金属工艺学第五版cp12

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,*,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,*,第二章 铁碳合金,什么是铁碳合金？,以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于,95%。,学习内容,1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,2.铁碳合金的基本组织,3.铁碳合金状态图,4.,工业用钢,1,第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,【重点内容】,1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素。,2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及细化晶粒的办法。,3.纯铁的晶体结构。,4.纯铁同素异晶转变。,12,min35s,的录像（金属的晶体结构、结晶过程、细化晶粒的方法、同素异晶转变等结晶和固态转变的基本理论）,2,一、金属的结晶,什么是金属的结晶？,液态金属冷却凝固转变为固态晶体的过程,结晶的过程可用（温度,时间的曲线）冷却曲线来表示。,水结晶成冰的实验，可以看出晶体结晶存在,“,过冷,”,现象。,过冷度,过冷度的大小与冷却速度的关系,纯金属的冷却曲线,3,结晶过程,结晶过程：,形核,+,长大,自发形核（均质形核）,晶核的形成,非自发形核（异质形核）,晶核的长大：树枝状长大,4,晶粒大小及控制,晶粒,每个晶核长成的晶体称为晶粒。,晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。,影响晶粒大小的因素有哪些？,形核率,N,(,晶核数/,s,cm,3,),长大速度,G,(cm/s),晶粒大小的控制,（1）增大过冷度 ；（2）变质处理；（3）,振动,5,1）过冷度的影响,冷却速度愈大，过冷度愈大。,实线部分，随着,T,的增大，,形核率和长大速度都大，且,N,的增加比,G,增加的快，,晶粒愈细。,6,2）变质处理,在液态金属结晶前，特意,加入某些合金,，造成大量可以成为非自发晶核的,固态质点,，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。,7,（3）,振动,对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。,8,二、 纯铁的晶体结构,晶体中原子在空间的排列,，可用,晶格,来表示。,晶格中一个最基本的几何单元叫,晶胞,。,根据对晶胞的分析，,最常见的晶格类型有体心立方晶格,、,面心立方晶,格、,密排六方晶格,。,9,纯铁的晶格有,体心立方,和,面心立方,两种。,原子数18,(1/8)=2,典型金属：,-,Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb,性能特点：强度很高，塑性较好,致密度：68,（原子占有晶胞体积的百分数）,体心立方晶体结构,10,纯铁的晶格有,体心立方,和,面心立方,两种。,面心立方晶体结构,原子数 (1/2) 6 (1/8),8=4,典型金属：,-,Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag,性能特点：塑性极好,致密度：74,11,三、 纯铁同素异晶转变,液态铁缓慢冷却到熔点左右经过第一次结晶后，到室温的过程中，晶格类型将发生改变。这种,随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象，称为同素异晶转变,。,-Fe,转变为,-Fe,时，金属的体积将,膨胀还是收缩？,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,12,第二节 铁碳合金的基本组织,基本概念：合金、组元、相、组织,将,一种金属元素,同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有,金属特性,的新物质，称为,合金,。,组成合金的最基本的、独立的物质称为,组元,，通常是指组成该合金的元素或某些化合物，根据合金组元数目的多少，把合金分为二元合金、三元合金和多元合金。如：铁碳合金就是由铁和碳二组元组成的二元合金。,13,相,是指在合金中，凡,成分相同、晶体结构相同,并,有界面,与其它部分分开的均匀组成部分。,在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形貌、图象称为组织,，合金又可分为不同的组织。,铁碳合金的基本组织可分为,固溶体,、,金属化合物,和,机械混合物,三种类型。,14,一、固溶体,某些合金的组元在固态时，具有一定的互相溶解能力。,溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称,固溶体,。,在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）,溶剂，其余的组元（元素）,溶质,根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为,间隙固溶体,和,置换固溶体,两类。,15,间隙固溶体,和,置换固溶体,铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体,间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置,。,固溶体,置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子,。,16,1、,铁素体（,F）,Ferrous,铁素体是,碳,溶解在,-Fe,中形成的间隙固溶体。,由于,-Fe,晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727）所以是几乎不含碳的纯铁。,具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却较低。它在,770,以下具有磁性。