金属学与热处理(第4章)

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1、闫健 12第四章 铁碳合金和铁碳相图4.1 铁碳合金中的组元和基本相4.2 Fe-Fe3C相图4.3 典型合金的平衡结晶4.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响4.5 钢中杂质元素对组织性能的影响344.1 铁碳合金中的组元和基本相组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（）、铁素体（）、奥氏体（） 基本组织： 珠光体（P）、莱氏体（Le/Le）5纯铁纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。原子序数26，相对原子质量55.85，Tm 1538， 20密度为7.87g/cm3

2、。纯纯铁铁的性能6抗拉强度 176274MPa 屈服强度 98166MPa 延伸率 30%50% 断面收缩率 70%80% 冲击韧 性 160200J/cm2 硬度 5080HBW15381394912-Fe-Fe-Fe液 相体心立方体心立方面心立方温度 时间/s室温返回7同素异构转变铁铁素体与奥氏体铁素体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为体心立方结构，常用或者 表示。 奥氏体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为面心立方结构，常用或者 表示。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小的多，奥氏体的最大溶碳量是2.11 % （ 1148），而铁素体的最大溶碳量仅为 0.0218% （727）。770 是Fe的居里点

3、，770 以上表现为顺 磁，770 以下表现为铁 磁。8碳溶解在-Fe中形 成的间隙固溶体强度、硬度低塑性、韧性好 返回9碳溶解在-Fe中形成 的间隙固溶体。有一定的强度和硬度，塑性也很好返回10渗碳体 渗碳体是Fe与C形成的间隙化合物Fe3C，含碳量是 6.69%，是钢铁 中的重要基本相。渗碳体具有很高的 硬度，大约为 800HBW，但塑性很差，延伸率接近于 零， 理论熔点1227。11铁与碳形成具有 复杂晶格的稳定 间隙化合物Fe3C硬度很高脆性大，塑性和韧性极低返回12铁素体和渗碳体组成 的机械混合物综合力学性能较好返回13第二节节 FeFe3C相图图分析 一、相图图分析相相图图图图中的

4、三个重要点中的三个重要点相相图图图图中的五个中的五个单单单单相相( (区区) )相相图图图图中的三条水平中的三条水平线线线线相相图图图图中的四条垂直中的四条垂直线线线线14J为包晶点: 1495 时, B点成分的L与H 点成分的 发生包晶反应, 生成J点成分 的。 C点为共晶点 1148 时, C点成分的L发 生共晶反应, 生成E点成分的和Fe3C（莱 氏体）。 S点为共析点 727 时, S点成分的发生共 析反应, 生成P点成分的和Fe3C（P）。返回15相相图图图图中的三个重要点中的三个重要点返回16相相图图图图中的五个中的五个单单单单相相( (区区) )包晶反应：L+共晶反应：LLe(

5、FeC3+ )共析反应： P (FeC3+ ) 返回17相相图图图图中的三条水平中的三条水平线线线线3.2 Fe-Fe3C相图过共析钢共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢白口铸铁亚共析钢工业纯铁18相相图图图图中的四条垂直中的四条垂直线线线线1920三条重要特性曲线线 1：GS线 A3线 2：ES线 Acm 3：PQ线 21过过过过共析共析钢钢钢钢共析共析钢钢钢钢亚亚亚亚共析共析 钢钢钢钢共晶白口共晶白口铁铁铁铁亚亚亚亚共晶白口共晶白口铁铁铁铁过过过过共晶白口共晶白口铁铁铁铁铁铁铁铁碳合金碳合金碳素碳素钢钢钢钢白口（白口（铸铸铸铸）铁铁铁铁工工业纯铁业纯铁业纯铁业纯铁 0.0218%

6、0.02182.11%2.116.68%0.77%4.3%22第三节节 铁铁碳合金的平衡结结晶过过程及组织组织亚亚亚亚共析共析钢钢钢钢用途用途实实实实例例4545钢钢钢钢碳含量碳含量0.450.456060钢钢钢钢碳含量碳含量0.600.6023共析共析钢钢钢钢的的应应应应用用举举举举例例T8T8钢钢钢钢碳含量碳含量 0.800.80 24过过过过共析共析钢应钢应钢应钢应 用用举举举举例例T12 T12 钢钢钢钢 碳含量碳含量 1.21.2返回25一、工业纯铁业纯铁26冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C返回2728二. 共析钢钢29单相液体的冷却匀晶反应L相中析出相（奥

7、氏体A ）单相固溶体的冷却相发生共析反应生成珠光体P30注意事项共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3C，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。共析钢的室温平衡组织：PP：铁素体（F）和渗碳体的两相 混合物，两相的相对质量是多少？31杠杆定律 计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。 杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成 分点。a相的质量分数Fe3C相的质量分数aFe3CA(0.0008 )B(6.69) 0.77C3233三、亚亚共析钢钢34L相冷却L相 相L相+ 相 相，并且L相有剩余剩余L相 相单相的冷却相 相，但相有剩余共析

8、反应：剩余相P（+Fe3C），存在先析相35注意事项先析铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出Fe3C，但量很少可忽略亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁 素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数36计算727 下, 组织组成物的质量分数a组织组成物的质量分数P组织组成物的质量分数PaPA(0.0218)B(0.77) 0.6C3738四、过过共析钢钢 39单相液体的冷却L相 相单相固溶体（奥氏体）的冷却相中析出二次渗碳体（Fe3C）共析转变： 相（ +Fe3C），存在 Fe3C40注意事项从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗

