机械工程材料第3章

1,机械工程材料,MechanicalEngineeringMaterials,2,合金通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。,1.3合金的相结构,3,相在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。（显微）组织在金属和合金中，用肉眼、低倍放大镜或普通金相显微镜，可观察到的金属或合金内部晶体微观形貌(晶粒的形态、大小、分布状况等)。它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚合体.例：e与e、回、回,4,图2-2间隙固溶体、置换固溶体示意图,固溶体：组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一（溶剂）相同的固相称为固溶体。固溶体的表示：用希腊字母、表示不同类型的固溶体。,返回,5,1）置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。无序固溶体：溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换固溶体称为无序固溶体；有序固溶体：溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序排列的置换固溶体称有序固溶体。显然，只有当溶质原子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。按照溶解度的大小，置换固溶体又可分为无限置换固溶体和有限置换固溶体。,返回,6,2）间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体；溶质原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体；当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此，间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固溶体。,返回,7,2、固溶体的结构与性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。,返回,8,固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。,返回,9,1.3.2中间相（化合物）中间相（化合物）：若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质。如碳钢中的Fe3C，黄铜中的相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。金属化合物：在这些化合物中，它除离子键和共价键外，还具有相当程度的金属键及一定的金属性质，又称为金属化合物。渗碳体（Fe3C）是钢中的强化相，由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的斜方晶格。而FeS、MnS是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能产生有害影响，因而一般称为夹杂物。,返回,10,金属化合物分为三大类：（）正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，成分固定，可用化学式表示。例Mg2Si是铝合金中的增强相。（）电子化合物：是由第一族元素，过渡族元素与第二至第五族元素结合而成。服从电子浓度规律，即当合金的电子浓度达到某一数值，变形成具有某种晶格结构的化合物相。例：u-n电子含量=21/14、21/13、21/12相、相、相()尺寸因素化合物间隙相：具有比较简单的晶格结构。例：i间隙化合物：具有的复杂晶格结构。例：e拉弗斯相：d金属A/d金属B=1.051.068(1.225),返回,11,第3章二元合金相图与铁碳合金,本章目录3.1二元合金相图的建立及意义3.2二元合金相图的基本类型3.3合金性能与相图之间的关系3.4铁碳合金的基本组织3.5Fe-Fe3C相图3.6钢铁材料生产简介3.7碳钢,12,3.1二元合金相图的建立及意义,3.1.1二元合金相图的建立相合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态、并以明显的界面互相分开的、均匀的组成部分。相图表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解。（1）二元相图的表示方法纯金属相图用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织状态表示出来，如图3-1纯铜的冷却曲线及相图。二元合金相图以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图，如图3-2所示Cu-Ni合金相图。,13,3.1.1二元合金相图的建立,图3-1纯铜的冷却曲线及相图,图3-2Cu-Ni合金相图,14,（2）二元相图的建立方法以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法测定其临界点及绘制相图的过程。