机械工程材料课件(西安交大)2

1、第二章碳钢本章主要内容碳钢的分类和牌号纯铁的结晶和晶体结构铁碳合金中的相和组织组成物Fe-Fe3C相图杂质元素对钢性能的影响(yngxing)压力加工对钢组织和性能的影响共五十四页第一节 纯铁的组织(zzh)和性能问 题什么是过冷现象和过冷度？什么是晶体和晶体结构？什么是晶体缺陷？可分为几类？对晶体的性能有哪些(nxi)影响？纯铁的同素异构体有哪些？具有哪种的晶体结构？共五十四页一、纯铁的结晶(jijng)结晶(jijng)：晶体由液态变成固态的过程。2 过冷现象和过冷度过冷度：理论结晶温度和实际开始结晶温度之差。共五十四页结晶(jijng)过程(a)(b)(c)(d)(e)(f)形成晶核晶核

2、长大全部结晶3结晶过程：形成(xngchng)晶核和晶核长大共五十四页二、晶体结构晶体结构：原子、分子或者(huzh)离子在空间的具体排列称为晶体结构。2 如何研究晶体结构？晶体原子 点 点阵 晶格 晶胞晶体(jngt)结构晶胞参数晶胞：构成晶格的最基本的单元。共五十四页3金属(jnsh)中常见的晶体结构类型 体心(t xn)立方(BCC）面心立方（FCC）密排六方（HCP)铁（-Fe）,钨(W) ,铬（Cr）,钼（Mo）,钒（V)等a=b=c,=90铝(Al)、铜(Cu)、 银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)铁（Fe)等a=b=c,=90钛（Ti）、锆（Zr、镁（Mg)、锌（Zn

3、）等a=bc,=90 =120晶体结构与材料性能： （一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。体心立方 bcc面心立方 fcc密排六方 hcp共五十四页4纯铁的同素异构转变(zhunbin)1394Cg-Fe面心立方a-Fe体心立方d-Fe体心立方912C三、晶体缺陷1晶体缺陷：实际晶体中排列(pili)不规则的区域称为晶体缺陷。分类（按空间尺寸分）点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，例如空位、置换原子、间隙原子。同素异构转变：同一种元素在固态下由于温度变化而发生的晶体结构的变化。共五十四页线缺陷：不规则区域(qy)在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的

4、尺寸都很小, 例如位错。钛合金中的位错线刃位错空位空位置换原子置换原子间隙原子间隙原子共五十四页 面缺陷：不规则区域在两个(lin )方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。工业纯铁的晶界晶界亚晶界ABCD共五十四页3 晶体(jngt)缺陷对晶体(jngt)性能的影响位错密度(md)很低或者很高时，晶体的强度比较高。点缺陷点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。线缺陷附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变化与位错密度有关。强度位错密度共五十四页面缺陷(quxin)：晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发

5、生高温氧化，耐腐蚀性能降低。细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。强化材料的方法之一组织：室温下退火态的组织由等轴晶粒组成。性能：强度低，塑性、韧性(rn xn)好。（性能随晶粒尺寸的改变而改变，晶粒越小，纯铁的强度越高，塑性、韧性(rn xn)越好。）应用：作为功能材料使用，如变压器的铁芯等。四、工业纯铁的组织、性能和应用细晶强化共五十四页晶粒度级别晶粒度级别越高，晶粒越细。工业中常用的细晶粒是7-8级，晶粒尺寸为0.022mm共五十四页第二节 铁碳合金(hjn)中的相和组织组成物铁和碳的相互作用表现在哪些方面？什么是固溶体？分为(fn wi)哪几类？什么是固溶强化和细晶

6、强化？铁碳合金中的相和组织组成物有哪些？共五十四页一、铁和碳的相互作用铁和碳的相互作用表现(bioxin)为两方面铁和碳形成固溶体（1）固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持(boch)溶剂元素的晶体结构。形成固溶体 形成化合物（2）固溶体的分类：置换固溶体间隙固溶体共五十四页置换固溶体：溶质原子(yunz)和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体间隙(jin x)固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙

7、固溶体。 例如：Fe 与 C ,N ,O ,H 形成间隙固溶体 置换固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子溶剂原子溶质原子AB共五十四页（3）铁与碳形成(xngchng)的固溶体 （4）固溶体的性能(xngnng)与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低，电阻、矫顽力增加。铁素体：碳溶于a铁中形成的固溶体称为铁素体，用a或者F表示。奥氏体：碳溶于g铁中形成的固溶体称为奥氏体，用g或者A表示。固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为固溶强化。强化材料的方法之一共五十四页2 铁与碳形成(xngchng)化合物（加入较多的碳）（1）铁与碳形成的化合物：渗碳体（Fe3C)（2）化

