机械基础——第一金属材料的性能、第二节 黑色金属

1、复习提问复习提问1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性。强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性。2 2、金属的工艺性能有哪些项目？、金属的工艺性能有哪些项目？铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。处理性能。3 3、什么叫黑色金属？主要有哪些？、什么叫黑色金属？主要有哪些？以铁为基本元素的合金。主要有钢、铸铁及其合金。以铁为基本元素的合金。主要有钢、铸铁及其合金。4 4、金属金格的基本类型有哪些？、金属金格的基本类型有哪些？体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格、

2、面心立方晶格和密排六方晶格。5 5、指出下列晶格晶胞示意图是什么晶格类型？、指出下列晶格晶胞示意图是什么晶格类型？二、碳钢二、碳钢 以铁为基础的铁碳合金称为以铁为基础的铁碳合金称为钢铁材料钢铁材料。最基本的。最基本的元素是铁和碳两种元素，因此通常称为元素是铁和碳两种元素，因此通常称为铁碳合金铁碳合金。 含碳量低于含碳量低于2.11%2.11%的铁碳合金称为的铁碳合金称为碳素钢碳素钢，简称，简称碳钢碳钢；含碳量大于；含碳量大于2.11%2.11%的铁碳合金称为的铁碳合金称为铸造生铁铸造生铁，简称简称铸铁铸铁。第二节第二节 黑色金属（钢、铸铁及其合金）黑色金属（钢、铸铁及其合金）一一、金属与合金的

3、内部结构金属与合金的内部结构（一）（一）、纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变 纯纯铁在固态冷却过程中有两次晶体结构铁在固态冷却过程中有两次晶体结构转转变变。 金属金属在固态在固态时时随温度变化随温度变化而晶格类型发生转变的而晶格类型发生转变的现象现象的现象称的现象称同素异晶转变同素异晶转变，也称，也称同素异构转变同素异构转变。13941394912912 -Fe -Fe -Fe纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变如果将室温的纯铁如果将室温的纯铁加热，这个转变可加热，这个转变可以逆向进行。以逆向进行。 -Fe-Fe、 -Fe-Fe为体心立方结构，为体心立方结构， -Fe-Fe为面心立方结构。为

4、面心立方结构。都是铁的同素异构体。都是铁的同素异构体。 -Fe -Fe ( (二二) )铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 纯铁有良好的塑性，但强度较低，一般不用其制纯铁有良好的塑性，但强度较低，一般不用其制造机械零件。但在纯铁中加入少量碳后，铁和碳造机械零件。但在纯铁中加入少量碳后，铁和碳互相结合，形成了合金组织，强度和硬度有明显互相结合，形成了合金组织，强度和硬度有明显的提高。的提高。 铁和碳的结合方式有两种：一种是碳原子溶解到铁和碳的结合方式有两种：一种是碳原子溶解到铁的晶格中形成固溶体；另一种是铁和碳原子按铁的晶格中形成固溶体；另一种是铁和碳原子按一定比例相互化合形成化合物。一定比例

5、相互化合形成化合物。 铁和碳形成的基本组织有：铁和碳形成的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。碳体、珠光体和莱氏体。( (二二) )铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 铁素体铁素体（F） 碳溶解在碳溶解在-Fe-Fe中形成的间隙固溶体称为中形成的间隙固溶体称为铁素体铁素体，用符，用符号号F F表示。铁素体保持表示。铁素体保持-Fe-Fe的体心立方晶格结构。的体心立方晶格结构。 铁素体强度、硬度很低，塑性和韧性好，性能近似工铁素体强度、硬度很低，塑性和韧性好，性能近似工业纯铁，一般很少单独用作工程结构材料。业纯铁，一般很少单独用作工程结构材料。 奥氏体奥氏体（