1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：100%Cu；80%Cu+20%Ni；60%Cu+40%Ni；40%Cu+60%Ni；20%Cu+80%Ni；100%Ni。2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图3-3a所示。3）找出各冷却曲线上的临界点，如图3-3a所示。4）将各个合金的临界点分别标注在温度成分坐标图中相应的合金线上。5）连接各相同意义的临界点，所得的线称为相界线。这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-3b所示。这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-3b所示。图中各开始结晶温度连成的相界线tALtB线称为液相线，各终了结晶温度连成的相界线tAtB线称为固相线。,3.1.1二元合金相图的建立,15,3.1.1二元合金相图的建立,图3-3用热分析法测定Cu-Ni合金相图,16,（3）相律按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：式中，f为体系的自由度数它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；C为体系的组元数；P为相数。对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。因此相律可写成下列形式：,3.1.1二元合金相图的建立,17,（4）杠杆定律杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）在某一温度时两相的成分以及相的相对量的重要法则。下面以Cu-Ni合金为例进行说明。,图3-4杠杆定律的证明,图3-5杠杆定律的力学比喻,3.1.1二元合金相图的建立,18,下面计算液相和固相在温度t1时的相对含量。设合金的总质量为1，液相的质量为，固相的质量为，则有此外，合金中的含镍量等于液相和固相中镍的含量之和，即由以上两式可以得出或,3.1.1二元合金相图的建立,19,如果将合金I成分C的r点看作支点，将和看作是作用于a和b的力（见图3-5)，则按力学杠杆原理可得出：故称为杠杆定律。据此可求得两平衡相的相对量分别为：,3.1.1二元合金相图的建立,20,建立和利用合金相图，可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。不同合金系的合金，在固态下具有不同的显微组织，对于同一合金系的合金，由于合金的成分不同，以及所处的温度不同，在固态下也会形成不同的显微组织。相图是研究合金中各种组织形成和变化规律的有效工具，也是生产实践中正确制订冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。掌握相图的分析和使用方法，对于了解合金的化学成分、组织与性能之间的关系，以提高和改善合金的性能、研究和开发新的合金材料，具有重要的指导意义。,3.1.2二元合金相图的意义,21,3.2二元合金相图的基本类型,3.2.1匀晶相图及杠杆定律3.2.2共晶相图3.2.3包晶相图3.2.4具有共析反应的相图3.2.5含有稳定化合物的相图,22,凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等合金系都属于这类相图。由液相结晶出均一固相的过程就称为匀晶转变。下面就以Cu-Ni合金相图为例，对匀晶相图进行分析。,3.2.1匀晶相图及杠杆定律,图3-6Cu-Ni合金相图及典型合金平衡结晶过程分析,23,（1）相图分析图3-6a所示为Cu-Ni合金相图，点图中tA=1083为纯铜的熔点；tB=1455为纯镍的熔点。线tAL3L2L1tB为液相线，代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度；tA321tB为固相线，代表各种成分的合金冷却过程中结晶终了、或在加热过程中开始熔化的温度。相区液相线与固相线把整个相图分为三个不同相区。在液相线以上是单相的液相区，合金处于液体状态，以“L”表示；固相线以下是单相的固溶体区，合金处于固体状态，为Cu与Ni组成的无限固溶体，以“”表示；在液相线与固相线之间是液相+固相的两相共存区，即结晶区，以“L+”表示。,3.2.1匀晶相图及杠杆定律,24,3.2.1匀晶相图及杠杆定律,（2）典型合金结晶过程分析现以含40%Ni的Cu-Ni合金为例，分析其结晶过程，如图3-6b所示。由图3-6a可见，该合金的合金线与相图上液相线、固相线分别在t1、t3温度时相交，这就是说，该合金是在t1温度时开始结晶，在t3温度时结晶结束。因此，当合金自高温液态缓慢冷却到t1温度时，开始从液相中结晶出固溶体，随着温度的下降，固溶体量不断增多，剩余液相量不断减少。直到温度降到t3温度时，合金结晶终了，获得了Cu与Ni组成的固溶体。图3-7Cu-Ni合金固溶体的显微组织,图3-7Cu-Ni合金固溶体的显微组织,25,（3）杠杆定律的应用如图3-8中，任一含x%Ni的Cu-Ni合金，在t温度时，液相成分为x1%Ni，固相成分为x2%Ni。