,性能：,b,=180230MPa HB=5080,=3050% =7080%,a,k,=156196J,cm,-2,17,显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。,18,2、奥氏体（,A）,Austenite,奥氏体是,碳,溶解在,-Fe,中形成的间隙固溶体。,-Fe,的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148）。,由于,-Fe,一般存在于7271394之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。,性能：,=4050%，,具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。,19,显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织。,20,“,固溶强化,”,通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。,固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大的缘故。因此固溶强化是材料的一种主要的强化途径。,21,固溶体的性能,当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。,随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变,。其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。,22,二、金属化合物,合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质，称为金属化合物。,金属化合物性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物后，其强度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性和韧性则降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。,铁碳合金中的,渗碳体,属金属化合物。,23,渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。,含碳量为6.69%。,性能：,HBW=800，,硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。,显微镜下观察，渗碳体(,Fe,3,C),呈银白色光泽。,渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。,渗碳体,Fe,3,C,24,三、机械混合物,它是,两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物质。,混合物各相保持其原有晶格。,混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。,铁碳合金中的机械混合物有,珠光体,和,莱氏体,。,25,1.,珠光体（,P）,Perlite,珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。,珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。,性能：,b,=750MPa HB=160180,较高, =2025% =3040%,适中,26,显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因得名。这是,T8,钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳体）。,27,2.,莱氏体,L,d,Ledeburite,由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物。,奥氏体在,727,时将转变为珠光体，所以在室温下由,珠光体,和,渗碳体,组成的机械混合物，称为,低温莱氏体,，用符号,L,d,/,表示。高温莱氏体仅存于,727,以上。,莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。,28,这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。,29,第三节 铁碳合金状态图,【基本要求】：,1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的含义。,2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利用状态图对典型合金的结晶过程进行分析。,3.,掌握碳钢的牌号及用途；,30,什么是铁碳合金相图？,铁碳合金状态图是,研究在平衡条件下，铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它,以温度为纵坐标、合金成分（,Fe,3,C,或含碳量）为横坐标的图形。,它是说明合金成分、温度和组织三者关系的图形。,31,32,简化图,1538,Q,Fe-Fe,3,C,状态图,w,C,/%,温度/,L,A,L+A,L+Fe,3,C,F+A,F,P,F+P,Ld,Ld,Ld,+Fe,3,C,Ld+Fe,3,C,Ld,+Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+A,Ld+Fe,3,C,+A,912,1227,0.77,2.11,4.3,6.69,727,1148,A,P,S,E,C,D,F,K,G,0,Fe,3,C,Fe,33,一、铁碳合金状态图的建立,合金状态图是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在,缓慢冷却,过程中的,冷却曲线和组织转变,，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图。,34,35,二 、铁碳合金状态图的分析,1.,组元和相,（,1,）组元：,铁石墨相图：,Fe,C;,铁渗碳体相图：,Fe,，,Fe,3,C,。,（,2,）相：,L,A(),F(),Fe,3,C(K),。