9、碳体Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3C 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数414243五、亚亚共晶白口铁铁44单相液体的冷却共晶反应：LLe（+Fe3C）共晶中的相不断析出Fe3C，不可见共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 4546六、亚亚共晶白口铁铁 47单相液体的冷却共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）先共晶相不断析出Fe3C，共晶相 析出Fe3C不可见共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 先共晶相 P匀晶反应： L 相室温组织： Le（P+Fe3C） + P4849七、过共晶白口铁50单

10、相液体的冷却共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）共晶相析出Fe3C不可见共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 匀晶反应： L Fe3C相室温组织： Le（P+Fe3C） + Fe3C5152第四节节 含碳量对铁对铁 碳合金平衡组织组织 和性能的影响53一、对对平衡组织组织 的影响545556二、对对力学性能的影响 （1）C硬度 （2）C塑性 （3）C韧性 （4）C强度先后57三、对对工艺艺性能的影响1、切削加工性能 适当的碳含量有利于切削加工性能，碳化物形态对 于切削加工性能有明 显的影响。 2、可锻性 压力加工时能够改变形状而不产生裂纹的性能 C可锻性；高温奥氏体有良好的可锻性

11、。 3、铸造性 主要体现在流动性、收缩性方面。58流动性是指液态金属充满铸 型的能力。主要受到化学成分和浇筑温 度的影响。 T浇筑 流动性； T浇筑一定时，过热 度流动性； C 液相线T过热 度流动性。 铸铁 的液相线温度比钢低，故铸铁 的流动性总是比钢好。铸铁 中共 晶铸铁 流动性最好，原因是（1）液相线温度低，（2）恒温凝固。59铸件从浇筑温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称 为收缩性。 收缩是铸造合金本身的物理性质，是铸件产生缩孔、缩松、残余内应 力、变形和开裂的基本原因。 液态金属冷却到室温要经历 三个阶段的收缩： （1）液态收缩 从浇筑温度到开始凝固温度这一温度范围内的

12、 收缩称为液态收缩。60（2）凝固收缩 从凝固开始到凝固终了这一温度范围内的收缩称为凝固收缩。 （3）固态收缩 从凝固终止至冷却到室温这一温度范围内的收缩称为固态收缩。 液态收缩、凝固收缩表现为 合金体积的缩小，称为体收缩。固态收缩 虽然也使体积缩 小，但只引起尺寸变化，不引起形状变化，称为线 收 缩。61626364第五节节 钢钢中杂质杂质 元素及钢锭组织钢锭组织一、钢中杂质 元素及其影响 1、Mn、Si的影响 冶炼时 加的脱氧剂，形成MnO、SiO2。Mn和S可以形成MnS，消除 了S 的有害作用。Mn 还可以溶入铁素体中提高强度，也可以溶入渗 碳体中，形成(Fe,Mn)3C。 Si溶入铁

13、素体可以起到固溶强化作用，但含量不能太高，否则会降低 塑形和韧性，碳钢中Si 含量一般不超过0.5%。652、S的影响S 在钢中会形成FeS，局部容易出现偏聚，晶界上形成（Fe+FeS） 二元共晶（熔点989），轧钢 加热温度一般1200-1250，出现熔 化，容易沿晶界开裂。如果出现三元共晶组织 （Fe+FeO+FeS,熔点 940），危害更大。 加Mn形成MnS（熔点1600）可以解决这个问题 。6667Titanic的沉没 686970713、P的影响 主要由铁矿 石原料带入。 P有很强的固溶强化作用，使钢的强度、硬 度显著提高，但使塑形、韧性强烈降低，即产生冷脆现象。 P有提高耐大气腐

14、蚀的能力。4、N的影响 产生淬火时效和应变时 效现象，使强度、硬度升高，塑形、韧性下降 。 N和Al可以形成AlN,可以起到细化晶粒作用。725、H的影响 引起氢脆，钢中容易引起白点。6、O及其它非金属夹杂 物的影响 氧在钢中几乎全部以氧化物的形式存在，此外，还存在硫化物、硅酸 盐夹杂 。总体来说都降低钢材力学性能（塑形、韧性、疲劳强度、 耐蚀性等），通过真空冶炼、电渣重熔等二次精炼技术有效降低。73二、钢锭组织钢锭组织 和缺陷1、镇静钢（O0.01%） 脱氧比较完全的钢。 铸锭 依然三晶区，缺陷包括缩孔、缩松、偏析、气泡等。2、沸腾钢 （0.03%O0.07%） 脱氧不完全的钢。由坚壳带、蜂

15、窝气泡带、中心坚固带、二次气泡带 、锭心带组 成，力学性能不高。74a.镇镇静钢钢的组织组织75b.镇镇静钢钢的缺陷76772. 沸腾钢腾钢(1)坚壳带。由细小等轴晶组成的无气泡的致密、坚实 的外壳带。一 般厚度为1225mm。 (2)蜂窝气泡带。钢锭 下部的柱状晶在向锭心生长时 ，平行于柱状晶 生长方向而逐渐长 大成为椭圆 形气泡组成。 (3)中心坚固带。为防止出现过 分严重的偏析在钢液上面加盖封顶后 ，抑制了碳氧反应，气体停止析出，蜂窝气泡终止生长，而结晶继 续进 行，形成无气泡的由柱状晶组成的中心坚固带。 (4)二次气泡带。随柱状晶的生长，由于偏析作用碳氧富集到一定程度 时，碳氧反应重新发生，成为二次气泡带。 (5)锭心带。当模壁温度与钢锭 中心温度之差很小时，钢锭 心部形成 等轴晶，成为锭 心带。此时沸腾已大致停止，但仍有少量气孔形成， 部分气泡还能逐渐上移聚合长大为头 部大气泡。构成头部疏松区。沸 腾钢钢锭 凝固时强烈析出气体，在各类钢锭 中，偏析最为严 重。钢 锭越大，沸腾越烈，延