工程材料学第04章 钢铁材料-new课件

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1、第四章 铁碳合金,主要内容 铁碳合金系相图 铁碳合金平衡冷却过程分析 碳对铁碳合金的影响 碳钢 铸铁,第一节 铁碳合金系相图,日常生活中最常用的金属材料：碳钢和铸铁。（6080%) 它们的基本组元是Fe和C， 即Fe-C合金。 不同成分的 Fe-C合金（C含量不同）组织、结构不同性能不同,一、组元的特性,1.纯铁,（1）物性： 纯Fe在1538熔化，纯铁液体结晶为固体后在冷却至室温过程中经历两次同素异构转变。 同素异构：元素相同，结构不同。,-Fe 在770（居里温度）发生由铁磁性转变为顺磁性，即铁磁性消失。这种转变为非相变过程， 因无晶格类型和成分变化。,一、组元的特性,（1）力学性质： 工

2、业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好。 抗拉强度： b180230 Mpa 延伸率： 3050 断面收缩率： 7080 冲击韧性： ak160200 J/cm2 硬度： 5060 HB,纯铁： 软、塑、韧,2. 碳,碳有两种晶体结构： 石墨： 简单六方（最软之一） 金刚石：面心立方（最硬） C在六方结构的同一层面上，以共价键结合，键距为0.142nm， 结合力强，但两层之间的原子间距较大，为0.34nm， 结合力很弱，易发生层间断裂。,耐高温，可导电， 润滑性好 强度、硬度、塑性和韧性低。,C在钢铁中存在的三种形式： 溶入Fe的晶格形成固溶体（间隙固溶 体）钢 以游离石墨存在于钢

3、铁中铸铁。 与铁成金属间化合物 如Fe3C, Fe2C, FeC）金属间化合物,石墨的性能：,二. FeFe3C相图,由于碳含量高于6.69wt% 的Fe-C合金基本无应用价值，而在这一成分点上， C一般以Fe3C形式存在（金属间化合物）， 所以一般以FeFe3C相图分析不同成分合金中的组织和结构。,注： 实线为 FeFe3C 相图 虚线为 FeC 相图 两者非常接近,1、相图的特征,2、相图中的基本相,相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。 = F 相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由相形成的组织称为奥氏体，记

4、为 A(Austenite)。 = A 相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，相出现的温度较高，组织形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。,注：Fe与 相 的区别， .,2、相图中的基本相,Fe3C相 铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为 Cm(Cementite)。 石墨 在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。 L相 碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。,3、铁碳合金三相平衡转变,这是一包晶反应(1495 C)，发生在高温，并且在

5、随后的冷却过程中组织还会发生变化。（不作讨论）,共晶反应(1148 C)，产物共晶体组织称为莱氏体，记为Ld(Ledeburite),共析反应(727 C)，产物为F、Fe3C两相层片交替分布的共析体组织,称为珠光体，记为P(Pearlite),4、相图中各重要点的参数及含义,5、相图中的基本线,（1） ABCD 液相线 （2） AHJECF 固相线 （3） HJB 包晶反应线 (1495 C) LB+HAJ （4） ECF 共晶反应线 (1148 C) LC AE+Fe3CI (称为莱氏体) （5） PSK 共析反应线 (727 C) AsFp+Fe3C (称为珠光体) （6） ACM线（E

6、S线） 从奥氏体析出 Fe3C的临界温度线 （7） A3线 （GS线）从奥氏体转变 为铁素体线,6、相图中相区,五个单相区：液相区 L 高温固溶体 相 （奥氏体 ，A) 相 （铁素体 ，F) Fe3C相 （渗碳体，Cm）,七个双相区：L ， L ， L Fe3C， ， Fe3C， Fe3C,三个三相区：HJB线 L ECK线 L Fe3C PSK线 Fe3C,第二节 铁碳合金平衡结晶过程,Fe-C 合金按组织、性能、应用特点分为以下类型： 工业纯铁 (C%0.77 wt% 白口铸铁 (生铁） （C%= 2.11 6.69 wt %） 依据C含量不同，又分为： 亚共晶白口铸铁 C4.3 wt%