6、A） 碳溶解在碳溶解在-Fe-Fe中所形成的间隙固溶体称为中所形成的间隙固溶体称为奥氏体奥氏体，用，用符号符号A A表示。奥氏体保持表示。奥氏体保持-Fe-Fe的面心立方晶格结构。的面心立方晶格结构。 奥氏体一般只能在高温下存在。奥氏体一般只能在高温下存在。 奥氏体有一定的强度、硬度和良好的塑性、韧性，奥氏体有一定的强度、硬度和良好的塑性、韧性，适于进行锻压加工。适于进行锻压加工。 ( (二二) )铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 渗碳体渗碳体（FeFe3 3C C） 渗碳体渗碳体是铁和碳所形成的具有复杂晶格结构的间隙化合是铁和碳所形成的具有复杂晶格结构的间隙化合物，用分子式物，用分子式F

7、eFe3 3C C表示，碳的质量分数为表示，碳的质量分数为6.69%6.69%。 渗碳体硬度高而塑性、韧性极低。铁碳合金中渗碳体含渗碳体硬度高而塑性、韧性极低。铁碳合金中渗碳体含量影响了合金的硬脆性能。量影响了合金的硬脆性能。 珠光体珠光体（P P） 珠光体珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，常用符号是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，常用符号P P表示。珠光体中碳的质量分数平均值为表示。珠光体中碳的质量分数平均值为w wC C=0.77%=0.77%。 珠光体是碳的质量分数珠光体是碳的质量分数w wC C=0.77%=0.77%的奥氏体在的奥氏体在727727同同时析出两种互不相溶的组织，

8、即铁素体和渗碳体，组成两相时析出两种互不相溶的组织，即铁素体和渗碳体，组成两相复合组织，这一转变称为共析转变。复合组织，这一转变称为共析转变。 珠光体的珠光体的力学性能介于铁素体与渗碳体之间，力学性能介于铁素体与渗碳体之间，具有较高具有较高的强度、硬度和足够的塑性、韧性，的强度、硬度和足够的塑性、韧性，综合性能良好。综合性能良好。莱氏体莱氏体（L Ld d） 莱氏体是莱氏体是w wC C=4.3%=4.3%的铁碳合金，缓慢冷却到的铁碳合金，缓慢冷却到11481148时从液相中同时结晶出由奥氏体和渗碳体组成的机械混时从液相中同时结晶出由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，这种混合物称为高温莱氏体，用

9、符号合物，这种混合物称为高温莱氏体，用符号L Ld d表示。冷表示。冷却到却到727727时，奥氏体将转变为珠光体，所以室温下莱时，奥氏体将转变为珠光体，所以室温下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温低温莱氏体，用符号莱氏体，用符号L Ld d表示。表示。 莱氏体的渗碳体含量大，性能与渗碳体相近，硬度莱氏体的渗碳体含量大，性能与渗碳体相近，硬度高、脆性大、塑性差，是铁碳合金组织中的脆性组织。高、脆性大、塑性差，是铁碳合金组织中的脆性组织。 ( (二二) )铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织（三）铁碳合金相图（三）铁碳合金相图 一般所说的铁一般所说的铁碳合金相图，

10、碳合金相图，均指的是均指的是Fe-Fe-FeFe3 3C C相图相图，如如图所示。图中图所示。图中纵座标为温纵座标为温度，横座标为度，横座标为碳的质量分数。碳的质量分数。（1 1）铁碳合金相图中主要点、线的意义）铁碳合金相图中主要点、线的意义（2 2）铁碳合金分类）铁碳合金分类铁碳合金铁碳合金（按含碳（按含碳量和室温量和室温组织不同组织不同分类）分类）工业纯铁工业纯铁钢钢白口铸铁白口铸铁Wc0.0218%亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢Wc=0.77%0.0218%Wc0.77%0.77%Wc2.11%共晶白口铸铁共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁

11、Wc=4.3%2.11%Wc4.3%4.3%Wc6.69%0.0218%Wc2.11%2.11%Wc6.69%（3 3） Fe-Fe3C Fe-Fe3C状态图的应用状态图的应用 在选材方面的应用在选材方面的应用 Fe-Fe3CFe-Fe3C相图表明了钢铁材料成分、组织的相图表明了钢铁材料成分、组织的变化规律，依此可判断出力学性能的变化，从而变化规律，依此可判断出力学性能的变化，从而为选材提供了可靠的依据。为选材提供了可靠的依据。 例如，各种型钢需要塑性、韧性好的材料，例如，各种型钢需要塑性、韧性好的材料，应采用低碳钢；应采用低碳钢； 各种机械零件需要强度、塑性及韧性都好的各种机械零件需要强度、

12、塑性及韧性都好的材料，应采用中碳钢；材料，应采用中碳钢； 各种工具需要硬度高、耐磨性好的材料，应各种工具需要硬度高、耐磨性好的材料，应采用高碳钢。采用高碳钢。 （3 3） Fe-Fe3C Fe-Fe3C状态图的应用状态图的应用 在制定热加工工艺方面的应用在制定热加工工艺方面的应用 1 1、在铸造工艺方面的应用、在铸造工艺方面的应用 依据依据Fe-Fe3CFe-Fe3C相图的液相线，可以确定合适的浇注温相图的液相线，可以确定合适的浇注温度。由相图可知，共晶成分的合金，其凝固温度区间最小，度。由相图可知，共晶成分的合金，其凝固温度区间最小，故流动性好，分散缩孔较小，可得到致密的铸件。另外，故流动性

13、好，分散缩孔较小，可得到致密的铸件。另外，共晶成分的合金熔化温度较低，其所需熔炼设备较简易。共晶成分的合金熔化温度较低，其所需熔炼设备较简易。故具有良好的铸造性能。因此，接近共晶成分的铸铁在铸故具有良好的铸造性能。因此，接近共晶成分的铸铁在铸造生产中被广泛应用造生产中被广泛应用。2 2、在锻造工艺方面的应用、在锻造工艺方面的应用 由由Fe-Fe3CFe-Fe3C相图可知，钢在高温时可获得单相奥氏体相图可知，钢在高温时可获得单相奥氏体组织，而奥氏体的强度较低，塑性较好，有利于塑性变形组织，而奥氏体的强度较低，塑性较好，有利于塑性变形加工。因此，钢材的轧制或锻造温度范围多选在单一奥氏加工。因此，钢

14、材的轧制或锻造温度范围多选在单一奥氏体范围内。一般始锻温度不宜过高，以免钢材氧化严重；体范围内。一般始锻温度不宜过高，以免钢材氧化严重；而终锻温度也不能太低，以免钢材塑性较差，而导致产生而终锻温度也不能太低，以免钢材塑性较差，而导致产生裂纹。裂纹。 Fe-Fe3CFe-Fe3C状态图的应用状态图的应用 在制定热加工工艺方面的应用在制定热加工工艺方面的应用 3 3、在焊接方面的应用、在焊接方面的应用 由于焊接时焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，由于焊接时焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，由由Fe-Fe3CFe-Fe3C相图可知，在不同的加热条件下会产生不同相图可知，在不同的加热条件下会产生不

15、同的高温组织，随后的冷却也就有可能出现不同的组织与的高温组织，随后的冷却也就有可能出现不同的组织与性能，这就需要焊接后采取热处理的方法加以改善。性能，这就需要焊接后采取热处理的方法加以改善。 4 4、在热处理方面的应用、在热处理方面的应用 各种热处理都与各种热处理都与Fe-FeFe-Fe3 3C C相图有着密切的关系。退相图有着密切的关系。退火、正火、淬火的温度选择都是以火、正火、淬火的温度选择都是以Fe-FeFe-Fe3 3C C相图为依据相图为依据来确定的。来确定的。Fe-Fe3CFe-Fe3C状态图的应用状态图的应用 相图应用的局限性相图应用的局限性 1 1）相图仅反映出了平衡条件下的组