,1538,Q,Fe-Fe,3,C,状态图,w,C,/%,温度/,L,A,L+A,L+Fe,3,C,F+A,F,P,F+P,Ld,Ld,Ld,+Fe,3,C,Ld+Fe,3,C,Ld,+Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+A,Ld+Fe,3,C,+A,912,1227,0.77,2.11,4.3,6.69,727,1148,A,P,S,E,C,D,F,K,G,0,Fe,3,C,Fe,36,2,特性点：,1538,Q,Fe-Fe,3,C,状态图,w,C,/%,温度/,L,A,L+A,L+Fe,3,C,F+A,F,P,F+P,Ld,Ld,Ld,+Fe,3,C,Ld+Fe,3,C,Ld,+Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+A,Ld+Fe,3,C,+A,912,1227,0.77,2.11,4.3,6.69,727,1148,A,P,S,E,C,D,F,K,G,0,Fe,3,C,Fe,37,3,特性线：,ACD,线,液相线,AECF,线,固相线,ECF,线,共晶反应线,GS,线（,A,3,),铁素体从,A,中析出开始线,ES,线,碳在奥氏体中的溶解度曲线,PSK,线,共析反应线,PQ,线,C,在,F,中的溶解度曲线，冷却至此线有,Fe3C,析出,1538,Q,Fe-Fe,3,C,状态图,w,C,/%,温度/,L,A,L+A,L+Fe,3,C,F+A,F,P,F+P,Ld,Ld,Ld,+Fe,3,C,Ld+Fe,3,C,Ld,+Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+A,Ld+Fe,3,C,+A,912,1227,0.77,2.11,4.3,6.69,727,1148,A,P,S,E,C,D,F,K,G,0,Fe,3,C,Fe,38,四个单相区,(1)ACD,线以上的液相区（,L,）,(2)AESGA,线围着的单一奥氏体相区（,A,，,）,(3)GPQG,线围着的单一铁素体相区（,F,，,）,(4)DFK,垂线代表的单一渗碳体相区（,Fe,3,C,）,4. 区域,39,五个双相区,ACEA,线围着的液相与奥氏体相区（,L,+,A,）,CDFC,线围着的液相与渗碳体相区（,L,+Fe,3,C,）,GSPG,线围着的奥氏体与铁素体相区（,A,+F,）,EFKSE,线围着的奥氏体与渗碳体相区（,A,+Fe,3,C,）,QPSK,以下为铁素体与渗碳体相区（,F,+Fe,3,C,）,4. 区域,40,5.,铁碳合金的分类,工业纯铁：,C%0.0218,共析钢：,C%=0.77,亚共析钢：0.0218,C%0.77,过共析钢：0.77,C%=2.11,共晶白口铁：,C%=4.3,亚共晶白口铁：2.11,C%4.3,过共晶白口铁：4.3,C%0.60%,（,b,）,组织：,F+P,（,c,）,性能：在淬火,+,中温回火后，具有较高的,和良好弹性也叫弹簧钢。具有较好的耐磨性和中等硬度。,（,d,）,用途：主要用于制作弹簧和易磨损的零件。,72,碳素工具钢,1,）化学成分：,Wc=0.65%-1.35%,2,）,牌号：,T+,数字表示,T,碳,数字表示千分含量。对于硫、磷含量较低的优质碳素工具钢，则在数字后面加,A,。,例：,T8A,0.8%,的高级优质碳素工具钢,3),组织：,P+F,或,P+Fe,3,C,4),性能：具有很高的硬度和耐磨性，但淬透性差，热硬性差。,5),用途：用于制作手动和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等,73,三、合金钢,为了改善钢的某些性能，特意加入一种或几种合金元素所炼成的钢。,化学成分：,C,0.2%,，,合金元素,5%,，,常加合金元素：,Mn,、,Si,、,V,、,Nb,、,Ti,、,Re,、,Cu,、,N,等。,合金钢的性能特点,（,a,）,具有较高的强度、塑性和冲击韧性，特别是低温冲击韧性。,（,b,）,具有良好的焊接性。,（,c,）,具有较高的抗腐蚀性,。,74,合金钢分类,75,1.,合金结构钢,合金结构钢是优质钢，其的牌号,表示方法：数字,+,元素符号,+,数字,25,Cr2,Ni4,W,（万分之几）,w,S.P,0.035%，,与优质结构钢相同,元素符号及含量,（百分之几）,含量1.5%不标数字,76,根据性能用途不同优质合金结构钢又可分为渗碳钢、调制钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。,1,）,合金渗碳钢,典型零件：变速箱齿轮、齿轮等常用的,20,CrMnTi,钢。,2,）,合金调质钢,典型零件：受冲击载荷较大的齿轮常用,40,Cr,、,40CrMnMo,等,3,）,弹簧钢,典型零件：汽车减振弹簧常用,55,Si2Mn,77,2.,合金工具钢,合金工具钢都属于高级优质钢，其牌号,方法：数字,+,元素符号,+,数字,9,Mn2V,Cr12MoV,含碳量标千分之几,（,W,C,1%,）,含碳量不标出,（,W,C,1%）,合金元素的表示方法与合金结构钢相同,78,合金工具钢的典型牌号,低合金刃具钢,9,SiCr，,常用作板牙、丝锥、铰刀、冷冲模等。,高速钢,W18Cr4V W18Cr4V2Co8,W6Mo5Cr4V2,W9Mo3Cr4V,制作各种高速切削刃具，如车刀、铣刀、钻头、拉刀等，高速钢不论含碳量多少都不标注，例如,W18Cr4V，,碳的质量分数,W,C, 0.70%0.80%，,钢号前不标数字。,79,3.,特殊性能的钢,特殊性能的钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,1),不锈钢,按其组织状态的不同，主要分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢等。,铬,是不锈钢中最重要的合金元素，其在不锈钢中的含量一般为,11.50%-32.10%,。,80,2,）耐热钢,是指在高温下具有高的化学稳定性和热强性的特殊钢。,3,）耐磨钢,是指在冲击和磨损条件下使用的,高锰钢,。,主要用于严重摩擦和强烈撞击条件下工作的零件，如用作坦克及拖拉机的履带，挖掘机铲齿，推土机挡板和铁路道岔等。高锰钢的主要成分为含碳量为0.9%-1.5%,含锰量为,11%-14%,。这种钢由于机械加工困难，基本上铸造后直接使用。,81,第五节 零件选材的一般原则,满足工作性能要求,满足工艺性能要求,满足经济性要求,82,