《铁碳合金》教学课件

1、 第2章 铁碳合金2.1 金属及合金的晶体结构2.2 铁碳合金相图及其应用2.3 常用的金属材料及选用教学要求：了解金属的晶体结构、晶体缺陷、纯金属的结晶与铸锭及合金的相结构。本章重点金属及合金的晶体结构和结晶特点。铁碳合金的基本组织二元合金状态图分析作业：P30: 2.2; 2.7工 程 材 料 导 论铁碳合金是最重要的工程材料，钢和铸铁是制造机器设备的主要金属材料，在工业生产中占主导地位。与其它材料相比，其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性能优越。金属材料铁碳合金是以铁、碳为主要组元组成的合金。8/3/2022第1页，共28页。2 .1 金属及合金的晶体结构 要了解钢和铸铁的本质，首先必须了

2、解纯铁的晶体结构。金属的内部结构和组织状态是决定金属材料性能的一个重要因素。金属在固态下通常都是晶体，了解和掌握金属的晶体结构、结晶过程及其组织特点，是零件设计时合理选材的根本依据。 铁碳合金凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程 。结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。液体晶体晶体： 原子排列是有序的，原子在三维空间做规则的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性 非晶体: 原子排列杂乱无章呈无序状态，没有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向同性。2.1.1 晶体结构及同素异构转变8/3/2022第2页，共28页。晶体结构铁碳合金8/3/2022第3页，共28页。2. 金属的

3、结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成。1. 三种常见的金属的晶格类型：体心立方晶格铁碳合金面心立方晶格密排六方晶格8/3/2022第4页，共28页。金属的同素异构转变15381394 912 室温-Fe -Fe- Fe体心立方面心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。 金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性 能的目的。铁碳合金8/3/2022第5页，共28页。 2.1.2 金 属 的 结 晶纯金属的理想状态冷却曲线CT 0 L ab S0a：结晶开始点 b：结

4、晶终了点C LT0T1S0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度 T=T0-T1（过冷度）纯金属的实际冷却曲线结晶的必要条件-过冷度铁碳合金8/3/2022第6页，共28页。金属的结晶过程： 原子团 形核 晶核长大 小晶粒 晶粒（外形不规则的小晶体）Ca bLsL+s0a：结晶开始点 b：结晶终了点 合金的结晶是在一个温度范围内完成。合金的结晶铁碳合金金 属 的 结 晶8/3/2022第7页，共28页。形核：自身晶核、外来晶核晶核长大方式：树枝状方式晶界晶粒间的分界面；单晶体结晶方位完全一致的的晶体多晶体由多晶粒组成的晶体结构晶粒粗细对材料力学性能的影响 晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。细

5、化晶粒的方法增加冷却速度，增大过冷度；增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；单晶多晶形核铁碳合金8/3/2022第8页，共28页。2.1.3 合 金 的 晶 体 结 构要点：研究金属材料的加工工艺，必须了解金属及合金的晶体结构和结晶过程。1 合金的结构概念合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。组元：组成合金的基本元素。相： 凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液相 单一的固相 液相、固相两相共存问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？铁碳合金8/3/2022第9页，共28页。金

6、属材料的主要性能金属材料的力学性能（强度，塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度）金属材料的物理、化学性能工艺性能金属的晶格类型结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。纯金属的理想（非理想）状态冷却曲线，合金的结晶冷却曲线金属的结晶过程晶核长大方式：树枝状方式；晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。细化晶粒的方法？金属（铁）的同素异构转变：1538 1394 912 室温合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。 组元；相上次课内容回顾8/3/2022第10页，共28页。2 合金的结构固溶体 固溶体： 由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。 置

7、换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原子。 当A、 B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。 间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。 例如：C溶入-Fe或-Fe 所形成的铁素体、奥氏体。铁碳合金8/3/2022第11页，共28页。 4. 合金的结构固溶强化 A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。 例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典型的金属化合物。3.合金的结构金属化合物 随着溶质原子的增加，所形成的固溶体的强度、硬度升高的现象。 例如：

