铁碳相图ironcarbondiagram

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,铁碳相图,iron-carbon diagram,1,主要的内容,1.铁碳合金状态图,2.铁碳合金的结晶过程和组织变化,3.铁碳合金的成分、组织与性能间的关系,2,FeC,合金概述,钢(,Steels),和铸铁(,Cast irons),是现代机械制造工业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，其基本组成都是铁(,Fe),和碳(,C),两种元素，故统称为,铁碳合金,（,alloys of the ironcarbon system）,。,铁碳相图(,iron-carbon diagram),描述了钢铁材料的成分、温度与组织（相）之间的关系，是了解钢铁材料的基础。,3,FeC,合金概述,在铁碳合金中，,Fe,与,C,可以形成一系列化合物：,Fe3C、Fe,2,C、FeC,。,所以，,Fe-C,相图可以划分成,Fe-Fe,3,C, Fe,3,C-Fe,2,C, Fe,2,C-FeC,和,FeC-C,四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5），因此，,通常所说的铁碳相图就是,Fe-Fe,3,C,部分,。,4,5,Fe-Fe,3,C,相图,6,1.FeC,合金中的组元,铁碳合金中组元：,纯铁(,Fe),渗碳体（,Fe,3,C,）,7,(1) 纯铁（,Fe）,纯铁（,pure iron）,纯铁固态下具有,同素异构转变（,allotropic transformation）,纯铁具有磁性转变（770,磁性转变、,magnetic transformation）,。,8,纯铁的同素异构转变,9,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,10,概念,铁素体：碳在,a-Fe（,体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。,奥氏体：碳在,-Fe（,面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。,渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（,Fe3c）。,珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（,F+Fe3c,含碳0.8%）,莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）,11,(2) 渗碳体(,Fe3C)A,渗碳体（,cementite）,是,FeC,合金中碳以化合物(,Fe,3,C),形式出现的。,Fe3C,在230以下具有铁磁性，常用,A0,表示这个临界点。,Fe3C,在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。,12,2.,FeC,合金中的基本相,在,FeFe3C,相图中，,FeC,合金在不同条件(成分，温度)下，可有,五（六）个基本相：,L,相、,相、,相、,相,、Fe3C,相、（石墨,G）。,（1）液相(,L),Fe,与,C,在高温下形成的液体溶液。(,ABCD,线以上),（2）,相高温铁素体（,high temperature ferrite）,13,FeC,合金中的基本相,（3） 奥氏体（,austenite）,奥氏体(,或,A),是,C,溶解于,Fe,形成的间隙固溶体称为,奥氏体（,austenite）,。,14,FeC,合金中的基本相,（4）铁素体（,ferrite）,铁素体（,或,F）,是,C,溶于,Fe,形成的间隙固溶体称为,铁素体（,ferrite）,。,（5）渗碳体,（,cementite）,前面已讨论过,（6） 石墨（,C,）,在一些条件下，碳可以以游离态,石墨,（graphite）,(,hcp),稳定相存在。所以石墨在于,FeC,合金铸铁中也是一个基本相。,15,3.,FeFe3C,相图分析,如图为,FeFe3C,相图全貌。根据分析围绕三条水平线可把,FeFe3C,相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。