在这一温度下，已结晶出的固相和剩余液相L的相对量分别是：,3.2.1匀晶相图及杠杆定律,或,图3-8杠杆定律的应用,26,共晶转变二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度下同时结晶出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。二元共晶相图凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶，在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的的相图属于二元共晶相图。,3.2.2二元共晶相图,27,（1）相图分析简单共晶相图在液态下能完全互溶，在固态下彼此互不溶解的共晶相图，如图3-9中A、B两组元组成的二元相图，称为简单共晶相图。共晶转变，其反应式为：,3.2.2二元共晶相图,图3-9简单共晶相图,28,一般共晶相图两组元在液态下能完全互溶，在固态下互相有限溶解的共晶相图，称为一般共晶相图。图3-12是由A、B两组元组成的一般共晶相图。,3.2.2二元共晶相图,图3-12Pb-Sn合金相图,29,3.2.2二元共晶相图,图3-1419.2%Sn的Sn-Pb组织(200),图3-13合金I的冷却曲线及结晶过程,（2）典型合金的结晶过程分析含Sn量小于D点的合金的结晶过程（合金）合金含Sn量小于D点，其冷却曲线及结晶过程如图3-13所示。合金的室温组织如图3-14。,30,3.2.2二元共晶相图,合金在室温时，与的相对量，可用杠杆定律计算：或=（1-）100%,31,含Sn量为C点成分的合金的结晶过程（合金）共晶合金的冷却曲线及结晶过程如图3-15所示。共晶合金的室温组织应为（F+G）共晶体，如图3-16所示。,3.2.2二元共晶相图,图3-15合金的冷却曲线及结晶过程,图3-16Pb-Sn共晶合金的室温组织(100),32,合金共晶转变的反应式为：共晶体中D与E的相对量可用杠杆定律计算如下：E=(1-D)100%54.6%,3.2.2二元共晶相图,33,含Sn量在C、D点间的合金的结晶过程（合金）合金成分在C点与D点之间的合金，称为亚共晶合金。现以合金为例进行分析。图3-17为合金的冷却曲线及结晶过程。,3.2.2二元共晶相图,图3-17合金的冷却曲线及结晶过程,图3-18Pb-Sn亚共晶合金的室温组织(100),34,含Sn量在C、E点间的合金的结晶过程（合金）合金成分C点与E点之间的合金称为过共晶合金。现以合金为例进行分析。图3-19为合金的冷却曲线及结晶过程。,3.2.2二元共晶相图,图3-20Pb-Sn过共晶合金的室温组织(100),图3-19合金的冷却曲线及结晶过程,35,不同的合金中，由于形状条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，而在显微镜下可观察到不同的组织。以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图如图3-21所示。,3.2.2二元共晶相图,图3-21以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图,36,合金中相组成物和组织组成物的相对量，均可利用杠杆定律来计算。合金在183（共晶转变结束后）时由、两相组成，其相对量为：合金在183（共晶转变结束后）时由初晶D与共晶体（D+B）两种组织组成物组成，其相对量为：可见，如合金成分已知，即可根据相图，利用杠杆定律，分别计算出其相组成或组织组成物的相对量。,3.2.2二元共晶相图,37,3.2.3包晶相图在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程，称之为包晶转变或包晶反应。两组元在液态下相互无限互溶、在固态下相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图。,3.2.3包晶相图,图3-22Pt-Ag合金相图,38,（1）相图分析合金系中有三个相：液相L及固相、。其中相是银溶于铂中的固溶体，相是铂溶于银中的固溶体。三个单相区即L、和之间有三个两相区，即L+，L+和+。两相区之间还有一个三相共存的水平线，即PDC线。在水平线PDC上，液相L、固相和三相共存。处于P点与C点之间范围内的合金在此温度都将发生三相平衡的包晶转变。其转变的反应式为LC+PD包晶转变的特征是：反应相是一个液相和一个固相，其成分点位于水平线的两端，所形成的固相位于水平线中间的下方。相图中的D点称为包晶点，D点所对应的温度（tD=1186。）称为包晶温度，PDC线称为包晶线。,3.2.3包晶相图,39,（2）典型合金的平衡结晶分析含银量为42.4的Pt-Ag合金（合金，成分为D），其平衡结晶过程示意图如图3-23所示。,3.2.3包晶相图,图3-23合金的平衡结晶过程,40,合金发生包晶转变时，P点成分的相与C点成分的液相的相对含量可分别由杠杆定律求出：,3.2.3包晶相图,41,含银量为10.542.4的Pt-Ag合金（合金）合金的平衡结晶过程示意图如图3-24所示。,3.2.3包晶相图,图3-24合金的平衡结晶过程,42,合金当温度降低至tD（2点）时，相和液相L的成分分别为P点和C点，两者的含量分别为,3.2.3包晶相图,43,含银量为42.466.3的Pt-Ag合金（合金）合金的平衡结晶过程示意图如图3-25所示。