第二章 铁碳合金
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第二章 铁碳合金. §1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变. 1. 结晶 由 液态转变为固体 晶体的过程。 或:原子由不规则 ( 无序 ) 排列到有 ( 序 ) 规则排列过程 . 或:晶体结构形成的过程。如水 — 冰 2 2. 冷却曲线 用热分析法测定时描述金属结晶过程的曲线。. 曲线上有一段水平线,是 实际结晶温度 T 1 , 又称 结晶平台 ,是结晶时放出的热 ( 潜热 ) 造成的 . 虚线: 理论结晶温度 T 0 。 3. 过冷度 ΔT = T 0 - T 1 实际结晶温度 低于理论结晶温度,此称 “ 过冷 ” 。 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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第第二二
章 章 铁 铁碳碳合合金金
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§1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变
1. 结晶 由液态转变为固体晶体的过程。
或:原子由不规则 ( 无序 ) 排列到有 ( 序 ) 规则排列过程 .
或:晶体结构形成的过程。如水—冰 2
2. 冷却曲线 用热分析法测定时描述金属结
晶过程的曲线。
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曲线上有一段水平线,是实际结晶温度 T1 ,又称结晶平台 ,是结晶时放出的热 ( 潜热 ) 造成的 .
虚线:理论结晶温度 T0 。 3. 过冷度 ΔT = T0 - T1
实际结晶温度 低于理论结晶温度,此称“过冷”。
过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关 冷却速度越快,结晶温度越低,过冷度越大 , 反之冷却速度慢,过冷度则小。
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下图是金属结晶过程示意图
主要结论: 1. 结晶过程实质=形核+成长(大), 两者相继又并存。 2. 结晶终了: 得多晶粒组织 ( 晶界多 ),犬牙交错,晶粒愈细愈好; 控制细晶措施有:
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1. 增大过冷度; 2. 变质处理; 3. 机械振动; 4. 热处理或压力加工。 二、纯铁的晶体结构 1. 晶体与非晶体 定义:原子按一定几何形状作有规律的重复
排列的固体物质—称晶体;非晶体则反之。 特点:晶体 ①有熔点;②具有各向异性。
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如:食盐,冰, 金刚石,金属等。 非晶体 : ① 无熔点;②各向同性。 如:玻璃,松香,沥青等。 2. 晶格 为便于研究晶体中原子排列规律,人为将原
子抽象化,将晶体中每一个原子看作一个点,用假想连线联接起来。形成晶格。
晶格中一个基本几何单元叫做:晶胞。
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晶胞棱边长度为:晶格常数 . (1) 体心立方晶格 body—centered cubic lattice [bcc] 特点: Rm( 强度 ) 较好。 如:< 912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 (2)面心立方晶格 face—centered cubic lattice[fcc] 特点: A、 Z (塑性 ) 较好。 > 912℃ Fe ,Cu, Al 等金属 .
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(3) 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice (hcp).
特点:硬度高、脆性大。 如:锌 (Zn) , 镁 (Mg), 镉 (Cd) 等金属。 三、纯铁的同素异构转变 在固态下随温度发生变化,其晶格类型发生转
变的现象—同素异构 ( 晶 ) 转变。
广义上说同素异构转变也是结晶过程,遵循生核与长大两规律;
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也需要一定的过冷度;有结晶热效应。 又称:重结晶,二次结晶。
由于晶格结构的转变,金属随之有体积的涨缩;金属内部产生应变。
降温时 γ- α, 体积膨胀; α- γ, 体积收缩。
转变式: α-Fe →γ-Fe →δ-Feα-Fe →γ-Fe →δ-Fe
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§2§2 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织
1. 合金 alloy 由两种或两种以上金属元素或者金属元素与
非金属元素组成的具有金属特性的物质。 如:青铜、铸铁、铝合金等。 2. 组元 constituent 组成合金的最基本的独立的物质称组元,简
称“元”。 如:黄铜 Cu-Zn ;硬铝 Al-Cu 等为二元合
金。
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3. 相 phase
指同一化学成分,同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分。如 固相、液相等。
4. 组织 structure
借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种形态、形貌特征的组成部分。
常见的合金的相结构有:
固溶体、金属化合物和机械混合物三类型。
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一、固溶体 一、固溶体 solid solutionsolid solution
定义:溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。
如;糖水 水—溶剂,糖—溶质。 保持溶剂晶格; 固溶体属于单相组织。
分类: 按溶质原子在溶剂中分布情况不同, 分 置换固溶体和间隙固溶体两类
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(1)置换固溶体—溶质原子替换晶格上的原子
(2)间隙固溶体—溶质原子溶入晶格原子间隙
特征:晶格类型不变,化学成分有限,性能发生变化。
结果: 造成晶格畸变,强度、硬度上升。
这种现象称固溶强化。工程中广泛应用,
如锰钢( 16Mn现称 Q345) 便为固溶结果。
(弱强化相)
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碳可以溶入α-Fe 、 γ-Fe 等形成不同的固溶体。
1. 铁素体 F 铁素体是铁中溶入一种或多种溶质元素构成
的固溶体。 727℃ 时 Wc=0.0218%;室温时 Wc=0.008% .
