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1、第二章第二章铁碳合金铁碳合金o什么是铁碳合金？什么是铁碳合金？以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于95%。o学习内容学习内容1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变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铁碳合金的基本组织3.铁碳合金状态图铁碳合金状态图4.工业用钢工业用钢第一节第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变纯铁的晶体结构及其同素异晶转变【重点内容】【重点内容】1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素。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过冷现象、过冷
2、度、冷却速度与过冷度的关系及细化晶粒的办法。细化晶粒的办法。3.纯铁的晶体结构。纯铁的晶体结构。4.纯铁同素异晶转变。纯铁同素异晶转变。12min35s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）一、金属的结晶一、金属的结晶o什么是金属的结晶？什么是金属的结晶？液态金属冷却凝固转变为液态金属冷却凝固转变为固态晶体的过程固态晶体的过程o结晶的过程可用（温度结晶的过程可用（温度时时间的曲线）冷却曲线来表示。间的曲线）冷却曲线来表示。o水结晶成冰的实验，可以看水结晶成冰的实验，可以看出晶体结晶存在出晶体结晶存在“过冷过冷”现现象。象。o过冷度过冷度o过冷
3、度的大小与冷却速度的过冷度的大小与冷却速度的关系关系纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线结晶过程结晶过程o结晶过程：结晶过程：形核形核+长大长大自发形核（均质形核）自发形核（均质形核）u晶核的形成晶核的形成非自发形核（异质形核）非自发形核（异质形核）u晶核的长大：树枝状长大晶核的长大：树枝状长大晶粒大小及控制晶粒大小及控制p晶粒每个晶核长成的晶体称为晶粒。o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。o影响晶粒大小的因素有哪些？ 形核率N (晶核数/scm3) 长大速度G (cm/s)o晶粒大小的控制（1）增大过冷度 ；（2）变质
4、处理；（3）振动1）过冷度的影响）过冷度的影响o冷却速度愈大，过冷度愈大。o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。 2）变质处理）变质处理o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。（3）振动振动o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。 二、二、纯铁的晶体结构纯铁的晶体结构o晶体中原子在空间的排列晶体中原子在空间的排列，可用，可用晶格晶格来表示。来表示。o晶格中一个最
5、基本的几何单元叫晶格中一个最基本的几何单元叫晶胞晶胞。o根据对晶胞的分析，根据对晶胞的分析，最常见的晶格类型有体心立最常见的晶格类型有体心立方晶格方晶格、面心立方晶面心立方晶格、格、密排六方晶格密排六方晶格。纯铁的晶格有纯铁的晶格有体心立方体心立方和和面心立方面心立方两种。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）（原子占有晶胞体积的百分数）体心立方晶体结构体心立方晶体结构纯铁的晶格有纯铁的晶格有体心立方体心立方和和面心立方面心立方两种。两种。面心立方晶体结构面心立方晶体结构原子数 (1/2
6、) 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：74三、三、纯铁同素异晶转变纯铁同素异晶转变o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。o-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纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 第二节第二节铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织o基本概念：合金、组元、相、组织o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。 o组成合金的最基本的、独立的物
7、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。 o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。 o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。o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。一、固溶体一、固溶体o某些合金的组元在固态时，具有一定的互相溶解能力。o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
8、o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。 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。 1 1、铁素体（F） Ferrouso铁素体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。o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。o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 =1802
9、30MPa HB=5080 =3050% =7080% ak=156196Jcm-2显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。2 2、奥氏体（、奥氏体（A A） Austeniteo奥氏体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。o-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148）。o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。o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。 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。“固溶强化固溶强化”o
10、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。o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。固溶体的性能o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。o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。二、金属化合物二、金属化合物o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。o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
11、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。 o铁碳合金中的渗碳体属金属化合物。o渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。o含碳量为6.69%。o性能：HBW=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。o显微镜下观察，渗碳体(Fe3C)呈银白色光泽。o渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。渗碳体渗碳体 Fe3C三、机械混合物三、机械混合物o它是两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物质。o混合物各相保持其原有晶格。o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。o铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。1. 1. 珠光体（珠光体（P P） Perliteo珠