16、织转变规律）相图仅反映出了平衡条件下的组织转变规律（缓慢冷却或加热），它没有体现出时间的作用，因此，（缓慢冷却或加热），它没有体现出时间的作用，因此，实际生产中，冷却速度较快时不能用此相图分析问题。实际生产中，冷却速度较快时不能用此相图分析问题。 2 2）相图反映出了二元合金中相平衡的关系，若钢）相图反映出了二元合金中相平衡的关系，若钢中有其它元素，其平衡关系将会发生改变。中有其它元素，其平衡关系将会发生改变。 3 3）相图不能反映实际组织状态，它只给出了相的）相图不能反映实际组织状态，它只给出了相的成分和相对量的信息，不能给出形状、大小和分布特征。成分和相对量的信息，不能给出形状、大小和分布

17、特征。 含碳量对铁碳合金力学性能的影响含碳量对铁碳合金力学性能的影响含碳量对碳钢力学性含碳量对碳钢力学性能的影响如下图所示，能的影响如下图所示，由图可知，随着钢中由图可知，随着钢中含碳量的增加，钢的含碳量的增加，钢的强度、硬度升高，塑强度、硬度升高，塑性和韧性下降，这是性和韧性下降，这是由于组织中渗碳体含由于组织中渗碳体含量的不断增多造成的。量的不断增多造成的。当当w wC C=0.9%=0.9%时，由于时，由于网状二次渗碳体的存网状二次渗碳体的存在，强度明显下降在，强度明显下降 。 （四）碳及常存杂质元素（四）碳及常存杂质元素对钢性能对钢性能的影响的影响 含碳量对铁碳合金含碳量对铁碳合金工艺

18、工艺性能的影响性能的影响 碳的质量分数低的钢的强度低，塑性好，容易锻造和冷碳的质量分数低的钢的强度低，塑性好，容易锻造和冷加工成型。焊接性能也良好。加工成型。焊接性能也良好。 （四）碳及常存杂质元素（四）碳及常存杂质元素对钢性能对钢性能的影响的影响 硅的影响硅的影响 硅是钢中的有益元素硅是钢中的有益元素。它能与钢液中的氧化合，。它能与钢液中的氧化合，形成形成脱氧剂，脱氧剂，降低钢中氧的含量，使钢质致密。降低钢中氧的含量，使钢质致密。硅硅能溶于铁素体能溶于铁素体，使铁素体，使铁素体强化作用，强化作用，从而使从而使钢的强钢的强度度、硬度硬度、弹性提高、弹性提高，而韧性、塑性降低而韧性、塑性降低。

19、锰的影响锰的影响 锰是在炼钢时作为脱氧剂而加入的，残留在钢锰是在炼钢时作为脱氧剂而加入的，残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中起强化作用，能提中的锰可溶于铁素体和渗碳体中起强化作用，能提高钢的强度和硬度。此外，锰还能和硫反应生成高钢的强度和硬度。此外，锰还能和硫反应生成MnSMnS，从而减少硫对钢的危害性。所以，从而减少硫对钢的危害性。所以锰也是钢中锰也是钢中的有益元素的有益元素，在钢中的含量一般为，在钢中的含量一般为0.25%0.25%0.80%0.80%。 硫的影响硫的影响 硫是硫是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的有害有害元素元素。在固态下硫不溶于铁，而是与钢中的铁生。在固态下硫不溶于铁，而是与钢中的铁生成成FeSFeS。FeSFeS与铁形成低熔点的共晶体与铁形成低熔点的共晶体（Fe+FeSFe+FeS），分布在晶界上。当钢材加热到），分布在晶界上。当钢材加热到10001000120012000 0C C进行压力加工时，沿晶界分布的进行压力加工时，沿晶界分布的低熔点共晶体（低熔点共晶体（Fe