属工艺及实训03ppt课件

金属工艺及实训 理论部分 课件03 模块九金属材料铸锭组织特征 金属材料在铸造状态的组织 会直接影响金属材料在压力加工过程中的性能及其相关产品的性能 金属材料在结晶过程中 除了受过冷度和未溶杂质两个重要因素影响外 还受其他多种因素的影响 其结果可以从金属铸锭的组织构造中看出来 图1 29所示 金属铸锭呈现三个不同外形的晶粒区 即表面细晶粒区 柱状晶粒区和等轴晶粒区 模块九金属材料铸锭组织特征 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 模块九金属材料铸锭组织特征 1 表面细晶粒区液态金属材料刚注入锭模时 表面层的金属液受到剧烈冷却 因而在较大的过冷度下结晶 表面细晶粒区的组织特点是 晶粒细长 区域厚度较小 组织致密 成分均匀 力学性能较好 模块九金属材料铸锭组织特征 2 柱状晶粒区柱状晶粒区的出现主要是因为金属铸锭受垂直于模壁散热方向的影响 凡是晶轴垂直于模壁的晶粒 由于其沿着晶轴向模壁传热较快 从而形成柱状晶粒区 穿晶 如果金属铸锭在凝固过程中 液体金属材料始终维持较大的内外温差 则柱状晶粒可以长到铸锭中心的情况 模块九金属材料铸锭组织特征 3 等轴晶粒区晶核由于在不同方向上的长大速度相同 加之这时过冷度较小 因而便形成粗大的等轴晶粒区 等轴晶粒区的组织特点是 晶粒粗大 组织疏松 力学性能较差 在金属铸锭中 除存在组织不均匀外 还常有缩孔 气泡 偏析 夹杂等缺陷 根据浇注方法不同 金属铸锭分为钢锭模铸锭 简称铸锭 和连续铸锭 模块九金属材料铸锭组织特征 3 等轴晶粒区晶核由于在不同方向上的长大速度相同 加之这时过冷度较小 因而便形成粗大的等轴晶粒区 等轴晶粒区的组织特点是 晶粒粗大 组织疏松 力学性能较差 在金属铸锭中 除存在组织不均匀外 还常有缩孔 气泡 偏析 夹杂等缺陷 根据浇注方法不同 金属铸锭分为钢锭模铸锭 简称铸锭 和连续铸锭 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 现代工业中广泛使用的钢铁材料 其基本组元是铁和碳两个元素 故称铁碳合金 铁碳合金的性能主要取决于组织组成 一 铁碳合金的基本组织在固态铁碳合金中 铁和碳的相互作用有两种 1 碳原子溶解到铁的晶格中形成固溶体 如铁素体与奥氏体 2 是铁和碳原子按一定的比例相互作用形成金属化合物 如渗碳体 铁素体 奥氏体 渗碳体均是铁碳合金的基本相 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 1 铁素体碳溶于 Fe形成的间隙固溶体 称为铁素体 用F表示 铁素体的显微组织与纯铁相同 在显微镜下呈明亮的多边体晶粒组织 图1 30 Fe是体心立方晶格 其晶格间隙的直径很小 溶碳能力极差 727 时 C 0 0218 铁素体的力学性能与纯铁相近 强度 硬度较低 塑性 韧性较好 铁素体在770 以下具有铁磁性 在770 以上则失去铁磁性 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 2 奥氏体碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体 称为奥氏体 用A表示 奥氏体存在于727 以上的高温范围内 高温下奥氏体的显微组织 图1 32 其晶粒也呈多边形 但晶界较平直 由于 Fe是面心立方晶格 致密度虽然高于体心立方晶格的 Fe 但由于其晶格间隙的直径比 Fe大 所以溶碳能力较强 C 0 77 2 11 随温度的下降 溶碳能力逐渐降低 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 2 奥氏体奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关 一般奥氏体的硬度为170 220HBW 伸长率 40 50 由此可见 奥氏体的硬度较低 塑性较好 易于锻压成形 这也是锻造时把钢加热到高温状态的主要原因 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 3 渗碳体渗碳体是铁与碳相互作用形成的金属化合物 分子式为Fe3C 具有复杂的晶体结构 图1 34所示 渗碳体中碳的质量分数为6 69 熔点约为1227 硬度很高 塑性和韧性几乎为零 脆性很大 渗碳体不发生同素异构转变 却有磁性转变 在230 以下具有弱的铁碳性 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 3 渗碳体渗碳体的组织形态较多 与其他相共存时 可呈现片状 粒状 网状或板条状 渗碳体是碳钢中主要的强化相 它的数量 形态 大小与分布对钢的性能有很大的影响 渗碳体是亚稳定相 在一定条件下会发生分解 形成石墨 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 4 珠光体珠光体是由铁素体F与渗碳体Fe3C形成的机械混合物 它是奥氏体从高温缓冷至727 时 