12、光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。o珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。o性能：b =750MPa HB=160180 较高 =2025% =3040% 适中显微镜观察，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）。2. 2. 莱氏体莱氏体Ld Ledeburiteo由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物。o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Ld/表示。高温莱氏体仅存于727以上。o莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。 这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体
13、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。第三节第三节铁碳合金状态图铁碳合金状态图【基本要求】：【基本要求】：1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的含义。含义。2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利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。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；掌握碳钢的牌号及用途；什么是铁碳合金相图？o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（
14、Fe3C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。简化图简化图1538Q Fe-Fe3C状态图wC/%温度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe一、铁碳合金状态图的建立一、铁碳合金状态图的建立o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
15、成的完整图形便是铁碳合金状态图。二二、铁碳合金状态图的分析、铁碳合金状态图的分析1. 1. 组元和相组元和相（1 1）组元：）组元： 铁石墨相图：铁石墨相图：Fe,C;Fe,C; 铁渗碳体相图：铁渗碳体相图： Fe Fe，FeFe3 3C C。（2 2）相：相： L,A(),F(),FeL,A(),F(),Fe3 3C(K)C(K)。1538Q Fe-Fe3C状态图wC/%温度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3
16、CFe2特性点：特性点：1538Q Fe-Fe3C状态图wC/%温度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe3特性线：特性线： ACD线液相线 AECF线固相线 ECF线共晶反应线 GS线（A3)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1538Q Fe-Fe3C状态图wC/%温度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdL
17、dLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFeoo四个单相区四个单相区四个单相区四个单相区(1)ACD(1)ACD线以上的液线以上的液相区（相区（L L）(2)AESGA(2)AESGA线围着的线围着的单一奥氏体相区（单一奥氏体相区（A A，）(3)GPQG(3)GPQG线围着的单线围着的单一铁素体相区（一铁素体相区（F F，）(4)DFK(4)DFK垂线代表的单垂线代表的单一渗碳体相区一渗碳体相区（FeFe3 3C C）4.区域区域l 五个双相区五个双相区五个
18、双相区五个双相区 ACEAACEA线围着的液相与线围着的液相与奥氏体相区（奥氏体相区（L L+ +A A） CDFCCDFC线围着的液相与线围着的液相与渗碳体相区（渗碳体相区（L L+Fe+Fe3 3C C） GSPGGSPG线围着的奥氏体线围着的奥氏体与铁素体相区（与铁素体相区（A A+F+F） EFKSEEFKSE线围着的奥氏线围着的奥氏体与渗碳体相区体与渗碳体相区（A A+Fe+Fe3 3C C） QPSKQPSK以下为铁素体与以下为铁素体与渗碳体相区（渗碳体相区（F F+Fe+Fe3 3C C）4.区域区域5.铁碳合金的分类铁碳合金的分类工业纯铁：C%0.0218共析钢：C%=0.77
19、亚共析钢：0.0218C%0.77过共析钢：0.77C%=2.11共晶白口铁：C%=4.3亚共晶白口铁：2.11C%4.3过共晶白口铁：4.3C%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。 碳素工具钢碳素工具钢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：T8A0.8%的高级优质碳素工具钢3)组织：P+F或P+Fe3C4)性能：具有很高的硬度和耐磨性，但淬透性差，热硬性差。
20、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 三、合金钢三、合金钢o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。o化学成分： C0.2%，合金元素5%， 常加合金元素：Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N等。o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。合金钢分类1.合金结构钢合金结构钢o合合金金结结构构钢钢是是优优质质钢钢，其其的的牌牌号号表表示示方方法法：数字数字+元素符号元素符号+数字数字 2525 Cr2Cr2 Ni4Ni4 W W（万分之几）（万分之几）wS.P0.
21、035%，与优质结与优质结构钢相同构钢相同元素符号及含量元素符号及含量（百分之几）（百分之几）含量含量1.5%1.5%不标数字不标数字o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）合金渗碳钢合金渗碳钢典型零件：变速箱齿轮、齿轮等常用的20CrMnTi钢。2）合金调质钢合金调质钢典型零件：受冲击载荷较大的齿轮常用40Cr、40CrMnMo等 3）弹簧钢弹簧钢典型零件：汽车减振弹簧常用55Si2Mn 2.合金工具钢合金工具钢o合金工具钢都属于高级优质钢，其牌号合金工具钢都属于高级优质钢，其牌号方方法：数字法：数字+元素符号元素符号+数字数字9Mn2VCr12Mo
22、V含碳量标千分之几含碳量标千分之几 （ WC1%）含碳量不标出含碳量不标出（WC 1%）合金元素的表示方法与合金结构钢相同合金元素的表示方法与合金结构钢相同合金工具钢的典型牌号合金工具钢的典型牌号o低合金刃具钢低合金刃具钢9SiCr，常用作板牙、丝锥、常用作板牙、丝锥、铰刀、冷冲模等。铰刀、冷冲模等。o高速钢高速钢W18Cr4V W18Cr4V2Co8W18Cr4V W18Cr4V2Co8 W6Mo5Cr4V2 W6Mo5Cr4V2W9Mo3Cr4VW9Mo3Cr4V 制制作作各各种种高高速速切切削削刃刃具具，如如车车刀刀、铣铣刀刀、钻钻头头、拉拉刀刀等等，高高速速钢钢不不论论含含碳碳量量多多
23、少少都都不不标标注注，例例如如 W18Cr4VW18Cr4V，碳碳的的质质量量分分数数W WC C 0.70%0.80%0.70%0.80%，钢号前不标数字。钢号前不标数字。3.特殊性能的钢特殊性能的钢o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%。2）耐热钢）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）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。第五节 零件选材的一般原则o满足工作性能要求o满足工艺性能要求o满足经济性要求