,分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线 、重要的相界线,16,（1）,FeFe3C,相图的点,FeFe3C,相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义如下表：,A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q,各点（表2-1,）,17,18,（,2）,FeFe3C,相图的线,。,19,A.,三条水平线,HJB-,包晶转变线：（1459）,L,0.53,+,0.09,0.17,（,L,B,+,H,J,）,转变产物为奥氏体(,austenit),强度低，塑性好,20,A.,三条水平线,ECF-,共晶转变线：（1148）,，,L,4.3,2.11,+ Fe,3,C,（L,C,E,+ Fe,3,C）,转变产物为,莱氏体（,ledeburite），,用,Ld,表示。,硬、脆、无法加工,21,A.,三条水平线,PSK-,共析转变线(,A,1,线):（727）,0.77,0.0218,+ Fe,3,C,（,S,P,+ Fe,3,C）,转变产物为,和,Fe,3,C,组成的机械混合物称为,珠光体（,pearlite），,用,P,表示。,塑性、韧性、硬度介于,和,Fe3C,之间。,22,B.,两条磁性转变线,A,0,线(虚线) :,渗碳体的磁性转变线，230以上无磁性，230以下铁磁性。,MO(A,2,线）：,铁素体的磁性转变线。770以上无磁性，770以下铁磁体。,A,2,温度,又称居里点。,A,0,、A,1,、A,2,、A,3,、Acm,线温度依次升高。,23,C.,几条重要的相界线(固态转变线),GS,线(,A3,线)：,冷却时从,中开始析出或加热时,全部溶入,中的转变线., ES,线(,Acm,线),：,碳在,中的溶解度曲线。冷却时从,中开始析出,Fe,3,C,或加热时,Fe,3,C,全部溶入,中的转变线.,24,C.,几条重要的相界线(固态转变线),PQ,线：,碳在,中的溶解度线.。冷却时从,中开始析出,Fe,3,C,或加热时,Fe,3,C,全部溶入,中的转变线.,25,（3）FeFe3C,相图中的区,FeFe3C,相图中的区：,5个单相区,：,L、,、Fe3C,7,个两相区,：,L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+ Fe3C,3,个三相共存区,：,L+ Fe3C（ECF,线）、,L+（HJB,线）、,+ Fe3C（PSK,线）,26,27,4.,FeC,合金分类,Fe、C,合金通常按其含碳量(,Wc),及其室温平衡组织分为三大类：,工业纯铁（,pure iron）、,碳钢（,carbon steel）、,铸铁（,cast iron）,。,根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即：,（1）工业纯铁,：(,Wc0.0218%),显微组织为固溶体,。,28,（2）钢,钢,（,steel）,是含碳量在(,Wc=0.02182.11%),之间的,Fe、C,合金。,其特点是：,高温组织为单相的,，,具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，,碳钢（,carbon steel）,又可分为：,共析钢（,eutectoid steel）：Wc=0.77%,亚共析钢（,hypoeutectoid steel）：Wc=0.02180.77%,过共析钢（,hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11%,29,（3）白口铸铁,白口铸铁（,white cast iron）,是含碳量在,Wc=2.116.69%,之间的,Fe、C,合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以,Fe3C,为基的莱氏体组织，所以性能硬、脆，不能锻造。其断口呈银白色，故称为白口铸铁。,上述,Wc=2.11%,具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。,30,Wc,对铁碳合金机械性能的影响,F,为软韧相，,Fe3C,为硬脆相，故,Fe-C,合金的力学性能取决于,和,Fe3C,两相的,相对量,及它们的,相互分布特征,。,硬度（,HB,） 延伸率,（塑性、韧性,）,强度（,Mpa）,铁素体 50-80 30-50 180-230,渗碳体,800 0,30,珠光体 180,20,-35 770,31,Wc,对铁碳合金工艺性能的影响,切削加工性：,可锻性：金属经受压力加工改变形状但不产生裂 纹的性能,。,32,铁碳相图的应用,在生产中具有很大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。