恒温下共析转变的产物 用P表示 其显微组织为铁素体与渗碳体片层状交替排列 图1 35 碳的质量分数为0 77 珠光体具有较高的强度和硬度 又有一定的塑性和韧性 是一种综合性能较好的组织 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 5 莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体 高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体形成的机械混合物 用Ld表示 低温莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物 用Ld 表示 低温莱氏体的组织是在渗碳体的基体上分布着颗粒状的珠光体 其力学性能与渗碳体相似 硬度很高 塑性 韧性极差 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 二 Fe Fe3C相图Fe与C可以形成Fe3C Fe2C FeC等一系列化合物 而稳定的化合物可以作为一个独立的组元 因此整个Fe C相图可视为由Fe Fe3C Fe3C Fe2C Fe2C FeC等一系列二元相图组成 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 二 Fe Fe3C相图工业使用的铁碳合金中C的质量分数一般为wc 5 因此只需研究相图中Fe Fe3C的部分 图4 5中的阴影部分 因此铁碳合金相图实际上是Fe Fe3C相图 Fe Fe3C相图是指在极其缓冷的条件下 C的质量分数为wc 6 69 的铁碳合金的组织状态随温度变化的图解 简化后的Fe Fe3C相图如图1 36所示 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 特性点Fe Fe3C相图中各个特性点的温度 成分及含义见表4 1 1 相图分析 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 特性线 ACD线 液相线 是不同成分合金开始结晶的温度线 此线以上合金处于液态 AC线对应的液态合金缓冷到AC线所对应的温度 开始结晶出奥氏体 CD线对应的液态合金缓冷到CD线所对应的温度时开始结晶出一次渗碳体 用Fe3CI表示 AECF线 固相线 是各种成分合金结晶温度的终止线 此线以下合金均为固态 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 特性线 ECF水平线 共晶线含碳量为4 3 的液态合金冷却到ECF线所对应的温度 1148 时 将发生共晶转变 同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物 此反应称为共晶反应 即共晶转变的产物称为高温莱氏体 凡是含碳量在2 11 C 6 69 的铁碳合金 缓冷到1148 时都要发生共晶转变 形成高温莱氏体 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 特性线 ES线 又称Acm线 是碳在奥氏体中的溶解度曲线 随温度变化 奥氏体的溶碳量将沿ES线变化 是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线 凡是含碳量在0 77 以上的铁碳合金 自1148 冷却到727 的过程中 都将从奥氏体中析出二次渗碳体 用符号Fe3C 表示 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 特性线 GS线 又称A3线 是奥氏体和铁素体相互转变线wc 0 77 的铁碳合金 缓冷至此线所对应的温度时 由奥氏体中开始析出铁素体 同时也是缓慢加热时 铁素体转变成奥氏体的终了线 GP线 是奥氏体和铁素体的相互转变线温度下降时 奥氏体向铁素体转变 温度上升时 铁素体向奥氏体转变 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 PSK水平线 共析线 也称A1线 含碳量 0 0218 的铁碳合金冷却到此线时 在727 时 含碳量为0 77 的奥氏体同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物 此反应称为共析反应 即 由铁素体与渗体组成的共析体称为珠光体 由上述内容可知 共析转变与共晶转变的共同之处 都是在恒温下进行的 都是由一相转变成两相的机械混合物 不同之处 共晶转变是由液相发生的转变 而共析转变则是由固相发生的转变 共析转变时原子扩散困难 所以共析体比共晶体更细密 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 PQ线 是碳在铁素体中的溶解度曲线铁碳合金自727 冷却到室温时 溶解度发生变化 将会从铁素体中析出三次渗碳体 用Fe3C 表示 相区Fe Fe3C相图有4个单相区 