《金属材料与热处理（第八版）》- 课件 第3、4章 铁碳合金、非合金钢

第三章铁碳合金§3-1合金及其组织一、合金的基本概念1.合金合金是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料，即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。2.组元组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的物质称为组元，简称元。3.相合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。4.组织合金的组织指合金中不同相之间相互组合配置的状态。二、合金的组织根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固溶体、金属化合物和混合物三类。合金的组织续表无论是间隙固溶体还是置换固溶体，在其形成过程中都会使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对变形的抗力增加。这种通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象称为固溶强化。形成固溶体时的晶格畸变a)间隙固溶体b）置换固溶体§3-2铁碳合金的基本组织与性能钢铁是现代工业中应用最为广泛的合金，它们均是以铁和碳为基本组元的合金，故又称为铁碳合金。一、铁素体(F)碳溶解在α—Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体的晶胞示意图铁素体的显微组织二、奥氏体(A)碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。

奥氏体的晶胞示意图奥氏体的显微组织三、渗碳体(Fe3C或Cm)渗碳体是含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体的晶胞示意图四、珠光体(P)珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。珠光体的显微组织a)光学显微镜观察组织b)电子显微镜观察组织五、莱氏体(Ld)莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。低温莱氏体的显微组织铁碳合金基本组织的性能级特点§3-3铁碳合金相图铁碳合金相图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。一、铁碳合金相图的组成在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。铁和碳形成的化合物为便于掌握和分析Fe—Fe3C相图，将相图上实用意义不大的部分省略，简化后的Fe—Fe3C相图如下。简化后的Fe—Fe3C相图二、Fe—Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织Fe—Fe3C相图中有七个特性点及六条特性线。1.主要特性点Fe—Fe3C相图中的七个特性点及其温度、含碳量和含义2.主要特性线Fe—Fe3C相图中的六条特性线及其含义三、铁碳合金的分类铁碳合金的室温组织及分类四、铁碳合金结晶过程分析1.共析钢图中合金Ⅰ为含碳量0.77%的共析钢。2.亚共析钢图中合金Ⅱ是含碳量为0.45%的亚共析钢。3.过共析钢图中合金Ⅲ是含碳量为1.2%的过共析钢。4.白口铸铁图中合金Ⅳ是共晶白口铸铁，合金Ⅴ表示某一成分的亚共晶白口铸铁，合金Ⅵ表示某一成分的过共晶白口铸铁。典型合金在Fe—Fe3C相图中的位置含碳量为0.45%的亚共析钢的显微组织含碳量为1.2%的过共析钢的显微组织共晶白口铸铁的显微组织亚共晶白口铸铁的显微组织过共晶白口铸铁的显微组织五、铁碳合金的成分、组织与性能的关系分析铁碳合金的室温组织不难发现，随含碳量的增加，其组织顺序为F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L'd→L'd→L'd+Fe3CⅠ含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性、韧性越低，在钢经过热处理后表现尤为明显。对非合金钢及低、中碳合金钢来说，其含碳量一般不超过1.3%。六、Fe—Fe3C相图的应用作为选材的依据2.在铸造生产中的应用3.在锻造工艺上的应用4.在热处理工艺上的应用Fe—Fe3C相图与铸、锻工艺的关系§3-4观察铁碳合金的平衡组织（试验）第四章非合金钢§4-1杂质元素对非合金钢性能的影响一、炼钢过程概述1.采用不同的热源将原料(生铁、废钢等)熔化。2.采用不同的方法(如加入氧化铁，使接触氧化性炉气，或通入空气、富氧空气甚至纯氧等)使钢液中的碳、硅、锰、磷、硫等杂质元素氧化。3.加入造渣材料使杂质元素的氧化生成物进入炉渣而被排除或生成气体而逸出。4.氧化终了时，钢液中不可避免地溶解了过多的氧，以及生成部分氧化铁。为此，必须加脱氧剂进行脱氧，并使脱氧生成物进入炉渣而与钢液分离。5.根据所炼钢种的要求加入合金元素，调整成分，调整钢液温度，然后出钢。二、炼钢方法对钢的质量和性能的影响钢的质量及其性能与钢的纯净程度(即钢中固体及气体夹杂物的含量)密切相关，而其纯净程度又与炼钢方法密切相关。普通转炉钢的纯净程度最差，因而其力学性能特别是韧性最差。电炉钢的纯净度最高，因而其力学性能也最好。平炉钢的纯净程度则介于普通转炉钢和电炉钢之间，其力学性能也是如此。三、脱氧方法对钢的质量和性能的影响炼钢用的脱氧剂，一般有锰、硅及铝等。在这三种脱氧剂中以锰的脱氧能力最弱，但锰脱氧的生成物MnO容易进入炉渣而被除去，因而钢液不受沾污。硅的脱氧能力比锰强十倍左右，但其脱氧生成物SiO2不易全部进入炉渣，而部分地成夹杂物残留在钢中。铝的脱氧能力更强，然而铝的脱氧生成物Al2O3不易聚成颗粒进入渣中，因而当脱氧用铝量较大时，就会使钢中含有大量Al2O3的非金属夹杂物。通常在钢液脱氧时先加入锰铁、硅铁，待钢液含氧量降低到一定程度时，再加铝进行进一步脱氧。残留在钢中的脱氧产物，对钢的组织和性能有明显影响。四、杂质元素对钢的质量和性能的影响1.锰锰是钢中的有益元素，是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。锰有很好的脱氧能力，还可以与硫形成MnS，从而消除硫的有害作用。锰作为杂质，含量一般应不超过0.8%。2.硅硅是钢中的有益元素，它是作为脱氧剂而进入钢的。硅的脱氧能力比锰还强，能提高钢的强度及质量。硅作为杂质，含量一般应不超过0.4%。3.硫硫是钢中的有害元素，常以FeS的形式存在。钢中含硫量必须严格控制，通常应小于0.05%。4.磷磷是钢中的有害元素，它使钢冷脆性增大。钢中含磷量也要严格控制，通常应小于0.045%。5.氧氧通常以FeO形式或非金属夹杂物(如A12O3、SiO2等)形式存在于钢中。氧有使钢呈热脆性的作用。6.氮氮在高温下能溶于γ-Fe或α-Fe中，急速冷却后并不立即析出，而将在长期搁置时以细小分散的氮化物析出，从而使钢的韧性显著下降，导致工件易于脆性破坏，这种现象称为时效。7.氢尽管氢在钢中含量不多，但即使是微量氢的存在也会造成氢脆等缺陷，因而是有害元素。§4-2非合金钢的分类一、按非合金钢的含碳量分类1.低碳钢含碳量≤0.25%。2.中碳钢含碳量为0.25%~0.6%。3.高碳钢含碳量≥0.60%。二、按非合金钢的质量等级分类1.普通质量非合金钢

2.特殊质量非合金钢

3.优质非合金钢

三、按非合金钢的用途分类1.碳素结构钢2.碳素工具钢四、按非合金钢冶炼时脱氧程度分类1.沸腾钢2.镇静钢3.特殊镇静钢五、其他分类方法非合金钢还可以从其他角度进行分类。例如，按专业领域分为锅炉用钢、桥梁钢、矿用钢等;按冶炼方法分为转炉钢、电炉钢等。§4-3非合金钢的牌号与用途一、非合金钢的牌号表示方法非合金钢的牌号表示方法（摘自GB/T221—2008、GB/T5613—2014）续表二、常用非合金钢的性能和用途1.碳素结构钢碳素结构钢的牌号、化学成分及力学性能(摘自GB/T700—2006)碳素结构钢的