物理性能工技能培训课件

1、铁碳平衡相图液相L、渗碳体Fe3C奥氏体A、铁素体F（、）基本单相包晶线、共晶线、共析线 A1、A3GS、AmES、液相线ABC、GP包晶点J、共晶点C、共析点S特征线点包晶反应共晶反应共析反应三个反应 基本单相铁素体(F)：C溶入-Fe或-Fe中所形成的 间隙固溶体。体心立方晶格。 低温铁素体-铁素体 912以下高温铁素体-铁素体 1394-1538物理特性：塑性、韧性好； 强度、硬度低基本单相奥氏体(A)：C溶入-Fe中所形成的间隙 固溶 体。面心立方晶格。 奥氏体中面心立方晶格间隙较大，C的溶解度较大，且随温度增高而最大。(S点：727 0.77%、E点1148 2.11%）物理特性：塑

2、性好，机械性能随C含量而存 在较大差异。奥氏体化后进行加工基本单相渗碳体(Fe3C)：Fe与C形成的化合物Fe3C。 晶格为复杂的八面体结构。 物理特性：硬度高，是钢中主要的强化相。渗碳体的数量、形态及分布对机械性能影响极大。相变反应包晶：包晶：0.09+L0.53 0.18共晶共晶：L c4.3% A2.11+Fe3C共析共析：0.77 0.0218+Fe3变反应共析反应共析反应：0.77 0.0218+Fe3C 共析点：S点，含碳量0.77%共析反应线：727-相变温度-特征线A1(Ac1、Ar1共晶反应条件： 含碳量：大于0.0218%反应温度：727727加热

3、时冷却时共析反应共析反应产物：珠光体铁素体与渗碳体的机械混合物。复相组织形态：片层状、球状、粒状；随形态变化 硬度发生变化片层间距越小， 硬度越高，球状、粒状则较低。 共析反应按共析点分类钢种：亚共析钢：C量0.0218%0.77%，组织：F+P共析钢： C量=0.77%，组织：P过共析钢：C量 0.77%.11%，组织： P+Fe3C 共析反应过共析钢亚共析钢 共析钢共析反应共析反应中特征线及意义：A1 (Ac1、Ar1)PSK线：共析反应温度，用于选择退 火温度。A3 (Ac3、Ar3)GS线 ：亚共析钢奥氏体化温度线。Am (Acm、Arm)ES线 ：过共析钢奥氏体化温度线， C在奥氏体

4、中的溶解度曲线，随温度降低，C的溶解 度降低； 二次渗碳体含义网状碳化物的形成。PQ线：C在相中溶解度线。三次渗碳体含义游离渗碳体形成。一次渗碳体：从液相中析出的渗碳体，即一次碳化物 共晶反应共晶反应：L c4.3% A2.11+Fe3C共晶点：C点，含碳量4.3%共晶反应线：1148-相变温度-特征线共析反应条件： 含碳量：大于2.11%反应温度：1148 1148共晶反应共晶反应产物：莱氏体奥氏体、渗碳体机械混合物 一次渗碳体 从液相析出形成碳化物一次渗碳体与二次渗碳体区别： 析出来源： Fe3C()从液相中析出；Fe3C()从奥氏 体中析出。形态形貌：Fe3C()呈破碎状，不规则角形；F

5、e3C() 较规则球状。特性：Fe3C()重新奥氏体化不能消除，Fe3C()则可 共晶反应钢进行共晶反应原理：钢：碳含量0.0218%2.11%的铁碳合金。共晶反应形成条件：C：2.11%合金元素对S、E点影响：常用合金元素在一般含量使S、E点左移，缩小相区元素的作用更强。Cr是封闭Y相区元素，高含量Cr使E点明显左移，1%左右含量C可发生共晶反应。一般高速工具钢、冷作模具钢多为莱氏体钢。 包晶反应包晶反应：0.09+L0.53 1495 0.18包晶点：J点，C含量0.18%，B点0.53%包晶反应条件：C含量0.18%0.53%，温度1495包晶反应属化合反应，加热一定温度，奥氏体分解形成

6、高温铁素体高温铁素体-铁素体形成是在加热过程中形成，冷却过程不会形成铁素体。 包晶反应钢中形成铁素体原理一般而言，钢的加热温度不会达到1495低碳马氏体钢因C含量低、Cr含量高，封闭相区，大幅降低包晶反应温度包晶反应得以进行，形成铁素体；C含量的高低决定形成铁素体量的多少。 钢的结晶过程共析反应过程： 1 2 3 4钢的结晶过程1、含 C 0.09%0.53%结晶过程：液相冷却至液相线ABC线，析出铁素体，继续冷却 至1495包晶反应：形成A至NJ、EJ线内全部为AA冷却结晶至912沿GS线先析出F，称为先共析 F，继续冷却至727，A中C达到0.77%共 析反应，生成P。结晶产物为F+P。