8、合物的性能特点：晶体结构和性能不同于其组成元素，晶体结构复杂，熔点高、硬而脆。（3）对合金性能的影响渗碳体能提高(t go)合金的硬度、耐磨性，会降低合金的塑性和韧性。 以层片状或者球形均匀分布在组织中，能提高合金的强度； 以连续网状、粗大的片状或者作为基体出现时，急剧降低材料的强度、塑性韧性。共五十四页二、铁碳合金(hjn)中的相和组织组成物相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构(jigu)并以界面相互隔开的均匀组成部分。组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可一是两相或者多相混合物。铁碳合金中的相有：铁素体、奥氏体和渗碳体铁碳合金中的组织组成物：铁素体、奥氏

9、体、渗碳体、珠光体和莱氏体。铁素体珠光体共五十四页第三节 Fe-Fe3C相图(xin t)需要掌握知识点Fe-Fe3C相图中重要的点、线和相区。Fe-Fe3C相图中的重要转变及产物。应用Fe-Fe3C相图分析典型成分(chng fn)铁碳合金的结晶过程。分析室温下得到的相和组织组成物。会用杠杆定律计算室温下相和组织组成物的质量分数。碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响。共五十四页一、基本概念相图：表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或者组织与温度、成分间关系的图形，又称状态图或平衡图。相图的分类（根据组元数量分）二元相图（两个组元配成的合金体系(tx)）三元相图（三个组元配成的合金体系）3 相图的建立

10、：实验测定不同成分合金的转变温度，将所有(suyu)的开始转变点连接起来，将所有(suyu)的转变结束点连接起来。液相线固相线共五十四页二、Fe-Fe3C相图(xin t)相图中的点（14个）（1）组元的熔点(rngdin)： A (0, 1538) 铁的熔点D (6.69, 1227) Fe3C的熔点（2）同素异构转变点N（0，1394）d-Fe gFeG（0，912） gFe a -Fe （3）碳在铁中最大溶解度点 P（0.218，727）碳在a -Fe 中的最大溶解度 E（2.11，1148）碳在 g -Fe 中的最大溶解度 H (0.09，1495）碳在 d-Fe中的最大溶解度 Q（0

11、.0008，RT）室温下碳在a -Fe 中的溶解度Fe-Fe3C相图共五十四页三相共存(gngcn)点S（共析点）（g a Fe3C）C（共晶点）（ gL Fe3C） J（包晶点）（ d gL ）相图中的线液相线():结晶时液相的成分，在其上体系为液相固相线（）：结晶时固相的成分，其下为固相。Fe-Fe3C相图(xin t)（5）其它点B（0.53，1495）发生包晶反应时液相的成分F（6.69,1148) 渗碳体 K (6.69,727) 渗碳体共五十四页表示(biosh)恒温转变的线：HJB 包晶转变 ECF 共晶转变 PSK 共析转变相图(xin t)中的相区单相区（4个1个） L、a、

12、g、d （ Fe3C） 两相区（7个）L + d, L + Fe3C，L + g , d + g , g + a g + Fe3C ,a + Fe3 固溶度线： ES碳在奥氏体中的最大溶解度随温度的变化线 （温度，最大溶解度 ）；（0.77%-2.11%） PQ ：碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化线 （温度 ，最大溶解度 ） (0.0008%0.0218%) 同素异构转变线：NH 和 NJ，GS 和 GP共五十四页（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单一(dny)固相的转变，属于非恒温转变。4 Fe-Fe3C相图(xin t)中的转变强调！ 根据相图规则，两个单相区之间必然夹一个两相区，两相区

13、的两个相就由这两个单相区的相组成。L g : 由液相中直接结晶出g相。（合金的成分线和BC线相交，即含碳量Wc：0.53% 4.3%L Fe3C : 由液相中直接结晶出Fe3C相。（合金的成分线和CD线相交，即含碳量Wc：4.3%6.69%L d : 由液相中直接结晶出d相。（合金的成分线和AB线相交，即含碳量Wc：00.53%）过合金的成分点作垂直于横坐标的直线，称为成分线共五十四页（2）同素异构转变(zhunbin) d (b.c.c) g(f.c.c)NH （开始线） NJ（结束线）g (f.c.c) a (b.c.c)GS（开始线） GP（结束线）铁与碳形成固溶体之间的同素异构转变（3

