成形工艺基础——金属工艺学（下册）第二章铁碳合金（PPT 53页）

1、来自来自 中国最大的资料库下载中国最大的资料库下载成形工艺基础材21 1 1纯铁的晶体结构及其同素异晶转变纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 1. 1.结晶结晶 由由液态转变为固体液态转变为固体晶体的过程。晶体的过程。 或：原子由不规则或：原子由不规则( (无序无序) )排列到有排列到有( (序序) )规则排列规则排列过程过程. . 或：晶体结构形成的过程。如水或：晶体结构形成的过程。如水冰冰2 2 2. 2.冷却曲线冷却曲线 用热分析法测定时描述金属结用热分析法测定时描述金属结晶过程的曲线。晶过程的曲线。 成形工艺基础材22 曲线上有一段水平线，是曲线上有一段水平线，是实际结晶温度实际结晶温度

2、T T1 1 , ,又称又称结晶平台结晶平台 ，是结晶时放出的热，是结晶时放出的热( (潜热潜热) )造成的造成的. . 虚线：虚线：理论结晶温度理论结晶温度T T0 0。 3. 3.过冷度过冷度 TT T T0 0T T1 1 实际结晶温度实际结晶温度 低于理论结晶温度，此称低于理论结晶温度，此称“过过冷冷”。 过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关 冷却速度越快，结晶温度越低，过冷度越大冷却速度越快，结晶温度越低，过冷度越大, , 反之冷却速度慢，过冷度则小。反之冷却速度慢，过冷度则小。成形工艺基础材23 下图是金属结晶过程下图是金属结晶过程示意图示意

3、图 主要结论：主要结论： 1. 1.结晶过程实质形核成长（大），结晶过程实质形核成长（大）， 两者相继又并存。两者相继又并存。 2. 2.结晶终了结晶终了： 得多晶粒组织得多晶粒组织( (晶界多晶界多), ),犬牙交错，晶粒愈细愈好；犬牙交错，晶粒愈细愈好； 控制控制细晶措施细晶措施有：有： 成形工艺基础材24 1. 1.增大过冷度；增大过冷度； 2. 2.变质处理；变质处理； 3. 3.机械振动；机械振动； 4. 4.热处理或压力加工。热处理或压力加工。 二、纯铁的晶体结构二、纯铁的晶体结构 1. 1.晶体与非晶体晶体与非晶体 定义：原子按一定几何形状作有规律的重复定义：原子按一定几何形状作

4、有规律的重复排列的排列的固体物质固体物质称称晶体晶体；非晶体则反之非晶体则反之。 特点：晶体特点：晶体 有熔点；具有各向异性有熔点；具有各向异性。成形工艺基础材25 如：食盐，冰，如：食盐，冰， 金刚石，金属等。金刚石，金属等。 非晶体非晶体: : 无熔点；各向同性无熔点；各向同性。 如：玻璃，松香，沥青等。如：玻璃，松香，沥青等。 2. 2.晶格晶格 为便于研究晶体中原子排列规律，人为将为便于研究晶体中原子排列规律，人为将原子抽象化，将晶体中每一个原子看作一个点，原子抽象化，将晶体中每一个原子看作一个点，用假想连线联接起来。形成用假想连线联接起来。形成晶格晶格。 晶格中一个基本几何单元叫做：

5、晶格中一个基本几何单元叫做：晶胞晶胞。 成形工艺基础材26 晶胞棱边长度为：晶胞棱边长度为：晶格常数晶格常数. . (1)(1)体心立方晶格体心立方晶格 bodycentered cubic lattice bodycentered cubic lattice bccbcc 特点：特点：R Rm m( (强度强度) )较好。较好。 如：如：912 Fe, Cr, Mo, V912 Fe, Cr, Mo, V等。等。 ( (2)2)面心立方晶格面心立方晶格 facecentered cubic lattice facecentered cubic latticefccfcc 特点：特点：A A、