,（1）在选材方面,（2）在铸造工艺方面,（3）在热锻热轧工艺方面,（4）在热处理工艺方面,33,锻压常识及相关知识,34,主要涉及的内容,绪论,锻造用原材料,锻造的热规范,自由锻主要工序分析,锻后热处理,性能热处理,金属材料的机械性能,35,绪论,锻造工艺学及其性质,锻造生产的特点及其在国民经济中的作用,我国锻造生产的历史，现状及发展趋势,锻造生产方法的分类,36,一、,锻造工艺学及其性质,锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。,锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压,37,锻造生产的特点及其在国民经济中的作用,特点,地位,38,大型锻件主要应用于以下方面,1、,轧钢设备,2、,锻压设备,3、,矿山设备,4、,火力发电设备,5、,水力发电设备,6、,核能发电设备,7、,石油、化工设备,8、,船舶制造工业,9、,军工产品制造,：,39,实例（核反应堆中主要锻件,M140）,Closure head(monobloc),Vessel flange,Inlet(outlet) nozzle,Nozzle shell,Core shell,Transition ring,Lower dome,40,实例,Elliptical head,Upper shell (、 ),Conical shell,Intermediate shell (lower),(、),Tube sheet,Primary head (channel head),41,实例,Upper head,Core shell,Lower head,42,我国锻造生产的历史，现状及发展趋势,历史,现状,趋势,43,锻造生产方法的分类,按所用工具不同，锻造可以分为自由锻和模锻两大类,按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。,44,第二、锻造用原材料,金属材料,按加工状态,45,锻造用钢锭,钢锭及其冶炼,钢锭的结构,钢锭的内部缺陷,实例（接管段炼钢的简要流程）,46,钢锭及其冶炼,冶炼工艺的主要任务,冶炼工艺的主要方法,47,钢锭的结构,钢锭是由冒口、锭,身、底部组成,48,钢锭的内部缺陷,激冷结晶区（细小等轴结晶区）,没问题,柱状结晶区,没多大问题,树枝状结晶区,多产生负,V,型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、气泡等缺陷,自由结晶区（粗大等轴结晶区）,多产生,V,型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,呈所谓疏松组织,淀淀结晶区,常产生夹渣类缺陷,49,偏析,定义,：,指各处成分与杂质分不的不均匀现象，包括枝晶偏析和区域偏析等,成因,：由于选择性结晶、溶解度变化、比重差异和流速不同造成的。,危害：,造成力学性能不均匀和裂纹缺陷,50,夹杂,定义,：主要是指冶炼时产生的氧化物，硫化物、硅酸盐等非金属夹杂。,成因,：冶炼产物，及外来夹渣物,危害,：对热锻过程和锻件质量均有不良影响，它破坏金属的连续性，在应力的作用下在夹杂处产生应力集中，引发微裂纹，成为疲劳源,51,气体,定义,：主要指钢中的有害气体，如氢、氧等。,危害,：容易产生白点缺陷，还会引起脆性，热锻工艺性将明显下降。,白点对钢的机械性能，尤其对塑性和韧性有影响，是许多重要用途的合金钢不允许有的低倍缺陷,52,气泡,它主要产生在钢锭的冒口、底部、及中心部位。,53,缩孔,它主要在最后凝固的冒口区形成，由于冷凝结晶时没有钢液补充面形成孔洞性缺陷组织，同时含有大量杂质，因此必须切除,54,疏松,它主要集中在钢锭中心部位，产生的原因与缩孔相同。,55,影响钢锭冶金缺陷的条件,综上所述，钢锭的冶金缺陷与冶炼、浇注过程、冷凝结晶条件、钢锭模具设计、耐火材料质量等有关。,56,实例（,接管段锻件用钢生产方案,）,采用双真空处理的工艺进行生产。,.1,、冶炼浇注方案,采用电炉（,3#,、,4#,、,5#,）冶炼温度较高、成份合适的粗炼钢水，分别热兑到,130,t,和,90,t,精炼炉内进行精炼及一次真空处理。依据炉前快速分析的结果，适时调整钢水成份，直至达到目标值。,当精炼炉钢水成份、温度合适时，分别采用,200,t,及,250,t,天车吊包出钢，在,250,t,真空室（,1#,真空室）、利用真空浇注及中间包芯杆吹氩（,LB3,），,在浇注过程中对钢水进行二次真空处理。