8、纯铁与钢的用途铁碳合金8/3/2022第12页，共28页。2.1.4 二元合金状态图 把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。铁碳合金8/3/2022第13页，共28页。思 考 题1 在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？2 如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？大作业：1、金属热加工（铸、锻、焊、热）过程中，热应力会导致零件产生变形，试分析产生热应力原因？并提出防止或消除变形的方法。2、试设计一根传动轴，并确定其加工方法和加工工艺路线。8/3/2022第14页，共28页。2.2 铁碳合金

9、相图及其应用本节重点：铁碳合金状态图在铸造、压力加工、焊接和热处理中的应用本节难点：铁碳合金状态图的理解 铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性 能优越，在工业生产中广泛使用。铁碳合金8/3/2022第15页，共28页。2.2.1 铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶解在Fe中的间隙固溶体( F）。塑性 （=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：碳溶解在 Fe中的间隙固溶体（A）。塑 性好。渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很 高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P）。莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变

10、所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性 差。铁碳合金8/3/2022第16页，共28页。两种反应1148 1、共晶反应 一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c2 、共析反应 一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。A2.11%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体（P）共晶反应的产物即莱氏体（Ld）8/3/2022第17页，共28页。 2.2.3 铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点1538共晶线ACD线

11、液相线AECF线固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm用途A1线912铁碳合金8/3/2022第18页，共28页。 铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的符号温度t/ 含碳量wc%含义ACDEGPSQ 1538 1148 1227 1148 912 727 727 室温04.36.692.1100.020.770.0008纯铁的熔点共晶点 渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度8/3/2022第19页，共28页。 相图中主要线的含义ACD线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线固相线 各种成分的合

12、金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线共晶线 含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线共析线（A1线） 含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727 同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线（A3线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线称Acm线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。8/3/2022第20页，共28页。 典型合金结晶过程分析铁碳合金含碳量为2.11%6.69%的铁碳合金。共晶生铁： 含碳量为4.3%;亚共晶生

13、铁：含碳量在2.11%4.3%之间；过共晶生铁：含碳量在4.3%6.69%之间；含碳量小于0.02%的铁碳合金。工业纯铁钢生铁 含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根据金相 组织的不同，可分为三种。共析钢： 含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在0.02%0.77%之间；过共析钢：含碳量在0.77%2.11%之间；8/3/2022第21页，共28页。 2.2.4 铁碳合金状态图分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CLdP+Fe3C+Fe3C转变铁碳合金8/3/2022第22页，共28页。 A

14、奥氏体P珠光体F铁素体共析钢和亚共析钢的结晶过程分析8/3/2022第23页，共28页。过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析8/3/2022第24页，共28页。Ld变态莱氏体亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析8/3/2022第25页，共28页。钢碳素钢碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢 (0.2-0.7%C，用途广)碳素工具钢 (T8等)合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢 1Cr18Ni9耐热钢 15CrMo 耐磨钢 3Cr13其它 ZGMn13刃具钢 9SiCr模具钢 3Cr2W8V量具钢 CrWMn低合金结构钢 20Cr渗碳钢 20Cr调质钢 40Cr弹簧钢 60Si2Mn轴

15、承钢 3Cr13（1.5%C)2.3 常用的金属材料及选用铁碳合金2.3.1. 钢的分类8/3/2022第26页，共28页。合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质 仍然具有金属特性。 组元；相 固溶体：置换，间隙 C溶入-Fe或-Fe 金属化合物(形成新的物质） Fe3C 固溶强化(强度、硬度升高） 铁与钢二元合金状态图的建立上次课内容的回顾铁碳合金（组织、状态图、两种反应、四把火）铁素体：碳溶解在Fe中的间隙固溶体( F）奥氏体：碳溶解在 Fe中的间隙固溶体（A）渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P）莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（Ld）两种反应：1、共晶反应（ 4.3%C， 1148，A+Fe3C)2 、共析反应