6、Z Z ( (塑性塑性) )较好。较好。 912 Fe ,Cu, Al 912 Fe ,Cu, Al 等金属等金属. . 成形工艺基础材27 (3) (3) 密排六方晶格密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice hexagonal closepacked lattice (hcp)(hcp). . 特点：硬度高、脆性大。特点：硬度高、脆性大。 如：锌如：锌(Zn) , (Zn) , 镁镁(Mg), (Mg), 镉镉(Cd)(Cd)等金属。等金属。 三、纯铁的同素异构转变三、纯铁的同素异构转变 在固态下随温度发生变化，其晶格类型发生在固态下随温度发生变化，其晶格类

7、型发生转变的现象转变的现象同素异构同素异构( (晶晶) )转变转变。 广义上说同素异构转变也是结晶过程，遵循广义上说同素异构转变也是结晶过程，遵循生核与长大生核与长大两规律；两规律； 成形工艺基础材28 也需要一定的也需要一定的过冷度过冷度；有；有结晶热效应结晶热效应。 又称：又称：重结晶，二次结晶重结晶，二次结晶。 由于晶格结构的转变，金属随之由于晶格结构的转变，金属随之有体积的涨有体积的涨缩；缩；金属内部产生应变。金属内部产生应变。 降温时降温时,体积膨胀；体积膨胀；,体积收缩。体积收缩。转变式转变式： 成形工艺基础材29 1. 1.合金合金 alloyalloy 由两种或两种以上金属元素

8、或者金属元素与由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。非金属元素组成的具有金属特性的物质。 如：青铜、铸铁、铝合金等。如：青铜、铸铁、铝合金等。 2. 2.组元组元 constituent constituent 组成合金的最基本的独立的物质称组成合金的最基本的独立的物质称组元组元，简，简称称“元元”。 如：黄铜如：黄铜 Cu-Zn Cu-Zn；硬铝；硬铝 Al-Cu Al-Cu 等为二元合金。等为二元合金。 成形工艺基础材210 3. 3.相相 phase phase 指同一化学成分，同一结构并以界面互相指同一化学成分，同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分

9、。如分开的均匀组成部分。如 固相、液相等。固相、液相等。 4. 4.组织组织 structure structure 借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种形态、形貌特征的组成部分。形态、形貌特征的组成部分。 常见的合金的相结构有：常见的合金的相结构有： 固溶体、金属化合物和机械混合物固溶体、金属化合物和机械混合物三类型。三类型。成形工艺基础材211 定义：定义：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体一种均匀固体。 如；糖水如；糖水 水水溶剂，糖溶剂，糖溶质。溶质。 保持溶剂晶格；保持溶剂晶格； 固溶体属于单相组织。固溶体属于

10、单相组织。 分类：分类： 按溶质原子在溶剂中分布情况不同，按溶质原子在溶剂中分布情况不同， 分分 置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体两类两类 成形工艺基础材212 (1)(1)置换置换固溶体固溶体溶质原子替换晶格上的原子溶质原子替换晶格上的原子 (2) (2)间隙间隙固溶体固溶体溶质原子溶入晶格原子间隙溶质原子溶入晶格原子间隙 特征特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化。发生变化。 结果结果： 造成晶格畸变，强度、硬度上升。造成晶格畸变，强度、硬度上升。 这种现象称固溶强化。工程中广泛应用，这种现象称固溶强化。工程中广泛应用， 如锰钢（如锰钢

11、（16M16Mn n现称现称Q345Q345) )便为便为固溶结果固溶结果。 （弱强化相）（弱强化相） 成形工艺基础材213 碳可以溶入碳可以溶入-Fe -Fe 、 -Fe -Fe 等形成不同的固等形成不同的固溶体。溶体。 1. 1.铁素体铁素体F F 铁素体是铁素体是铁中溶入一种或多种溶质元素构铁中溶入一种或多种溶质元素构成的固溶体。成的固溶体。 727 727时时 Wc=0.0218% Wc=0.0218%；室温时；室温时 Wc=0.008 Wc=0.008. . 特点特点：塑性、韧性好，强度、硬度低塑性、韧性好，强度、硬度低。（近。（近似纯铁）似纯铁） 其显微组织特征：其显微组织特征：成

