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1、第二章 钢铁材料,材料科学与工程学院,材料科学概论,主要类容二元合金相图钢的热处理钢的分类,合金相图是用图解的方法，表示不同成分的合金在不同温度下，各相的平衡关系，又称平衡图或状态图。,相图主要研究合金相、成分、温度三者之间关系,合金相图概念：,热分析法,2.1 相图的建立,Cu-Ni合金相图的测定,2.2 匀晶相图,1、相图分析,L 称为匀晶转变，只有匀晶转变的相图称为匀晶相图。两组元在液态下和固态下均无限互溶。,液相线：开始结晶的温度线。固相线：结晶终止线。相区： 由线分隔的区域单相区：液体L、固溶体双相区：L+相区规则：相邻相区相数必差1。,2、平衡结晶,结晶过程： 含镍60%的Cu-N
2、i合金 T1 L T1T3 L L+ T3 平衡相成份的确定： 固相成分沿固相线变化， 液相成分沿液相线变化。,Ni,+L,L,Cu,80,60,40,20,TCu,TNi,杠杆定律及其应用,杠杆定律只适用于两相区且是平衡结晶过程,实际生产中冷速快，扩散和长大都不充分，先结晶的部分与后结晶的部分成分有差异，这种结晶偏离了平衡条件，称为非平衡结晶。结果：枝晶偏析（微观偏析、晶内偏析）消除：扩散退火,3、合金的非平衡结晶,2.3 共晶相图,共晶转变： L + 冷却过程中，由液相同时结晶出两个结构、成份不同的固相。恒温转变。,共晶相图：具有共晶转变的相图。 如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Ag
3、-Cu和Mg-Al等。,共晶组织基本形态,1、相图分析,共晶相图,温度,成分,100%A,100%B,L,SA,L + SA,SB,L +SB,（1） 合金（共晶合金） E为共晶点，TE发生恒温转变：L + ,2、典型合金的结晶过程,（2）合金（ 亚共晶合金）,（3）合金（ 过共晶合金）,思考：过共晶合金的结晶过程,（4）合金（端际固溶体） T1到T2从液体中完全结晶出固溶体，T2到T3成分不变。T3以下析出 固溶体，称为次生固溶体。,L,相图的特征,L,L,2.4 铁碳合金相图,铁碳相图：研究钢铁成分、组织和性能 之间关系的理论基础，制定 热加工工艺的依据。,铁碳合金：Fe和C 两组元组成的
4、合金。,C,D,E,F,G 912 ,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,F + Fe3C,K,Fe3C,Fe,A1,Acm,A3,T, C%,A 1538,B 1495 ,J,N,H,一、 基本相,1、铁素体F 碳在-Fe中的固溶体， 体心立方晶格。 强度硬度低， 塑性韧性好。,铁素体组织金相图,2、奥氏体A, 碳在-Fe 中的固溶体， 面心立方晶格。 强度硬度低， 塑性韧性好。,奥氏体组织金相图,铁和碳形成的化合物， 分子式Fe3C。正交晶系。性能：熔点高，硬度高， 塑性韧性差，为硬脆相。,3、渗碳体Cm,渗碳体组织金相图,二、相图分析
5、,特征点；液/固相线；4个单相区；5个双相区A1、A3、Acm；2个恒温转变。,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,6.69%,F,A+F,A+ Fe3C,F + Fe3C,K,Fe3C,Fe,A1,Acm,A3,0.77%,2.11%,4.3%,0.0218%,1538,912,共析转变反应式:,共晶转变反应式:,(A + Fe3C)- 称为莱氏体，以Ld表示。(P + Fe3C)- 低温莱氏体以Ld表示。,(F + Fe3C) - 称为珠光体，以P表示。,三、典型铁碳合金结晶过程,根据合金成分和组织的不同, 铁碳合金可分为三类: 工业纯铁:
6、 含碳0.0218% 碳钢: 含碳0.02182.11%, 可细分为三种: 共析钢（0.77%)、亚共析钢、过共析钢 白口铸铁:含碳2.116.69%, 可细分为三种: 共晶白口铁(4.3%)、亚共晶白口铁、过共晶白口铁,典 型 铁 碳 合 金,特性线,ACD线-液相线，“L”表示AECF线-固相线GS线（称A3线） 表示含碳低于0.77%钢加热时，铁素体转变为奥氏体的终了温度。反之ES线（称Acm线） 表示碳在奥氏体中的溶解度曲线。2.11%(1148 ) 0.77%(727 )。,0.77 亚共析钢钢(C%0.77 过共析钢 2.11%) =4.3 共晶铸铁 4.3 过共晶铸铁,1.共析钢