特点:塑性、韧性好,强度、硬度低。(近似纯铁)
其显微组织特征:
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正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色,在钢中的形态多为不规则的多边形块,在接近共析成分的钢中,往往呈网状或断续网状。
2.奥氏体 (A) 【 austenite 英国金相学家】
奥氏体是铁中溶入碳和(或)其他元素构成的固溶体。
其强度和硬度比铁素体高 ,塑性、韧性也好。因此,钢材多数加热到奥氏体状态进行锻造。
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在 1148℃ 时 Wc = 2.11%;在727℃ 时 Wc = 0.77%
高温显微镜下 (727℃以上 )才能观察到奥氏体组织。其晶粒呈多边形,且晶界较铁素体平直。
二、金属化合物二、金属化合物 compoundcompound
合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属性质的新相。 如 Fe 与 C→Fe3C(渗碳体 ) 是晶体结构属于正交系,化学式为 Fe3C 的金属化合物 , 是钢和铸铁中
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常见的固相。其硬度很高 (800HBW) ,塑性、韧性很差,脆性很大。
渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状和网状分布,主要起强化作用,它的形态、大小、数量和分布对钢和铸铁的性能有很大影响。
(相对固溶体, Fe3C 属于强强化相。)
Fe3C在一定条件下可以分解,形成石墨。 反应式: Fe3C 3Fe + C 石墨
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三、机械混合物三、机械混合物 两相按固定比例构成的组织(复合相),称
机械混合物。 各相保持自己的晶格类型、性能特点 .( 如 :混凝土 ) 强度、硬度适中。
目前钢铁材料中大部分是这种组织。 如 铁碳合金中珠光体 (P) ;莱氏体 (Ld) 。 1.珠光体 P pearlite 是 F 与 Fe3C 机械混合物,WC=0.77%
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珠光体是铁素体薄层(片)与碳化物(包括渗碳体)薄层(片)交替重叠组成的共析组织。
(记住:层片相间) 其性能介于铁素体和渗碳体之间,强度较高,硬度适中,有一定的塑性。
2.莱氏体 Ld 分高温莱氏体和低温莱氏体 A与 Fe3C 的机械混合物 称高温莱氏体,用符号: Ld表示;
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高温莱氏体冷却到 727℃以下时,转变为:
P+ Fe3C 称低温莱氏体;
珠光体和渗碳体的复合物,又称“变态莱氏体” (Ld′) 。
其力学性能与渗碳体相近 ,极为脆硬!
平均含碳量为 4.3%。
组织特征:白亮的渗碳体为基体,上面分布着许多粒状、条状或不规则形状的黑色珠光体。
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§3 §3 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的多。 含碳量不同的铁碳合金结晶过程差别很大。 用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化;然后,使之极其缓慢的冷却,测出各成分的合金的冷却曲线;
在横 ( 成分 ) -纵 ( 温度 )坐标图上连点描线,可得铁碳合金状态图。
铁碳合金状态图的作用:
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1.表达铁碳合金不同成分、温度下的组织状态 .