12、形工艺基础材214 正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色，在钢中正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色，在钢中的形态多为不规则的的形态多为不规则的多边形块多边形块，在接近共析成分，在接近共析成分的钢中，往往呈网状或断续网状。的钢中，往往呈网状或断续网状。 2. 2.奥氏体奥氏体 ( (A A) ) 【austenite austenite 英国金相学家】英国金相学家】 奥氏体是奥氏体是铁中溶入碳铁中溶入碳和（或）其他元素和（或）其他元素构成的固溶体。构成的固溶体。 其强度和硬度比铁素体高其强度和硬度比铁素体高, ,塑性、韧性也好。塑性、韧性也好。因此，因此，钢材多数加热到奥氏体状态钢材多数加热到奥氏体状态进行锻

13、造。进行锻造。 成形工艺基础材215 在在11481148时时 W Wc c2.112.11；在；在727727时时 W Wc c0.770.77 高温显微镜下高温显微镜下(727(727以上以上) )才能观察到奥氏体才能观察到奥氏体组织。其晶粒呈多边形，且晶界组织。其晶粒呈多边形，且晶界较铁素体较铁素体平直。平直。 合金元素之间发生合金元素之间发生相互作用而生成的一种具相互作用而生成的一种具有金属性质的新相有金属性质的新相。 如如 FeFe与与CFeCFe3 3C C( (渗碳体渗碳体) )是晶体结构属于是晶体结构属于正交正交系，化学式为系，化学式为FeFe3 3C C的金属化合物的金属化合

14、物, ,是钢和铸铁中是钢和铸铁中成形工艺基础材216 常见的固相。其硬度很高常见的固相。其硬度很高( (800HBW800HBW) )，塑性、韧性，塑性、韧性很差，脆性很大。很差，脆性很大。 渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状和网状渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状和网状分布，主要起强化作用，它的形态、大小、数量分布，主要起强化作用，它的形态、大小、数量和分布对钢和铸铁的性能有很大影响。和分布对钢和铸铁的性能有很大影响。 （相对固溶体，（相对固溶体，FeFe3 3C C属于属于强强化相强强化相。）。） FeFe3 3C C在一定条件下可以分解，形成石墨。在一定条件下可以分解，形成石墨。 反应式：反

15、应式： Fe Fe3 3C 3FeC 3FeC C石墨石墨成形工艺基础材217 两相按固定比例构成的组织（两相按固定比例构成的组织（复合相复合相），），称机械混合物。称机械混合物。 各相保持自己的晶格类型、性能特点各相保持自己的晶格类型、性能特点.( .(如如: :混混凝土凝土) ) 强度、硬度适中。强度、硬度适中。 目前钢铁材料中大部分是这种组织。目前钢铁材料中大部分是这种组织。 如如 铁碳合金中珠光体铁碳合金中珠光体( (P P) )；莱氏体；莱氏体( (L Ld d) )。 1. 1.珠光体珠光体 P P pearlite pearlite 是是F F与与FeFe3 3C C机械混合物，

16、机械混合物，WWC C=0.77%=0.77%成形工艺基础材218 珠光体是铁素体薄层（片）与碳化物（包括珠光体是铁素体薄层（片）与碳化物（包括渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的共析组织共析组织。 （记住：（记住：层片相间层片相间） 其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。硬度适中，有一定的塑性。 2. 2.莱氏体莱氏体 L Ld d 分高温莱氏体和低温莱氏体分高温莱氏体和低温莱氏体 A A与与FeFe3 3C C的机械混合物的机械混合物 称高温莱氏体，用符称高温莱氏体，用符号：号：L Ld d表示；