7、 (wc =0.77%),室温组织:P 相组成:FFe3C,共析钢金相组织,2、亚共析钢,A,C,D,E,F,G 912,S,P,Q,1148,727,L,A,4.3%,2.11%,0.0218%,6.69%,Ld,F,P,P+F,0.77%,P+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,P+Ld+Fe3C,K,1,2,3,4,A3,A1,亚共析钢组织金相图,3、过共析钢,Acm,A1,过共析钢金相组织,4、共晶铸铁(4.3%),室温组织：Ld ( P + Fe3C )共 黑 白,共晶白口铁金相组织,共晶白口铁组织金相图,5、亚共晶与过共晶铸铁,亚共晶白口铁组织金相图,6.过共晶白口铁 ( Wc = 5
8、.0% ),过共晶白口铁组织金相图,成分组织性能 含C量对组织的影响室温相：FFe3C两相，随C%，F，Fe3C室温组织： 工业纯铁：F； 钢：F+P、P、P+Fe3C； 铸铁：P+Fe3C+Ld、Ld、Ld+Fe3C、Fe3C,四、碳含量对组织与性能的影响,铁碳合金中的渗碳体,含C量对性能的影响,随C%，Fe3C ，强度、硬度；塑性韧性。 当含C量1%， Fe3C以网状析出沿晶界分布，脆性明显增加，强度下降。,2.5 钢的热处理,概述 热处理 - 在固态下，通过加热、保温和冷却，使材料内部的组织结构发生变化，从而获得所需性能的工艺方法。目的： 改善可加工性 如球化、软化、去应力退火等； 提高
9、使用性能 强度、硬度等。,热处理的分类,热处理,普通热处理 - 退火、正火、淬火、回火,表面热处理,表面淬火,化学热处理 - 渗碳、渗氮等,感应淬火,火焰淬火,2.5.1 钢的退火与正火,预备热处理: 退火、正火,最终热处理: 淬火、回火,一般零件生产的工艺路线:,退火与正火区别： 冷速不同： 退火缓慢冷却（如随炉冷却） 正火在空气中冷却组织： 两者都是获得珠光体型组织，但正火稍快， 组织细密，珠光体片层也较薄，硬度高。,退火和正火的目的,降低（或调整）钢件硬度，以便进行切削加工（170210HBS） 消除残余应力（如铸造或锻造之后） 细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能 为最终热处理作好组织
10、上的准备（减轻淬火时变形与开裂）,一、退火,将钢加热至适当温度，保温一定时间后缓慢冷却至500以下空冷，获得接近平衡状态组织的热处理工艺。,等温退火：温度：Ac3 + 3050 （亚共析钢） Ac1 + 3050 （过共析钢） 等温温度： Ac1以下 应用：所有钢,球化退火：温度：Ac1 + 2030 应用：C%0.6% 目的：降低硬度,完全退火: 温度：Ac3 + 3050 适用：亚共析钢成分的碳钢及合金钢 组织：F+P；,扩散退火：略低于固相线温度，消除成分偏析。,去应力退火：Ac1以下温度，消除内应力，稳定尺寸， 减少变形。,再结晶退火：T再温度以上，消除加工硬化现象。,过共析钢能采用完
11、全退火吗？,二、正火,钢件加热至Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上3050 ，保温后从炉中取出，在空气中冷却。 目的及应用： 最终热处理：因力学性能较退火高，处理工艺时间短，可用于不重要结构零件的。 预先热处理：用于低、中碳结构钢，可获得合适的硬度，便于切削加工。 消除网状渗碳体：用于过共析钢，为后序热处理做好组织准备，如淬火、球状退火等。,2.5.2 钢的淬火,淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。目的：为了获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性，以满足使用要求。,一、钢的淬火工艺,1、淬火温度的选择 亚共析钢：Ac3 + 3050 共析钢和过共析钢： Ac1 + 3050 2、加热时间确定 加热时间包括升温和保温两个阶段。 具体可参阅有关手册,热处理后的组织:,3、淬火冷却介质,理想淬火介质：既能获得M，又能避免工件变形开裂。为 此，要求淬火工件快速冷却通过鼻部，但在高温和低温 区冷速则应缓冷，特别是在M形成区。 水：冷却能力强，变形开裂倾向大，主要用于淬透性较 差的碳钢。为改善水的冷却特性，可加入NaCl、NaOH或 聚乙烯醇等。 油：冷却能力缓和，变形开裂倾向小，主要用于淬透性 好的合金钢或小尺寸（400 ) 产物： S回,