7、灰口铸铁 （C%= 2.11 6.69 wt %） 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁,一、工业纯铁(C%0.02%),一、工业纯铁(C%0.02%),一、工业纯铁(C%0.02%),一、工业纯铁(C%0.02%),含碳量大于Q点(0.008%)时，理论上将从Fe中析出的Fe3CIII（称为三次渗碳体）。,组织： F 相： (F),二、共析钢(C%0.77%),组织转变过程：,结晶过程： （1） 温度在“1”点以上为单相液体，到达“1”点，L开始结晶生成A，随温度进一步降低， L含量减少，A含量增加，但L的成分沿液相线变化，A成分沿固相线变化，相对含量遵循杠杆定律。 （2）当温度到“2”点，L全部转

8、变为A（）。进一步降低温度，A结构和成分均不发生变化。 （3）当温度达到“3”点，发生共析反应： AP (F + Fe3C) （片层结构） （4）温度进一步降低，从F中将进一步析出Fe3C。从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体， 记为：Fe3CIII 注意：各双相区的成分和相对含量均可通过杠杆定律计算,组织： P 相： (F)Fe3C,二、共析钢(C%0.77%)显微组织,共析转变全部生成共析组织，F 和 Fe3C 两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比两相的厚度比8:1,三、亚共析钢(C%=0.020.77%),三、亚共析钢(C%=0.020.77%),组织转变： L L +

9、A A F + A F + P,结晶过程： （略）,组织： FP 相： (F)Fe3C,在A的晶角或晶界处生成F （ ）,剩余的A转变为片层 P,三、亚共析钢的显微组织,室温下组织组成物的相对量的计算（以C%=0.40wt%为例）：,白色为F，深色为P,注意：组织或相的相对含量随温度的变化,四、过共析钢(C%=0.772.11%),四、过共析钢(C%=0.772.11%),结晶过程： （略）,说明： （1）从A中析出的 Fe3C 称为二次渗C体， 记为Fe3C是，它沿A的晶界析出，成网状结构 （2）珠光体仍呈片状结构。 （3）各两相的相对含量及成分符合杠杆定律。,组织： PFe3CII 相：

10、(F) Fe3C,沿A的晶界析出网状结构的Fe3C,剩余的A转变为片层 P,四、过共析钢的显微组织,说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，使材料很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。,晶界为Fe3CII， 晶粒为P,五、共晶白口铁(C%4.3%),组织转变 L Ld（A+Fe3CI)A+Fe3CII+Fe3CI (P + Fe3CI （Fe3C)）,说明： （1）共晶反应形成的A + Fe3C称为高温莱氏体， 用Ld表示。从L 中析出的Fe3C称为一次渗碳体， 记为： Fe3CI （2）随温度降低， A中将析出Fe3C， 同时，A的成分沿ES线变化。这种从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体，记为：F

11、e3C。 这里Fe3C依附作Fe3CI生长，不能分辨（不是网状析出） （3）在727， A发生共析反应生成 P， 这种由 P + Fe3CI （Fe3C） 称为变态莱氏体， 也称为低温莱氏体用Ld表示。,Ld,组织： Ld 相： (F) Fe3C,五、共晶白口铁的显微组织,P： 黑色的斑点或条块状 Fe3C：白色块状,六、亚共晶白口铁(C%=2.114.3%),网状分布,组织： PFe3CIILd 相： (F) Fe3C,Fe3C沿A的晶界网状析出，Ld中的A析出的Fe3CII依附Fe3CI析出,剩余的L转变为Ld,A中的成分达到S点成分时，A转变为P,六、亚共晶白口铁的显微组织,黑色带树枝状