17、表示；成形工艺基础材219 高温莱氏体冷却到高温莱氏体冷却到727727以下时，转变为：以下时，转变为： P+ Fe P+ Fe3 3C C 称低温莱氏体；称低温莱氏体； 珠光体和渗碳体的复合物，又称珠光体和渗碳体的复合物，又称“变态莱氏变态莱氏体体”(”(L Ld d) )。 其力学性能与渗碳体相近其力学性能与渗碳体相近, ,极为极为脆硬脆硬！ 平均含碳量为平均含碳量为4.34.3。 组织特征：白亮的渗碳体为基体，上面分布组织特征：白亮的渗碳体为基体，上面分布着许多粒状、条状或不规则形状的黑色着许多粒状、条状或不规则形状的黑色珠光体珠光体。成形工艺基础材220 铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的

18、多。铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的多。 含碳量不同的铁碳合金结晶过程差别很大。含碳量不同的铁碳合金结晶过程差别很大。 用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化；用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化；然后，使之极其缓慢的冷却，测出各成分的合金然后，使之极其缓慢的冷却，测出各成分的合金的冷却曲线；的冷却曲线； 在横在横(成分成分)纵纵(温度温度)坐标图上连点描线，坐标图上连点描线，可得铁碳合金状态图。可得铁碳合金状态图。 铁碳合金状态图的作用：铁碳合金状态图的作用： 成形工艺基础材221 1.表达铁碳合金表达铁碳合金不同成分、温度下的组织状态不同成分、温度下的组织状态. 2.研究钢铁研究钢铁成分、

19、组织和性能之间成分、组织和性能之间关系的工具关系的工具. . 3. 3.制定铸造、锻造、焊接和热处理制定铸造、锻造、焊接和热处理工艺的依据工艺的依据. . 由于含碳大于由于含碳大于6.696.69的铁碳合金在工业上没的铁碳合金在工业上没有实用价值，又由于有实用价值，又由于FeFe3 3C C的含碳量的含碳量6.696.69，是一，是一个稳定的化合物，视为一个组元；我们重点讨论个稳定的化合物，视为一个组元；我们重点讨论的是：的是： FeFeFeFe3 3C C 简化状态图简化状态图成形工艺基础材222成形工艺基础材223 1. 四个四个基本相基本相 是是 指铁碳合金状态图中：指铁碳合金状态图中：

20、 液相液相(L)、 奥氏体相奥氏体相(A)、 铁素体相铁素体相(F)、渗碳体相、渗碳体相( FeFe3 3C C) )。 2. 2.特性点特性点 在铁碳合金状态图中用字母标出的点都有其在铁碳合金状态图中用字母标出的点都有其特定的特定的意义意义。 3. 3.特性线特性线 成形工艺基础材224 1 1）ACDACD线线液相相；液体到此开始结晶。液相相；液体到此开始结晶。 2 2）AECFAECF线线固相线；合金至此全部结晶为固相线；合金至此全部结晶为固体。固体。 在液在液固两线之间为固两线之间为液液固两相区。固两相区。 在在C C点产生共晶反应，其反应式：点产生共晶反应，其反应式： L Lc c

21、L Ld d(A+F(A+Fe3e3C) C) 3 3）GSGS线线自自A A中析出中析出F F线。以：线。以：A A3 3线表示。线表示。 4 4）ESES线线CC在在A A中的溶解度曲线中的溶解度曲线. .以：以：A Acmcm表表示。示。 1148成形工艺基础材225 5 5）PSKPSK线线共析反应线，常以：共析反应线，常以：A A1 1表示。表示。 6 6）PQPQ线线碳在铁素体中溶解度曲线。产生碳在铁素体中溶解度曲线。产生FeFe3 3C C 按含碳量不同，将铁碳合金分为：按含碳量不同，将铁碳合金分为： 钢和铸铁钢和铸铁两类两类 钢钢含碳量小于含碳量小于2.112.11的铁碳合金，