14、）析出(xch)转变：从一个固相中析出(xch)另一个固相的转变。温度降低，C在Fe中的溶解度也降低，合金的含碳量就超过溶解度，多余的碳就以Fe3C析出。gFe3CII （二次渗碳体）析出aFe3CIII （三次渗碳体）析出二次渗碳体多以网状形式析出，损害材料的强度、塑性韧性共五十四页（4）恒温(hngwn)转变 1）包晶转变 HJB 线 dH0.09LB0.53gJ0.17+1495C 含义：由一定成分的液相和一定成分的固相生成(shn chn)另一个一定成分新固相地反应-包晶转换反应。（具有J点成分的铁-碳合金冷却至14950C，体系中的液相和d相在转变过程中恰好全部消耗完，得到单一的gJ

15、 相。 ） 发生包晶反应的合金成分： C%：0.09%-0.53% 即合金的成分线与HJB线相交； 产物：单相奥氏体（ gJ ） 包晶点 （J点）：（0.17，1495） Ldg共五十四页2）共晶(n jn)转变含义：由一定成分(chng fn)的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。（ Fe- Fe3C系：由C点成分的液相在11480C下同时生成具有E点成分的g 相和Fe3C。 ）发生共晶反应的成分范围：Wc ：2.11 %6.69% (合金成分线与ECF线相交) 产物：gE和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Ld表示。 （Fe3C为基体； gE 呈粒状或杆状分布在基体上）共晶点C

16、 (4.3,1148) gE2.11Lc4.3Fe3C6.69+1148CgEFe3C莱氏体共五十四页3）共析转变(zhunbin)含义：在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变。 (在FeFe3C体系中，在7270C下由S点成分的g相同是生成P点成分的a相和Fe3C；产物： a相和Fe3C的两相混合物，以层片形式混合，称为珠光体，用P表示。合金范围： Wc: 0.0218 %6.69%(合金成分线与PSK线相交)S点:共析点，（0.77，727） (具有(jyu)S点成分的FeC合金冷却至7270C时，合金全部发生共析转变，生成珠光体。) aP0.0218gs0.77F

17、e3C6.69+727C珠光体共五十四页5 典型铁碳合金结晶(jijng)过程分析方法和步骤在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4等）根据每条线表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变；由液相分析至室温。室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个(n ge)相。组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。共五十四页6 几种(j zhn)典型铁碳合金的结晶过程分析1 Wc0.77%的铁碳合金的结晶(jijng)过程成分线如线（1）所示，成分线与相图中的各条线的交点记作1, 2, 3T T1T1TT2T3 TT2T T3

18、共五十四页室温下的相：a+Fe3C组织(zzh)组成物：P(珠光体）（100）形貌： a和Fe3C层片状混合物问 题？已知：合金的总质量为1，含碳量为0.77%。室温下由a和Fe3C两相组成(z chn)，其中a中含碳量为0.0008%, Fe3C中含碳量为6.69%.求：合金室温下a相的质量分数M a和Fe3C质量分数M Fe3C。（写出表达式即可）？珠光体共五十四页 杠杆定律用来计算二元相图中两相平衡状态下平衡相的相对(xingdu)质量。杠杆的支点是两个相的平均质量分数（合金的成分点），端点分别是两个相的成分点。a相的质量分数Fe3C相的质量分数aFe3CA(0.0008)B(6.69)

19、0.77C共五十四页Wc=0.6%的铁碳合金（见相图(xin t)中的成分线（2）成分线与相图(xin t)上各条线的交点记做1,2,3,4T1T2T2T3T3T4TT1T1T2T2T3T3T4TT4TT1：开始结晶，T=T2:晶界过程(guchng)结束，体系为固相 T3T4：开始从g相中析出Fe3CII, 沿g相中晶界分布，成网状。TT4：发生共析转变， gs 全部转变成珠光体。T12钢的组织共五十四页1234共五十四页共晶(n jn)白口铸铁室温下的组织组成物： 莱氏体过共晶(n jn)白口铸铁室温组织组成物：一次渗碳体莱氏体亚共晶白口铸铁室温组织组成物：珠光体二次渗碳体莱氏体4 Wc=

20、4.3%铁碳合金的结晶过程分析5 Wc=3.0%铁碳合金的结晶过程分析6 Wc=5.0%铁碳合金的结晶过程分析室温莱氏体亚共晶白口铸铁室温下的组织形貌过共晶白口铸铁室温组织形貌共五十四页四、碳对铁碳合金平衡(pnghng)组织和力学性能的影响1 铁碳合金按碳的质量分数和平衡(pnghng)组织的分类白口铸铁工业纯铁Wc0.0218%组织：铁素体和少量三次渗碳体钢亚共析钢（Wc0.77%)组织：铁素体和珠光体组织：珠光体和二次渗碳体组织：珠光体亚共晶白口铸铁 (Wc2.11%) 组织：珠光体二次渗碳体 莱氏体共晶白口铸铁 (Wc4.3%) 组织：莱氏体过共晶白口铸铁 (Wc4.3%)组织：一次渗