2. 研究钢铁成分、组织和性能之间关系的工具 .
3. 制定铸造、锻造、焊接和热处理工艺的依据 .
由于含碳大于 6.69%的铁碳合金在工业上
没有实用价值,又由于 Fe3C 的含碳量 6.69%,
是一个稳定的化合物,视为一个组元;我们重点
讨论的是: Fe—Fe3C 简化状态图
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二、铁碳合金状态图的分析二、铁碳合金状态图的分析
1. 四个基本相 是 指铁碳合金状态图中: 液相 (L) 、 奥氏体相 (A) 、 铁素体相 (F) 、渗碳体相 ( Fe3C) 。
2. 特性点 在铁碳合金状态图中用字母标出的点都有其
特定的意义。 3. 特性线
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1 ) ACD线—液相相;液体到此开始结晶。 2 ) AECF 线—固相线;合金至此全部结晶为
固体。 在液—固两线之间为液—固两相区。 在 C 点产生共晶反应,其反应式: Lc Ld(A+Fe3C) 3 ) GS线—自A中析出 F 线。以: A3 线表示。 4 ) ES线— C在A中的溶解度曲线 .以: Acm
表示。
1148℃
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5) PSK线—共析反应线,常以: A1表示。 6) PQ线—碳在铁素体中溶解度曲线。产生 Fe3CⅢ
按含碳量不同,将铁碳合金分为: 钢和铸铁两类 钢—含碳量小于 2.11%的铁碳合金,按室温
组织又分为: 亚共析钢— 含碳量 <0.77%; 共析钢—含碳量 0.77 % 过共析钢—含碳量 >0.77 %
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铸铁—指生铁 (白口生铁 )含碳量为 2.11~ 6.69%,又分:
亚共晶白口生铁—含碳量 <4.3% 共晶白口生铁—含碳量 4.3% 过共晶白口生铁—含碳量 >4.3%
三、钢在结晶过程中的组织转变 三、钢在结晶过程中的组织转变 .. 下面以共析钢为例,分析铁碳合金在缓慢冷却过程中的组织转变规律 。
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A
E
G
PQ S
Fe
L
AL+A
F F+A
F+P PP+Fe3CⅡ
A+Fe3CⅡ
0.77 2.11
Ⅰ. 共析钢
Ⅰ
● 1●
2
●
3
P
Ⅱ.亚共析钢
Ⅱ
● 1●
2
●3●
4
1●
● 2
●3●4 ● 4'
LL+A
A
F+A
A→PP
冷却曲线
过共析钢
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§4 §4 工业用钢简介工业用钢简介 钢 以铁为主元素,含 C%< 2%以下,
并含有其它元素的材料。 钢:可形变加工的铁碳合金。 一、碳钢分类(掌握内容) 钢从不同角度可以有不同分类: 二、碳素钢 简称:碳钢 carbon -steel 常存元素对碳钢性能的影响 ( 了解 )
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1. 碳 (C ) 作用
碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示
总趋势是:状态图中自左向右,含碳量增加, Fe3C 增加,硬度直线上升,塑韧性急速下降,强度先升后降。
2.锰 (Mn) 作用
脱氧, FeO还原 Fe ;与 S作用→MnS降低热脆性;提高强度、硬度。属有益元素。
3.硅 ( Si) 作用
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与钢液中 FeO生成炉渣,提高钢质量;溶于F 中,固溶强化。有益元素。
4.硫 S 作用:
形成 FeS( 熔点 1190℃ ),在晶界 处,在 1100 ℃—1200 ℃ 时,压力加工,产生脆裂。“热脆”。有害元素。
5.磷 P 作用:
全部溶于 F 中,固溶强化; Rm 、 HB↑↑,在低温下引起脆断—“冷脆”。有害元素。
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碳钢一般分为: 1. 碳素结构钢 GB700—1988 牌号由代表屈服点的字母Q、 屈服点数值、 质量等级符号、 脱氧方法四部分组成。 其中质量等级分别用 A、 B、 C 、 D表示。 A的 S、 P量高, D的 S、 P量最低,且
质量最好。
如: Q235—A . F Q—“屈”字汉语拼音字首,读“屈”。
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235—Rm(σb)≥235MPa
A— 质量等级 A级 F—脱氧方法,指“沸腾钢”,一般不标。 牌号: Q195; Q215; Q235; Q255; Q275五类 .