22、按室温的铁碳合金，按室温组织又分为：组织又分为： 亚共析钢亚共析钢 含碳量含碳量0.77%0.770.77 成形工艺基础材226 铸铁铸铁指生铁指生铁( (白口生铁白口生铁) )含碳量为含碳量为2.112.116.696.69，又分：，又分： 亚共晶白口生铁亚共晶白口生铁含碳量含碳量4.3%4.3%4.3% 下面以共析钢为例，分析铁碳合金在缓慢冷下面以共析钢为例，分析铁碳合金在缓慢冷却过程中的组织转变规律却过程中的组织转变规律 。成形工艺基础材227AEGPQSFeL LA AL+AL+AF FF+A F+A F+PF+PP PP P+Fe+Fe3 3C CA+FeA+Fe3 3C C0.77

23、0.772.112.11 . . 共析钢共析钢123P.亚共析钢亚共析钢 123412344L LL+AL+AA AF+AF+AAPAPP P冷却曲线冷却曲线过共析钢过共析钢 成形工艺基础材228 钢钢 以铁为主元素，含以铁为主元素，含C C2 2以下，并含以下，并含有其它元素的材料。有其它元素的材料。 钢：可形变加工的铁碳合金。钢：可形变加工的铁碳合金。 一、碳钢分类一、碳钢分类（掌握内容掌握内容） 钢从不同角度可以有钢从不同角度可以有不同不同分类：分类： 二、碳素钢二、碳素钢 简称：碳钢简称：碳钢 carbon -steel carbon -steel 常存元素对碳钢性能的影响常存元素对碳

24、钢性能的影响( (了解了解) )成形工艺基础材229 1. 1.碳碳(C )(C )作用作用 碳对碳钢的组织和性能影响很大。碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示如图示 总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加，总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加， FeFe3 3C C增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降，强增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降，强度先升后降。度先升后降。 2. 2.锰锰 (Mn) (Mn)作用作用 脱氧，脱氧，FeOFeO还原还原FeFe；与；与S S作用作用MnSMnS降低热脆降低热脆性；提高强度、硬度。属有益元素。性；提高强度、硬度。属有益元素。 3. 3.硅硅 ( Si)

25、( Si)作用作用 成形工艺基础材230 与钢液中与钢液中FeOFeO生成炉渣，提高钢质量；溶于生成炉渣，提高钢质量；溶于F F中，固溶强化。有益元素。中，固溶强化。有益元素。 4. 4.硫硫 S S 作用：作用： 形成形成FeS(FeS(熔点熔点11901190），在晶界），在晶界 处，在处，在1100 1200 1100 1200 时，压力加工，产生脆裂。时，压力加工，产生脆裂。“热脆热脆”。有害元素。有害元素。 5. 5.磷磷P P 作用作用： 全部溶于全部溶于F F中，固溶强化；中，固溶强化；RmRm、HBHB，在，在低温下引起脆断低温下引起脆断“冷脆冷脆”。有害元素。有害元素。 成形

26、工艺基础材231 碳钢一般分为：碳钢一般分为： 1. 1.碳素结构钢碳素结构钢 GB7001988 GB7001988 牌号由代表屈服点的字母牌号由代表屈服点的字母Q Q、 屈服点数值、屈服点数值、 质量等级符号、质量等级符号、 脱氧方法四部分组成。脱氧方法四部分组成。 其中质量等级分别用其中质量等级分别用A A、B B、C C、D D表示。表示。 A A的的S S、P P量高，量高，D D的的S S、P P量最低，且质量最量最低，且质量最好。好。 如：如：Q235A . FQ235A . F Q“ Q“屈屈”字汉语拼音字首，读字汉语拼音字首，读“屈屈”。成形工艺基础材232 235Rm(23