,钢锭在浇注完并冷凝一定时间后，脱模，用,300,t,送锭车热送至水锻,57,实例（,接管段锻件用钢生产方案）,2、工艺流程图,出钢,200,t,天车,出钢,250,t,天车,热兑,3#+4#+5#,粗炼,热兑,3# +5#,粗炼,130,tLF,精炼(,VD),90,tLF,精炼(,VD),1#真空室,浇注(,LB3,),300,t,送锭,车热送,58,第三,锻造的热规范,金属的锻前加热,金属加热时产生的缺陷及防止措施,锻造温度范围的确定,金属的加热规范,59,金属的锻前加热,目的：提高金属的塑性，降低变形抗力，使其易于流动成形并获得良好的锻后组织,方法：火焰加热，电加热,金属加热时产生的缺陷及防止措施,1,、氧化,2,、脱碳,3,、过热,4,、过烧,5,、裂纹,60,锻造温度范围的确定,锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的温度范围。,1,、始锻温度的确定,必须保证无过烧现象，,2,、终锻温度的确定,防止晶粒粗大，应稍高于再结晶温度,61,金属的加热规范,加热规范制定的原则及方法,1、,装炉温度,2、,加热温度,3、,均热保温,4、,加热时间,62,第四、,自由锻主要工序分析,自由锻的定义,自由锻的目的,自由锻的工序分类,大型锻件的特殊锻造方法,锻件的主要缺陷,63,自由锻的定义,自由锻造是利用金属的塑性在锤或液压机上采用简单通用工具，控制金属流动，将金属坯料锻造成型的方法,64,自由锻的目的,（1）使金属坯料成为一定的形状和尺寸,（2）锻合金属坯料内部疏松、缩孔等冶金缺陷,（3）去除钢锭的夹杂（切除水口、冒口）或改善夹杂物的分布,（4）使锻件得到均匀的组织为锻后热处理创造良好的条件,65,自由锻的工序分类,1、,基本工序：镦粗、拔长、冲孔、芯棒拔长、马杠扩孔，弯曲、切断、错移、扭转、锻接,2、,辅助工序：钢锭倒棱、预压钳口等,3、,修整工序：滚圆、平整、,66,大型锻件的特殊锻造方法,（,1,）、,FM,法（,Free From Mannesmann effect,）,避免产生曼内斯曼效应，即锻件心部不产生拉应力的锻造方法，因此又可以叫作：毛坯中心部位免除了轴向拉应力的锻造法,（,2,）,WHF,法（,wide die heavy blow forging method,）,WHF,法是宽砧强力压下锻造法。一般与,JTS,法并用,（,3,）,JTS,法即中心压实法（或温间锻造法、硬壳锻造法）,（,4,）,KD,法（,V,型钻锻造法）用途很广泛。,67,锻件的主要缺陷,（1）,横向裂纹,（2）,纵向裂纹,（3）,表面龟裂,（4）,内部微裂,（5）,局部粗晶,（6）,表面折叠,（7）,中心偏移,（8）,机械性能不能满足要求,68,自由锻工艺要点,水冒口要除量,变形过程的选择,锻造比的选择,压实过程,69,12500t自由锻水压机,70,第五,锻后热处理,锻后热处理的目的与作用,锻后热处理常用方法,实例（锻后热处理曲线）,71,锻后热处理的目的与作用,（,1,）消除锻造应力，降低锻件的表面硬度，提高其切削加工性能。,（,2,）满足机械性能要求。,（,3,）调整与改善组织。,（,4,）防止和消除白点的问题。,72,锻后热处理常用方法,方法：,退火,annealing,正火,normalizing,回火,tempering,淬火,quenching,73,操作要点,1、,装炉前的准备工作,2、装炉温度,。,3、待料温度,4、锻件摆放，,5、配炉原则,6、,加热,7、,冷却,74,实例,锻后处理曲线,75,第六、性能热处理,性能热处理的目的与作用,性能热处理常用方法,实例（性能热处理曲线）,76,性能热处理的目的与作用,其主要目的是：,通过加热、冷却的方法，改变金属或合金的组织结构，使其具备工程技术上所需要的性能。,提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命,77,制定热处理规范的原则,按其导热性能，碳化物溶解的难易以及对终冷温度的要注将钢种分成若干组，然后再按锻件尺寸的不同分别条用不同的工艺参数。其主要目的也是为了减少热处理过程中的内应力对锻件的危害作用。,78,性能热处理常用方法,退火：完全退火、球化退火、去应力退火等,正火,淬火：,回火：低温回火、中温回火、高温回火,固溶处理,整体热处理,表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热,物理气相沉积,化学气相沉积,等离子化学气相沉积,表面热处理,渗碳,渗氮,碳氮共渗,其它：渗其它金属或非金属、多元共渗,化学热处理,79,退火,退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却.,80,正火,正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却.,81,淬火,淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。