,图3-25合金的平衡结晶过程,3.2.3包晶相图,44,3.2.4具有共析反应的相图在一定温度下，由一定成分的固相分解为另外两个一定成分的固相的转变过程，称之为共析转变或共析反应。在相图上，这种转变与共晶转变相似，都是由一个相分解为两个相的三相恒温转变，三相成分点在相图上的分布也一样，反应相成分分布在两转变产物的中间。所不同的是共析转变的反应相是固相，而不是液相。例如Fe-Fe3C相图（如图3-32所示）上的PSK线即为共析线，S点是共析点，其反应式为727sp+Fe3C由于是固相分解，其原子扩散比较困难，容易产生较大的过冷，所以共析组织远比共晶组织细密。共析相变对合金的热处理强化有重大意义，钢铁及铁合金的热处理就是建立在共析转变的基础上。共析相变及其特征将在下节铁碳合金相图中详细介绍。,3.2.4具有共析反应的相图,45,3.2.5含有稳定化合物的相图,在某些二元系合金中，组元间可能形成一些稳定的金属化合物。稳定化合物是指具有一定熔点，在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。Mg-Si二元合金相图（如图3-26)就是一种形成稳定化合物的相图。当含硅量为36.6时，Mg与Si形成稳定的化合物Mg2Si，它具有一定的熔点，在熔点以下能保持其固有的结构。,图3-26Mg-Si合金相图,46,3.3合金性能与相图之间的关系,3.3合金性能与相图之间的关系合金的性能取决于合金的化学成分和组织。在一定的条件下，一定成分的合金具有一定的组织，表现出一定的性能，因而相图与合金的性质必然存在一定的联系。3.3.1合金的使用性能与相图之间的关系合金的使用性能包括合金有力学性能、物理性能及其它性能等。图3-28表示了各类合金的相图和合金力学性能及物理性能之间的关系。,47,图3-28相图与合金的硬度、强度及电导率之间的关系,3.3.1合金的使用性能与相图之间的关系,48,3.3.2合金的工艺性能与相图之间的关系,3.3.2合金的工艺性能与相图之间的关系,图3-29相图与合金铸造性能之间的关系,49,3.4铁碳合金的基本组织,由于钢铁材料的基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。(1)铁素体概念：碳溶入-e中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。晶格：铁素体仍具有-Fe的体心立方晶格。溶解度：碳在-Fe中的溶解度小，727时溶解度最大为0.0218%，室温时几乎位零。,50,3.4铁碳合金的基本组织,性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。组织：多边形晶粒。（2）奥氏体概念：碳溶入-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体存在于727以上。晶格：奥氏体具有-Fe的面心立方晶格。,51,溶解度：-Fe的溶碳能力比-Fe大，727时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148时其溶解度最大为2.11%。性能：奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好，易锻压成形。组织：多边形晶粒，晶粒内有孪晶。,3.4铁碳合金的基本组织,52,（3）渗碳体概念：渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，用化学式FeC表示。性能：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆性大。作用：渗碳体是钢中主要的强化相，它的数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。,3.4铁碳合金的基本组织,53,（4）珠光体概念：珠光体由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。成分与性能：珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，其性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬度适中。组织：在显微镜放大倍数较高时，能清楚地看到铁素体和渗碳体呈片层状交替排列的情况。由于珠光体中渗碳体量较铁素体少，因此渗碳体层片较铁素体层片薄。,3.4铁碳合金的基本组织,54,（5）莱氏体概念：碳含量为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。在727以下莱氏体变成由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号Ld表示。性能：莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。,3.4铁碳合金的基本组织,55,3.5Fe-Fe3C相图,铁碳合金相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形，是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基础，也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据。