液相区 奥氏体区 铁素体区 渗碳体区 5个两相区 L A区 L Fe3C 区 A F区 A Fe3C区 F Fe3C区每个两相区均与相应的两个单相区相邻 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 2 典型铁碳合金的结晶过程及组织 铁碳合金的分类及室温组织铁碳合金按其含碳量和室温下的金相组织不同 可分为三部分 七类 表1 6铁碳合金分类 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 钢的结晶过程分析共析钢 亚共析钢 过共析钢的结晶过程及组织转变规律见图4 7所示 共析钢 线 L L A A P亚共析钢 线 L L A A F A F P过共析钢 线 L L A A A Fe3C P Fe3C 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 3 室温组织 性能随成分变化的规律钢的高温固态具有奥氏体组织 而白口铸铁高温固态具有莱氏体组织 钢的室温组织以珠光体为基体 而白口铸铁的室温组织以莱氏体为基体 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 随含碳量的增加 合金中的Fe3C相呈线性关系增加 钢中含碳量wc 6 69 时 合金成为完全的渗碳体组织 而铁素体的量相应减少为零 钢中含碳量wc 0 77 时 室温下具有完全的珠光体组织 离共析成分越远 珠光体组分越少 而铁素体或一次渗碳体组分相应增多 白口铸铁中含碳量wc 4 3 时 室温下具有完全的低温莱氏体组织 离共晶成分越远 莱氏体组分越少 而珠光体 二次渗碳体或一次渗碳体组分相应增多 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 3 室温组织 性能随成分变化的规律合金的硬度与组织成分大致成线性关系 受组织形态的影响不大 而强度对组织形态比较敏感 当wc0 77 时 因Fe3C 沿晶界不断析出 使强度增加的趋势减缓 当wc 0 9 时 Fe3C 沿晶界形成完整的网状形态 使强度迅速下降 当wc 2 11 时 合金基体已成为脆硬的渗碳体 强度很低 塑性和韧性随渗碳体的增加呈迅速下降趋势 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 4 Fe Fe3C相图的应用相图从客观上反映了钢铁材料的组织随成分和温度变化的规律 因此在工程上为选材及制订铸 锻 焊 热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据 如图1 38所示 在选材方面的应用由铁碳相图可知 随含碳量的不同 铁碳合金中的平衡组织各不相同 从而导致其力学性能不同 因此 可以根据零件的不同性能要求来合理地选择材料 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 在选材方面的应用例如 桥梁 船舶 车辆及各种建筑材料需要塑性 韧性好的材料 可选用含碳量较低的亚共析钢 对工作中承受冲击载荷和强度要求较高的各种机械零件 可选用含碳量中等的亚共析钢 各种切削工具 模具及量具需较高的硬度 耐磨性 可选用碳含量较高的共析 过共析钢 对于形状复杂的箱体 机器底座等可选用熔点低 流动性好的铸铁材料 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 在铸造生产上的应用参照铁碳相图可以确定钢铁的浇注温度 通常浇注温度在液相线以上50 60 在所有成分的合金中 以共晶成分的铁碳合金和纯铁的铸造工艺性最好 因其结晶温度区间最小为0 故流动性好 分散的缩孔少 缩孔集中在冒口内 从而得到高质量的致密铸件 因此 在铸造生产中接近共晶成分的铸铁得到了广泛的应用 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 在铸造生产上的应用此外 铸钢也是常用的一种铸造合金 由于其熔点高 结晶温度区间较大 故铸造工艺性比铸铁差 需经过热处理 退火或正火 后才能使用 铸钢主要用于一些形状复杂 强度和韧性要求较高的零件 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 在锻压生产上的应用钢在室温时的组织为两相混合物 塑性较差 变形困难 只有将其加热到单相奥氏体状态 才具有较低强度 较好塑性和较小变形抗力 易于锻压成形 在加热过程中 温度过高 会导致钢材氧化烧损严重 温度过低 除增加能量的消耗和设备的负担外 还会因塑性的降低而导致钢材开裂 因此各种碳钢合适的锻轧温度是 变形开始温度1150 1200 变形终止温度750 850 模块十铁碳合金组织与铁碳合金相图 在焊接生产上的应用焊接时 由于局部区域被快速加热 故从焊缝到母材各处的温度不同 由相图可知 温度不同冷却后的组织性能就不同 为获得均匀一致的组织性能 需通过焊后热处理来调整和改善 另外 根据相图还可以了解材料的