21、碳体莱氏体共五十四页2 碳对合金平衡(pnghng)组织的影响（ Fe3C的形态)F+Fe3CIIIFe3C位于晶界，细小的薄片F+PFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）P Fe3CIIP Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）还有一部分Fe3C沿晶界分布呈连续网状PFe3CIILdFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）Fe3C作为莱氏体的基体LdFe3C作为莱氏体的基体Ld +Fe3CI Fe3C为粗大长片状 Fe3C作为莱氏体的基体含碳量逐渐增加共五十四页3 含碳量对力学性能的影响(yngxing)（1）含碳量增加(zngji)，硬度增加(z

22、ngji)（2）含碳量增加，塑性韧性降低（3）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）铁素体(F)：软而韧渗碳体(Fe3C):硬而脆共五十四页四 FeFe3C相图(xin t)的应用1 为选材提供成分(chng fn)依据。 2 为制定热加工工艺提供依据。（1）制定热处理工艺的依据 （2）为制定热加工工艺提供依据，包括铸造、锻造、焊接、热处理）共五十四页第四节 钢中杂质元素(yun s)对钢性能的影响钢的性能与含碳量有关；还受钢中杂质元素的影响。了解(lioji)钢中的合金元素及其对性能的影响。共五十四页一、硅和锰溶入铁素体中，产生固溶强化作用，提高钢的强度和硬度少量的硅和锰有利Si形成SiO

23、2, Mn形成MnS，形成夹杂物，降低钢的性能较多的硅和锰有害钢中规定(gudng)：WSi 0.5%， WMn 0.8% 二、硫和磷硫：引起(ynq)热脆；磷：引起冷脆 硫磷降低钢的焊接性能共五十四页2 适当增加硫、磷含量(hnling)，可提高钢的切削加工性能； 磷可增加钢在大气中的耐腐蚀性能三、钢中气体对钢的作用(zuyng)氢：引起氢脆。在钢中产生裂纹，降低钢的塑性韧性；容易在焊缝处产生裂纹。2 氮：引起应变时效，增加钢的脆性；(不利） 钢中有Al、V、Ti 、Nb时，氮可细化晶粒，提高钢的强度；氮也可提高钢的耐热性能。(有利）共五十四页第六节 压力加工对钢组织(zzh)和性能的影响

24、知识要点（1）压力加工的分类；冷加工和热加工的定义。（2）冷加工对金属组织和性能(xngnng)的影响。（加工硬化）（3）冷变形组织加热过程中组织和性能的变化。 （三个阶段）（4）去应力退火和再结晶退火的应用。共五十四页一 基本概念1 压力加工： 金属材料在外力作用下发生的一种塑性变形过程。（工业生产上将钢锭锻造、挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、钢管或者钢丝等规定尺寸(ch cun)和形状的零件和产品的过程。）2 压力加工的目的（1）获得规定形状和尺寸的零件和产品（2）改变钢的组织和性能3 压力加工的分类冷(压力)加工（T T再）按加工温度是否高于再结晶温度共五十四页二 冷加工对组织(zzh

25、)和性能的影响1 冷加工对金属材料微观组织(zzh)的影响（1）随着应变量的增加，晶粒被拉长或者压扁，呈细条状或者纤维状；（2）晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度急剧增加。晶粒被拉长或者压扁晶粒被拉长或者压扁成为细条状组织和纤维组织，等轴晶粒未变形原始晶粒轻微变形的滑移线拉长或压扁的晶粒细条状组织和纤维组织共五十四页2 冷加工对性能(xngnng)的影响（1）力学性能: 随变形量增加(zngji)，强度、硬度增加，塑性韧性降低。加工硬化：把金属材料经过冷变形后，随变形度增加强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。强化材料的方法之一（2）物理化学性能: 电阻增加，抗腐蚀性能降低。（3）大变形量形成的织构带来各向异性。（4）产生残余应力，使零件尺寸不稳定；残余压应力可提高疲劳强度，残余拉应力降低腐蚀性能。“加工硬化”是强化金属材料的一种手段，尤其是对那些不能用热处理方法强化的金属。 制耳现象共五十四页三 冷变形钢在加热(ji r)过程中组织和性能的变化随着加热(ji r)温度的升高冷变形钢经历三个阶段：回复、再结晶、晶粒长大。 1 回复阶段：基本上保持加工硬化效果 。（1）显微组织形貌保持不变；（2）强度硬度略有降低， 内应力明显下降；（3）原