,56,3.5.1相图分析（1）相图中的主要特性点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G点：纯铁的同素异晶转变点P点：碳在-Fe中的最大溶解度S点：共析点Q点：碳在-Fe中的溶解度,3.5Fe-Fe3C相图,57,（2）相图中的主要特性线ACD线：液相线，在ACD线以上合金为液态，用符号L表示。液态合金冷却到此线时开始结晶，在AC线以下结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体（FeC）。AECF线：固相线，在此线以下合金为固态。液相线与固相线之间为合金的结晶区域，这个区域内液体和固体共存。ECF线：共晶线，温度为1148。液态合金冷却到该线温度时发生共晶转变,即C点成分的液态合金缓慢冷却到共晶温度(1148)时，从液体中同时结晶出E点成分的奥氏体和渗碳体。共晶转变后的产物称为莱氏体，C点称为共晶点。凡是碳的质量分数为2.11%6.69%的铁碳合金均会发生共晶转变。,3.5Fe-Fe3C相图,58,PSK线：共析线，又称A线，温度为727。铁碳合金冷却到该线温度时发生共析转变，即S点成分的奥氏体缓慢冷却到共析温度时，同时析出P点成分的铁素体和渗碳体。转变后的产物称为珠光体，S点称为共析点。凡是碳的质量分数为0.0218%6.69%的铁碳合金均会发生共析转变。ES线：碳在Fe中的溶解度曲线，又称Acm线。溶解度随温度的下降而减小，在1148时溶解度为2.11%(E点)，到727时降为0.77%(S点)。因此，凡碳的质量分数在0.77%以上的铁碳合金由1148冷却到727的过程中，都有渗碳体从奥氏体中析出，称为二次渗碳体（FeC）。GS线：又称A3线。是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线。,3.5Fe-Fe3C相图,59,PQ线：碳在-Fe中的溶解度曲线。碳在-Fe中的溶解度随温度的下降而减小，在727时溶解度为0.0218%(P点)，到600时降为0.008%(Q点)。因此，铁碳合金从727向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号FeC表示。因其数量极少，常予以忽略。（3）相图中的相区单相区：L、F、A、Fe3C。两相区：L+A、L+Fe3C、F+A、A+Fe3C、F+Fe3C。三相区（三相平衡线）：ECF、PSK。,3.5Fe-Fe3C相图,60,3.5.2铁碳合金的分类,61,3.5.3典型铁碳合金的结晶过程及组织,（1）共析钢：室温组织为珠光体(P)。（2）亚共析钢：室温组织为铁素体和珠光体(F+P)。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。,62,3.5.3典型铁碳合金的结晶过程及组织,（3）过共析钢：室温组织为珠光体和网状二次渗碳体(P+Fe3C)。随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。（4）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld)。,63,3.5.3典型铁碳合金的结晶过程及组织,（5）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体(P+Fe3C+Ld)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。（6）过共晶白口铁：室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体(Ld+Fe3C)。随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。,64,3.5.4碳含量对铁碳合金室温平衡组织及力学性能的影响,（1）碳含量对室温平衡组织的影响：不同成分的铁碳合金室温下均由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化。（2）含碳量对力学性能的影响：钢中渗碳体量愈多，其强度、硬度愈高，而塑性、韧性相应降低。当钢中碳的质量分数小于0.9%时，强度达到最大值，当钢中碳的质量分数大于0.9%时，强度也明显下降。,65,3.5.5铁碳相图的应用,（1）选材需要塑性、韧性好材料，应选用低碳钢；需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用中碳钢；需要硬度高、耐磨性好的材料，应选用高碳钢。（2）制订热加工工艺铁碳相图可作为制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据，如确定浇注温度、确定锻造温度范围及热处理的加热温度等。,66,3.6钢铁材料生产简介,钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工业特别是机械制造业的重要支柱。钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料经过高炉冶炼成生铁，再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。