7、在奥氏体区域冷却过程中，A没有组织和成分变化，至 C含量达到0.77%、温度达到727共析反应，生成P 钢的结晶过程2、含 C 0.53%0.77%和含C0.77%结晶过程冷却至液相线BC线，开始结晶析出A；L与A共存至EJ线内全部为AC 0.53%0.77%， A冷却结晶至912沿GS线先析 出F继续冷却至727，A中C达到0.77%共析反应， 生成P，结晶产物为F+P。 C 0.77% 冷却过程中，A没有组织和成分变化，至 0.77%共析反应，生成P。 钢的结晶过程3、含 C 0.77%2.11%结晶过程冷却至液相线BC线，开始结晶析出A；L与A共存至EJ线内全部为A继续冷却至ES线开始从

8、A中形成Fe3C( )，A中C 达到0.77%共析反应生成P, 结晶产物为Fe3C+P。 钢的结晶过程4、共晶白口铁C 4.3%结晶过程液相冷至1148进行共晶反应；L分解为A和Fe3C(I)继续冷却A按过共析钢结晶规律分解为P+Fe3C(II), 冷至室温组织为P+Fe3C(II)+ Fe3C(I)5、亚共晶白口铁C 2.114.3%结晶过程液相沿BC液相线先析出A，至1148共晶反应，产物 A+A+ Fe3C(I)， 冷至室温组织为P+Fe3C(II)+ Fe3C(I)6、过共晶白口铁C 4.36.67%结晶过程液相沿CD液相线先析出Fe3C(I)，至1148共晶反应 产物 Fe3C(I)

9、 +A+ Fe3C(I)， 冷至室温组织为 P+Fe3C(II)+Fe3C(I) 四个单相：奥氏体、铁素体、渗碳体、液相复相组织：珠光体类、贝氏体、马氏体具有单相组织的钢类：奥氏体钢、铁素体钢具有复相组织钢类：马氏体钢、莱氏体钢、结构钢等 铁碳平衡相图特征点的实际意义：包晶点J：对低碳马氏体不锈钢形成铁素体影响共晶点C：对高碳、高Cr钢形成一次碳化物影响共析点S：钢分类，亚共析、共析、过共析钢 铁碳平衡相图热处理工艺：加热、保温、冷却热处理工艺制定依据：A1、A3、Am Ac1、Ac3、Acm（加热） Ar1、Ar3、Arm（冷却）热处理实质：通过加热、保温，一定方式冷却 以改变钢的内部组织结

10、构，从而改善钢的性能。 钢加热时组织转变时间时间 h温度温度热处理工艺种类：退火、正火、淬火、回火 Ac1 Ac3、Acm Ac1以下 奥氏体化 退火：钢加热到Ac1上一定温度范围，缓慢冷却正火：钢加热到Ac3或Acm以上3050，空冷淬火：钢加热到Ac3或Ac1以上的给定温度，快冷。回火：钢加热到Ac1以下的某一温度。 钢加热时组织转变奥氏体化：钢在加热时奥氏体的形成过程，包括成核、长大和均匀化过程。在F与Fe3C界面形核F与Fe3C溶入A长大、剩余Fe3C溶解，A均匀化。Fe3C完全溶解后，A快速长大。 钢加热时组织转变影响奥氏体长大因素： 加热温度、保温时间加热速度，加热速度快，形核较多

11、，晶粒较细C含量合金元素能形成稳定碳化物元素阻碍长大。 （Mn和P除外）。 钢加热时组织转变过冷奥氏体：冷却到Ar1以下，未转变的奥氏体。属 亚稳定状态奥氏体，继续冷却过冷A进行转变。过冷奥氏体等温转变：奥氏体化后，迅速冷却至A1下 某温度，保温足够的时间，使A完成组织转变的过程。等温冷却转变曲线：TTT（或C）曲线，表示温度、时 间和反应产物之间关系图。 冷却过程组织转变冷却转变曲线等温转变曲线TTT（C）曲线等温转变产物：珠光体、贝氏体、马氏体 均为复相组织转变开始线转变终了线C曲线六个区域：A1以上稳定奥氏体区域转变开始线左方（过冷奥氏体区域）转变终了线右方（高温、中温产物区域）转变曲线