27、5Rm(b b) )235MPa 235MPa A A质量等级质量等级 A A级级 F F脱氧方法，指脱氧方法，指“沸腾钢沸腾钢”，一般不标。，一般不标。 牌号：牌号：Q195Q195；Q215Q215；Q235Q235；Q255Q255；Q275Q275五类五类. . 用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等。垫圈、焊接钢管等。 2. 2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 S S、P P含量较低，用于重要零件含量较低，用于重要零件 成形工艺基础材233 GBGB：牌号用两位数字表示，表示含碳量万牌号用两位数字表示，表示含碳量万分之几（十）分之几

28、（十）。 如：如：08F08F、1010、1515、2020、2525，为，为低碳钢低碳钢，塑，塑性好，耐冲、好焊；性好，耐冲、好焊； 30 30、3535、4040、4545、5050、5555，中碳钢中碳钢含含P P多，多，强硬适中，多做重要件；强硬适中，多做重要件； 60 60、6565、7070、7575，高碳钢高碳钢。多需淬火回。多需淬火回火，制作弹性耐磨件。火，制作弹性耐磨件。 20Mn 20Mn、65Mn65Mn等称等称 含锰量较高的含锰量较高的优质碳素结优质碳素结构钢构钢。成形工艺基础材234 3. 3.碳素工具钢碳素工具钢。 牌号用牌号用“碳碳”字汉语拼音字首字汉语拼音字首“

29、T”+“T”+数字数字表示表示WcWc的千分之几。的千分之几。 如：如：T7T7、T8T8、T9T9、T10T10、T10AT10A、T12T12等。等。 如如T10T10钢钢WWC C=1%=1%；T10AT10A中的中的“A”“A”表示为高表示为高级优质碳素工具钢级优质碳素工具钢( (适用各类高级优质钢）。适用各类高级优质钢）。 其中：其中： T7 T7钢（钢（WC=0.7%WC=0.7%）主要用于制造手钳、剪）主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等；刀、凿子、手锤等； 成形工艺基础材235 T10 T10钢（钢（WC=1%WC=1%）用于制作手用钢锯条、简）用于制作手用钢锯条、简单冷作模具

30、、（手工钻头）等；单冷作模具、（手工钻头）等； T12T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。 主参考书主参考书P24P24表表1 14 4为碳钢成分和性能为碳钢成分和性能 三、合金钢三、合金钢 为了提高钢的力学性能、工艺性能、物理性为了提高钢的力学性能、工艺性能、物理性能、化学性能、淬透性等，在碳钢的基础上加入能、化学性能、淬透性等，在碳钢的基础上加入某些合金元素，称为合金钢。某些合金元素，称为合金钢。按用途分按用途分 合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。成形工艺基础材236 1. 1.合金结构钢合金结构钢 钢号钢号: :数字元素

31、符号数字数字元素符号数字( (平均百分数平均百分数) ) 如如20CrMnTi20CrMnTi、40Cr40Cr、60Si60Si2 2MnMn、38CrMoAlA38CrMoAlA等；等； 用于制造机械零件和工程构件。用于制造机械零件和工程构件。 主参考书主参考书P24P24中中16Mn16Mn应归类于应归类于( (低合金低合金) )高强度高强度结构钢结构钢, ,新号新号:Q345:Q345 （GB/T1591-94GB/T1591-94） 在碳素结构钢基础上加入少量锰、硅等合元在碳素结构钢基础上加入少量锰、硅等合元制成的。通常在热轧、正火状态下使用，产品同制成的。通常在热轧、正火状态下使用，产品同时保证力学性能和化学成份。时保证力学性能和化学成份。 成形工艺基础材237 牌号表达同碳素结构钢，牌号表达同碳素结构钢，. . 低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，但性能有较大的提高，在工程结构中应用极为广但性能有较大的提高，在工程结构中应用极为广泛。（旧牌号泛。（旧牌号:16Mn:16Mn、09MnV09MnV2 2等等）等等） 2. 2.合金工具钢合金工具钢 用于制造刃具、模具、量具等工具用于制造刃具、模具、量具等工具. . 如如 9SiCr 9SiCr、Cr12Cr12、CrMnCrMn、GCr15GCr15等；等； 其中