（1）炼铁铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的化合物混合在一起形成矿石，炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同其他元素相分离的过程。,67,3.6钢铁材料生产简介,炼铁的基本过程：炼铁的主要原料是铁矿石、燃料和熔剂。铁矿石主要有赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等；熔剂燃料主要是焦炭；熔剂主要是富含碱性氧化物的石灰石等。在炼铁过程中要将铁矿石、燃料和熔剂等炉料按照一定的比例加入到炼铁高炉中，经过一系列的冶炼过程即可得到铁的系列产品。,68,3.6钢铁材料生产简介,炼铁过程中所采用的燃料主要是焦炭。焦炭燃烧所产生的热量为鉄的冶炼提供了所需的热量；同时，高温下的焦炭及其燃烧后生成的CO气体还起到还原剂的作用，前者称为直接还原，后者称为间接还原。高炉炼铁时，高温焦炭和CO不断地把铁从铁矿石中还原出来，并将碳渗入铁中，同时炉料中的Si、Mn、S、P等杂质元素也会溶入铁中，形成的最终产品称为生铁。高炉炼铁的主要产品为生铁，根据生铁中硅的质量分数的不同可将其分为炼钢生铁和铸造生铁两类。高炉冶炼的副产品主要有炉渣和高炉煤气。炉渣是制造水泥的主要原料；高炉煤气经过净化处理后可作为气体燃料使用。,69,3.6钢铁材料生产简介,（2）炼钢炼钢的实质就是利用氧化和脱氧的方法，清除生铁中多余的C以及Si、Mn、S、P等杂质元素，使化学成分达到钢标准规定的基本要求，从而获得所需的性能。目前，主要的炼钢方法有转炉炼钢法和电炉炼钢法。在炼钢的脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制钢的脱氧程度，通常根据钢的脱氧程度不同可将其分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种。在炼钢过程完成后，通常将其浇注成钢锭或钢坯，以便进行加工和使用。,70,3.6钢铁材料生产简介,（3）钢材生产型材和板材：在实际生产中，通常是将钢锭通过一系列轧机轧制成型材和板材进行使用。若轧机的轧辊设计为光滑的表面，轧制出的产品为钢板或钢带；若轧机的轧辊上存在各种孔型，则轧制出的产品即为各种型材。,71,3.6钢铁材料生产简介,（3）钢材生产管材：根据管材的形成方法不同，可将其分为有缝管材和无缝管材两种。通过成型辊将钢带弯成管形，再通过焊接辊焊接成形的管材称为有缝管材或焊缝管材；先用斜轧穿孔机在实心管坯上进行穿孔，再通过后期的特殊轧制形成所需尺寸的管材称为无缝管材。,72,3.6钢铁材料生产简介,（3）钢材生产线材：直径在6mm以下的线材多采用拉丝机进行生产，使坯料通过一个带漏斗形模孔的拉丝模具，在拉力作用下拉拔成所需尺寸的线材。在拉拔过程中金属材料会产生加工硬化现象，通常采用中间的再结晶退火使之软化，以便进行下次的拉拔加工。,73,3.7碳钢,碳的质量分数小于2.11%,并且含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。其中，硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。（1）碳钢的分类根据钢中碳的质量分数不同可分为：低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。低碳钢：碳的质量分数小于或等于0.25%；中碳钢：碳的质量分数为0.250.60%；高碳钢：碳的质量分数大于0.60%。根据钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的多少可分为三类：普通质量钢；优质钢；高级优质钢。,74,根据钢的用途不同可分为：碳素结构钢、碳素工具钢和碳素铸钢三类。碳素结构钢：主要用于制造工程结构和各种机械零件。碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具和量具。碳素铸钢：主要用于制作形状复杂、难以用锻压等方法成形的铸钢件。,3.7碳钢,75,(2)碳钢的牌号、性能及用途碳素结构钢：碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按顺序组成。其中质量等级共有四级，分别用A、B、C、D表示。“F”表示沸腾钢；“b”表示半镇静钢；“Z”表示镇静钢；“TZ”表示特殊镇静钢，在钢号中“Z”和“TZ”符号可省略。例如：Q235-AF，牌号中“Q”代表屈服点“屈”字的汉语拼音首位字母，“235”表示屈服点S235MPa，“A”表示质量等级为A级，“F”表示沸腾钢(冶炼时脱氧不完全)。,3.7碳钢,76,常用钢及应用：Q195、Q215、Q235属低碳钢，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢管等用于桥梁、建筑工程结构，在机械制造中用作受力不大的零件，如螺钉、螺帽、垫圈、地脚螺钉、法兰以及不太重要的轴、拉杆等，其中以Q235应用最广。Q235C、Q235D质量好，用作重要的焊接结构件。Q255、Q275强度较高，可用作受力较大的机械零件。碳素结构钢一般不进行热处理，以供应状态直接使用。但也可根据需要进行热加工和热处理。,3.7碳钢