12、之间（过冷A与转变产物共存区域）Ms与Mz马氏体转变区域马氏体区+少量残余AV临等温转变产物：珠光体（高温转变）、贝氏体（中温转变）、马氏体 （低温转变）均为复相组织，转变温度越低，转变产物硬度越高。 冷却转变产物高温转变珠光体：Ac1-670，片层间距0.60.8m 527HRC索氏体：670-600，片层间距0.5m 2533HRC屈氏体：600-550，片层间距0.1m 3343HRC高温冷却转变珠光体类组织在金相显微镜下以片层间距区分类别，腐蚀后的屈氏体颜色最深，呈黑团状。高温冷却转变珠光体类组织为铁素体与珠光体机械混合物， 组织特征片层状结构。淬火+高温回火（调质处理）回火索氏体 铁

13、素体+颗粒状细小碳化物，与正火组织相比， 弥散分布碳化物组织更具均匀性，具有一定强 度、硬度，又有良好塑性、韧性，综合机械性 能更好。中温转变上贝氏体： 550350 羽毛状组织 4045HRC下贝氏体： 350Ms 黑色针状竹叶状组织 4555HRC粒状贝氏体：铁素体基体上分布“岛状组织”中温冷却转变中温冷却转变贝氏体（B）组织为铁素体与珠光体机械混合物， 分为上贝氏体（羽毛状）、下贝氏体（针状）、 粒状贝氏体针状贝氏体与马氏体状在光学显微镜识别： 贝氏体针是极细碳化物保留在铁素体针内，易腐蚀 呈黑色针状，马氏体针则不易腐蚀，颜色较浅。临界冷却速度：冷却速度V临，正好与C曲线“鼻头” 相切。

14、 V临过冷奥氏体不发生分解，冷到Ms点以 下，发生马氏体转变。马氏体转变实质：转变过程中只发生Fe的晶格改组， C全部保留在-Fe中，实质为C在-Fe中的过饱和 固溶体。转变为无扩散型转变。是体积改变最大的 转变、内应力大，易开裂。因C全部保留在-Fe， 硬度最高马氏体形态：低碳板条状、中高碳针状 低温转变马氏体低温冷却转变合金元素的影响合金元素对相区影响： 扩大相区元素：Mn、Co、Ni、C、N、Cu等与Fe可在一定温度范围，无限固溶，开启相区元素扩大相区元素扩大相区元素影响，相区存在的温区变宽，、相区缩小。根据含量，可致单相奥氏体钢形成。封闭相区元素: V、Cr、Ti、W、Mo、Al、Si

15、、P、Sn、Sb、As等缩小相区元素: B、Zr、Nb、Ta、Ce、S形成金属化合物，与相共存。缩小相区元素影响：相区存在的温区变窄，、相区扩大。根据含量，可致单相铁素体钢形成。与-Fe可无限固溶，其余有限固溶3)合金元素的影响合金元素对特征线的影响扩大相区元素：使A4升高、A3、A1降低。缩小相区元素：使A4降低、A3、A1升高。实际意义：针对合金元素对特征温度的影响，控制相关元素的成分，以期抑制相、铁素体、莱氏体等组织的形成。3)合金元素的影响合金元素对特征点的影响常用合金元素在一般含量使S、E点左移，缩小相区元素的作用更强。实例：铁碳相图中，钢分类以S点（0.77%C） 为基点分亚共析钢

16、F+P、共析钢P、过共析钢P+Fe3C，S点右移后，2Cr13为共析钢组织、Cr12为莱氏体钢组织。3)合金元素的影响4）合金元素在钢中作用合金元素形成的C化物 非碳化物形成元素：Ni、Co、Si、Al、Cu, 溶于-Fe或-Fe中，不形成单独碳化物。 碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Ta、Nb（强） W、Mo(中强）、Cr、Mn、Fe（弱） 强碳化物形成不同类型的碳化物与Fe3C形式有差异 弱碳化物形成元素，部分溶入固溶体，部分形成合金 渗碳体或特殊碳化物。 3)合金元素的影响钢中的金属化合物：与Fe、Co、Ni、Mn形成金属化合物。如Ni3Al、Ni3Ti、Fe7Mo6等金属间化合物从固溶