12、特征的为P； 分布在P周围的白色网状为Fe3CII； 具有黑白斑点状特征为Ld,七、过共晶白口铁(C%=4.3 6.69%),从L中析出的Fe3CI呈板条状，在后续过程中不在变化。,组织： Fe3CILd 相： (F) Fe3C,剩余的L转变为Ld,Ld中的A析出Fe3CII,七、过共晶白口铁的显微组织,Fe3C的形式：从L中直接析出的Fe3C为一次渗碳体（Fe3CI） 从A中析出的Fe3C为二次渗碳体（Fe3CII） 从F中析出的Fe3C为三次渗碳体（Fe3CIII）通常不可见,第三节 碳对铁碳合金的影响,一、碳对室温平衡组织的影响,第三节 碳对铁碳合金的影响,一、碳对室温平衡组织的影响,二

13、、碳对室温平衡相的相对含量的影响,0,6.69,二、碳对力学性能的影响,1、各组成相的力学性质 F：软， 塑 Fe3C：硬，脆 P（F+ Fe3C）：介入二者之间,2、C对性能的影响 随C含量增加，硬度持续增加 ,持续下降 b先增加（C 2.11）后下降（由于 网状Fe3C的出现）,第四节 碳 钢,一、碳钢中的常存元素,碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶炼带入钢锭中的，且对性能有一定影响其他元素，在碳钢中一般指： Si、Mn冶炼时自然存在，对性能无不利影响。 S、P冶金时难以彻底清除而存在于钢中的有害元素。 一般钢中大致含量：,常存元素对性能的影响,磷：P 可溶入铁素体，提高强度和硬度，但

14、显著降低了塑性和韧性，特别是低温下会使钢脆化冷脆。（有害）,硫：S 与 Fe 形成 FeS， 而 FeS 与 Fe 又能形成低熔点的共晶体，分布在 A 的晶界上，在热加工过程中造成沿晶开裂热脆 。但适量的 S 可改善钢的切削性能。,硅、锰：Si，Mn是脱氧剂，是对钢有利的杂质元素，Si 提高强度，而 Mn 可优先与 S 反应生成 MnS,降低S的副作用,二、碳钢的分类,按含碳量分：低碳钢 WC 0.25 中碳钢 0.25 0.6,按用途分：碳素结构钢（建筑材料,如桥梁,房屋，机器零件等） 碳素工具钢 （刀具， 模具等）,根据P， S含量的多少 普通碳素钢 WP 0.045 WS 0.055 优

15、质碳素钢 WP 0.040 WS 0.040 高级优质碳素钢 WP 0.035 WS 0.030,根据含氧量： 沸腾钢镇定钢,四、钢的牌号与用途,牌号,Q195、Q215、Q235、Q255、Q275AF， (1) Q的含义为“屈”， (2) 数字为钢的屈服强度 （单位：MPa）。 (3) A: 钢的等级（A,B,C，D), 质量逐渐提高(S, P逐渐降低） (4) F:沸腾钢,特点：这一钢种仅关心材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型 材(钢板、圆、管、角)。,用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。 如：桥梁，建筑。,1、普通碳素结构钢,牌号,08、0

16、8F、10、15、20、45、50、65 （1）数字表示钢中C的含量(万分之几)； （2）F表示沸腾钢,特点： 这类钢种要求保证 C 含量。,用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件。一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低。,2、优质碳素结构钢,牌号 T8、(T9)、T10、T10A、(T11)、T12、T12A、T13 （1） “T” 表示“碳”， （2） 数字表示钢的含碳量(千分之几)。 （3） 全部为优质钢，后缀A为高级优质钢,特点：过共析钢， 组织为：颗粒状的碳化物球化珠光体（经球化退火）， 可以直接进行机械加工。,用途：碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用于量具，刃具， 模具 。,3、碳素工具钢,第五节 铸 铁,定义：工业铸铁是指 Wc 2.11