,82,回火,为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于,650,的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火,83,实例（性能热处理曲线）,性能热处理曲线,管板的性能热处理曲线,84,第七,金属材料的机械性能,机械性能的定义,表示金属材料机械性能的指标,实际工程中常用指标,85,机械性能的定义,金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能,86,表示金属材料机械性能的指标,强度,塑性,硬度,冲击韧性,87,强度,强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。,工程上常用的是,屈服强度,yield strength,（,Rp,0.2,、,Rp,1.0,）,抗拉强度,ultimate (tensile) strength,（,Rm）,88,塑性,塑性：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。,工程上常用的是,1、延伸率,：,elongation,（,A,）,2、断面收缩率（,）,89,硬度,硬度：金属材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。,工程上常用的是,1、布氏硬度（,HB）,2、,洛氏硬度（,HR、HRC）,3、,维氏硬度（,HV）,90,冲击韧度,冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度。,工程上常用的是,冲击韧性（,Ak）：,材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2（,J/cm2）.,冲击吸收功（,ISO-V,、,KV,）,91,第八,、,关于不锈钢的基本知识,不锈钢的分类,不锈钢的冶炼,不锈钢的锻造,不锈钢的固溶处理,92,不锈钢的分类,1,、马氏体不锈钢,2,、铁素体不锈钢,3,、奥氏体不锈钢,93,马氏体不锈钢,马氏体不锈钢含碳高达,0.2%,，在任何冷速下都会由奥氏体变为马氏体，强度高，相当于低合金钢，有磁性。耐腐蚀性能差，不容易焊接，焊后应退火处理。典型钢号如,2,Cr13,、,3Cr13,等。,94,铁素体不锈钢,铁素体不锈钢含碳达,0.1%,，耐腐蚀性不理想，铬是其主要成分，含镍少，只能抗氧化，不能耐酸碱，有磁性，无相变，不能用热处理提高强度。焊接时热影响区晶粒长大从而降低韧性，脆性转变温度高于室温。典型钢号如,1,Cr14,、,1Cr28,。,95,奥氏体不锈钢,铬超过,16%,、镍近,9%,就能获得奥氏体不锈钢。一般铬均超过,18%,，镍完成奥氏体化。奥氏体不锈钢焊接性能好，无淬硬性，抗腐蚀性能强，有良好的低温韧性，无相变，为敏化后不过多降低晶间腐蚀，焊接时不预热，焊后不热处理。,96,奥氏体不锈钢,简单的奥氏体不锈钢是,18-8,钢，即,0,Cr18Ni9(304),，,这种钢应用普及，缺点是材料可能发生敏化，产生晶间腐蚀。温度,500800,时，多余的,C,向晶粒界飞速扩散，在晶界附近和,Cr,结合成,Cr23C6,，,出现晶粒边界贫,Cr,，,当,Cr,低于,12.5%,时产生晶间腐蚀。,0,Cr18Ni9,钢敏化时在晶界会产生磷的偏析，容易出现应力腐蚀裂纹。,核电用不锈钢经常用0,Cr18Ni12Mo2(316)，,97,核电产品常用的不锈钢,0,Cr18Ni9,相当于美国304,00,Cr18Ni9,相当于美国304,L,0Cr18Ni10Ti,相当于美国321,0,Cr18Ni12Mo2,相当于美国316,0,Cr18Ni11Nb,相当于美国347,0,Cr17Ni12Mo2N,相当于美国316,N,00Cr17Ni14Mo2,相当于美国316,L,Cr18Ni9Si3,相当于美国302,B,1Cr18Ni9,相当于美国302,98,不锈钢的锻造,1锻造主要解决晶粒度、,相和夹杂物,2,不锈钢的晶粒度与加热温度和变形量有关,3,变形量,4,相铁素体相呈园滑无规则的形状，,铁素体相是有规则的多边形几何体,。,99,不锈钢的固溶处理,固溶处理,的目的,加热温度,固溶处理冷却速度,稳定化处理,消除应力处理,固溶处理可降低,相含量,100,