17、体中脱溶，是单相奥氏体铁素体钢等的强化手段。3)合金元素的影响4）小结 关于铁碳相图： 钢在相应温度下的组织、三个反应关键点、特征线、点 关于冷却曲线： C曲线三个转变包含内容（温度、产物、硬度）及应用 合金元素的影响：对相图的特征点、形成碳化物、金属 间化合物在钢中的作用。 金相相关试验方法GB/T10561-2005 钢中非金属夹杂含量测定GB/T224-2008 钢的脱碳层深度测定GB/T14979-1994 钢中共晶碳化物不均匀度测定GB/T4334-2002 晶间腐蚀倾向试验方法GB/T13305-2008 不锈钢中-相面积含量测定GB/T18254-2005 轴承钢检验GB/T13

18、299-91 钢的显微组织评定方法GB/T6394-2002 金属平均晶粒度测定方法 GB/T10561或 ASTM E45一般图谱比较评级A法 主要成分：主要成分：MnS、FeS、Cr2S3A：硫化物类 主要成分：主要成分：Al2O3、FeO、MnOB：氧化物类 主要成分：主要成分：nFeO.mSiO2、nAl2O3.mSiO2C:硅酸盐类 D与与Ds区别在于区别在于D直径直径3-13mm（SiO2SiO2或含或含SiO2SiO2较高的硅酸较高的硅酸盐）盐）D：点状不变形夹杂非金属夹杂非金属夹杂GB10561-2005检验细则： 取样、制样：纵向半径1/2处、检验面积200mm2 评级视场：

19、边长71mm方框 评级倍率100X2X 非金属夹杂GB/T10561-2005检验细则： 夹杂评级原则：按夹杂的形态进行分类，而不以化学成分进行分类 夹杂类别A、B、C、D（Ds）。同一视场同类粗细系夹杂应合并评级，按最粗尺寸 分评定粗系、细系夹杂；同一视场不同类夹杂，分 开评级；夹杂宽度尺寸低于细系尺寸可不纳入评级 超宽、超长夹杂评定级别后加S下标标识夹杂0级起评，长度介于两个级别之间按下限评定。沉淀相类（TiN等）视其形态按B类链状或D类弥散 分布点状评级。 脱碳 定义：钢表层碳的损失（部分脱碳和全脱碳） 取样、制样：含有钢材表面，或边缘不少于35mm。 脱碳层深度测定：以从边缘到心部组织

20、差异识别C的减少。 亚共析钢F+PF+F+PF 共析钢PF+PF 过共析钢P+Fe3C(II)PF+PF 莱氏体钢P+Fe3C(I)+Fe3C(II)P+Fe3C(II)PF+PF 评定脱碳缺陷处、尖端处脱碳避开测量，应备注其脱碳深度。脱 碳GB/T224-2008 脱碳导致硬度下降，对钢材的整个面而言，导致硬度不均，淬火软点等。 通过脱碳的程度可判别裂纹产生的阶段。 高碳工模具钢及弹簧钢等具有较严重脱碳倾向。脱 碳GB/T224-2008脱碳影响：脱碳示意图缺陷处脱碳（过共析钢脱碳纯铁素体F+P）脱 碳GB/T224-2008F晶间腐蚀GB/T4334-2008 晶间腐蚀机理：奥氏体不锈钢在

21、450750区间，Cr23C6沿晶界析出，造成晶界区域贫Cr，贫Cr区域在 介质中没有抗腐蚀能力，晶界处产生腐蚀。 敏化处理：在450750区间加热， Cr23C6沿晶界析出，使钢对晶间腐蚀特别敏感，这种处理为敏化处理。 改善抗晶间腐蚀措施：降低C含量、添加Ti、Nb。稳定化化处理：850900加热， Cr23C6 完全溶入 晶内，消除晶间腐蚀倾向。晶间腐蚀共晶碳化物不均匀度GB/T14979-94 取样、制样：纵向圆钢1/4D、方扁钢厚度1/4处 评级原则： 按网系、带系图对应评级。 参考一次碳化物颗粒大小、网聚集程度及带的宽度 呈鱼鳞状的严重程度等共晶碳化物不均度共晶碳化物不均匀性影响： 共晶碳化物即一次碳化物，其不均匀性会显著降低材料的强度和韧性，使钢材城各向异性，不易抵抗外力作用，聚集碳化物受外力易剥离脱落形成孔隙 孔洞，降低寿命。共晶碳化物不均度相、铁素体 相一般存在于奥氏体钢不锈钢和奥氏体-铁素体双相不锈钢，钢中的Cr当量（Cr、Mo、Si、Nb），Ni当量（Ni、Mn、C、N）影响相比例。 低碳马氏体型不锈钢1Cr13、2Cr13，沉淀硬化型不锈钢Cu4Nb等存在高温铁素体