用途:用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等。
2.优质碳素结构钢 S、 P含量较低,用于重要零件
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GB:牌号用两位数字表示,表示含碳量万分之几(十)。
如: 08F 、 10 、 15、 20 、 25,为低碳钢,塑性好,耐冲、好焊;
30 、 35、 40 、 45、 50 、 55,中碳钢含P多,强硬适中,多做重要件;
60 、 65、 70 、 75,高碳钢。多需淬火+回火,制作弹性耐磨件。
20Mn 、 65Mn 等称 含锰量较高的优质碳素结构钢。
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3. 碳素工具钢。 牌号用“碳”字汉语拼音字首“ T”+数字表示Wc 的千分之几。
如: T7、 T8、 T9 、 T10 、 T10A、 T12等。
如 T10钢WC=1%; T10A中的“ A”表示为高级优质碳素工具钢 (适用各类高级优质钢)。
其中: T7钢(WC=0.7%)主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等;
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T10钢(WC=1%)用于制作手用钢锯条、简单冷作模具、(手工钻头)等;
T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。
主参考书 P24表 1 - 4 为碳钢成分和性能 三、合金钢 为了提高钢的力学性能、工艺性能、物理性能、化学性能、淬透性等,在碳钢的基础上加入某些合金元素,称为合金钢。按用途分
合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
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1. 合金结构钢 钢号 : 数字+元素符号+数字 ( 平均百分数 )
如 20CrMnTi 、 40Cr 、 60Si2Mn 、 38CrMoAlA等;
用于制造机械零件和工程构件。 主参考书 P24 中 16Mn应归类于 ( 低合金 )高强
度结构钢 ,新号 :Q345 ( GB/T1591-94 ) 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 在碳素结构钢基础上加入少量锰、硅等合元制成
的。通常在热轧、正火状态下使用,产品同时保证力学性能和化学成份。
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牌号表达同碳素结构钢,Q295Q295、 、 Q345Q345、 、 Q390Q390 、 、 Q420Q420 、 、 Q460Q460.
低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近,但性能有较大的提高,在工程结构中应用极为广泛。(旧牌号 :16Mn 、 09MnV2 等等)
2. 合金工具钢 用于制造刃具、模具、量具等工具 . 如 9SiCr 、 Cr12 、 CrMn 、 GCr15等; 其中 GCr15有专用名称:“滚动轴承钢”,
实为“名专用途广”。
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高速钢 又称:锋钢、白钢。
特点是高热硬性、耐磨性、淬透性,常用牌号: W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2 等,制造形状复杂的高速切削工具,如:麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。
3. 特殊性能钢 不锈钢 ( 不锈钢又多为耐热钢!) 1)铬不锈钢:马氏体型不锈钢,其牌号有: 1Cr13 、 2Cr13 、 3Cr13 、 4Cr13
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2)铬镍不锈钢:奥氏体型不锈钢,其牌号: 1Cr18Ni9 ( Ti ) 、 0Cr18Ni9 3) 铁素体不锈钢: 1Cr17—容器,日用品。 耐磨钢 GB5680—98 又称“高锰钢”,强烈冲击力作用下发生硬
化现象 如牌号: ZGMn13—1 、 ZGMn13—2 等,应用 铁道叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。
磁钢(略)
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§5§5零件选材的一般原则零件选材的一般原则 1.满足工作要求是关键; 含有受力状态、工作条件等等。 2.满足工艺要求是效益 ;
在熟悉各种工艺方法的基础上,选择材料;如 : 机床上的复杂箱体一般选铸铁,因为复杂零件只能铸造成形。
3. 性价比分析促竞争力 ; 4. 立足国内,讲符合国标 .
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渗碳体渗碳体 莱氏体莱氏体
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