鐵碳相圖ironcarbondiagram.ppt

鐵碳相圖 iron-carbon diagram,主要的內(nèi)容,1.鐵碳合金狀態(tài)圖 2.鐵碳合金的結(jié)晶過程和組織變化 3.鐵碳合金的成分、組織與性能間的關(guān)系,FeC合金概述,鋼(Steels)和鑄鐵(Cast irons)是現(xiàn)代機械制造工業(yè)中應(yīng)用最廣的金屬材料，雖然種類很多，成分不一，其基本組成都是鐵(Fe)和碳(C)兩種元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金（alloys of the ironcarbon system）。 鐵碳相圖(iron-carbon diagram)描述了鋼鐵材料的成分、溫度與組織（相）之間的關(guān)系，是了解鋼鐵材料的基礎(chǔ)。,FeC合金概述,在鐵碳合金中，F(xiàn)e與C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，F(xiàn)e-C相圖可以劃分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四個部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相圖實際上沒有應(yīng)用價值（工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過5），因此，通常所說的鐵碳相圖就是Fe-Fe3C部分。,Fe-Fe3C相圖,1.FeC合金中的組元,鐵碳合金中組元：純鐵(Fe) 滲碳體（Fe3C）,(1) 純鐵（Fe）,純鐵（pure iron） 純鐵固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（allotropic transformation） 純鐵具有磁性轉(zhuǎn)變（770磁性轉(zhuǎn)變、magnetic transformation）。,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化,概念,鐵素體：碳在a-Fe（體心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。 奧氏體：碳在 -Fe（面心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。 滲碳體：碳和鐵形成的穩(wěn)定化合物（Fe3c）。 珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%） 萊氏體：滲碳體和奧氏體組成的機械混合物（含碳4.3%）,(2) 滲碳體(Fe3C)A,滲碳體（cementite）是FeC合金中碳以化合物(Fe3C)形式出現(xiàn)的。 Fe3C在230以下具有鐵磁性，常用A0表示這個臨界點。 Fe3C在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀，粒狀，網(wǎng)狀和板條狀。,2. FeC合金中的基本相,在FeFe3C相圖中，F(xiàn)eC合金在不同條件(成分，溫度)下，可有五（六）個基本相： L相、相、相、相、Fe3C相、（石墨G）。 （1）液相(L) Fe與C在高溫下形成的液體溶液。(ABCD線以上) （2）相高溫鐵素體（high temperature ferrite）,FeC合金中的基本相,（3） 奧氏體（austenite） 奧氏體(或A)是C溶解于Fe形成的間隙固溶體稱為奧氏體（austenite）。,FeC合金中的基本相,（4）鐵素體（ferrite） 鐵素體（或F）是C溶于Fe形成的間隙固溶體稱為鐵素體（ferrite）。 （5）滲碳體（cementite） 前面已討論過 （6） 石墨（C） 在一些條件下，碳可以以游離態(tài)石墨（graphite） (hcp)穩(wěn)定相存在。所以石墨在于FeC合金鑄鐵中也是一個基本相。,3. FeFe3C相圖分析,如圖為FeFe3C相圖全貌。根據(jù)分析圍繞三條水平線可把FeFe3C相圖分解為三個部分考慮：左上角的包晶部分，右邊的共晶部分，左下角的共析部分。 分析點、線、區(qū)特別是重要的點、三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線 、重要的相界線,（1）FeFe3C相圖的點,FeFe3C相圖相圖中的各特性點所對應(yīng)的溫度、成分和意義如下表： A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各點（表2-1）,（2）FeFe3C相圖的線,。,A.三條水平線,HJB-包晶轉(zhuǎn)變線：（1459）,L0.53+0.09 0.17 （LB+H J） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體(austenit) 強度低，塑性好,A.三條水平線,ECF-共晶轉(zhuǎn)變線：（1148）， L4.3 2.11+ Fe3C （LC E+ Fe3C） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為萊氏體（ledeburite），用Ld表示。 硬、脆、無法加工,A.三條水平線,PSK-共析轉(zhuǎn)變線(A1線):（727） 0.77 0.0218 + Fe3C （S P+ Fe3C） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為和Fe3C組成的機械混合物稱為珠光體（pearlite），用P表示。 塑性、韌性、硬度介于和Fe3C之間。,B. 兩條磁性轉(zhuǎn)變線,A0線(虛線) : 滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變線，230以上無磁性，230以下鐵磁性。 MO(A2線）： 鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變線。770以上無磁性，770以下鐵磁體。 A2溫度又稱居里點。,A0、A1、A2、A3、Acm線溫度依次升高。,C. 幾條重要的相界線(固態(tài)轉(zhuǎn)變線), GS線(A3 線)： 冷卻時從中開始析出或加熱時全部溶入中的轉(zhuǎn)變線. ES線(Acm線)： 碳在中的溶解度曲線。冷卻時從中開始析出Fe3C或加熱時Fe3C全部溶入中的轉(zhuǎn)變線.,C. 幾條重要的相界線(固態(tài)轉(zhuǎn)變線), PQ線： 碳在中的溶解度線.。冷卻時從中開始析出Fe3C或加熱時Fe3C全部溶入中的轉(zhuǎn)變線.,（3）FeFe3C相圖中的區(qū),FeFe3C相圖中的區(qū)： 5個單相區(qū)：L、 、Fe3C 7個兩相區(qū)：L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+ Fe3C 3個三相共存區(qū)： L+ Fe3C（ECF線）、L+（HJB線）、+ Fe3C（PSK線）,4. FeC合金分類,Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室溫平衡組織分為三大類： 工業(yè)純鐵（pure iron）、碳鋼（carbon steel）、鑄鐵（cast iron）。根據(jù)碳鋼和鑄鐵的相變、組織特征可把二者細分。即： （1）工業(yè)純鐵：(Wc0.0218%)顯微組織為固溶體。,（2）鋼,鋼（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之間的Fe、C合金。其特點是： 高溫組織為單相的，具有很好的塑性。因而可以進行鍛造、軋制等壓力加工。根據(jù)其室溫組織的不同，碳鋼（carbon steel）又可分為： 共析鋼（eutectoid steel）：Wc=0.77% 亞共析鋼（hypoeutectoid steel）：Wc=0.02180.77% 過共析鋼（hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11%,（3）白口鑄鐵,白口鑄鐵（white cast iron）是含碳量在Wc=2.116.69%之間的Fe、C合金。其特點液態(tài)合金結(jié)晶時都發(fā)生共晶反應(yīng)，液態(tài)時有良好的流動性，因而鑄鐵都具有良好的鑄造性能。但因共晶產(chǎn)物是以Fe3C為基的萊氏體組織，所以性能硬、脆，不能鍛造。其斷口呈銀白色，故稱為白口鑄鐵。 上述Wc=2.11%具有重要的意義，它是鋼和鑄鐵(生鐵)的理論分界線。,Wc對鐵碳合金機械性能的影響,F為軟韌相，F(xiàn)e3C為硬脆相，故Fe-C合金的力學性能取決于和Fe3C兩相的相對量及它們的相互分布特征。 硬度（HB） 延伸率（塑性、韌性） 強度（Mpa） 鐵素體 50-80 30-50 180-230 滲碳體 800 0 30 珠光體 180 20-35 770,Wc對鐵碳合金工藝性能的影響,切削加工性： 可鍛性：金屬經(jīng)受壓力加工改變形狀但不產(chǎn)生裂 紋的性能。,鐵碳相圖的應(yīng)用,在生產(chǎn)中具有很大的實際意義，主要應(yīng)用在鋼鐵材料的選用和加工工藝的制訂兩個方面。 （1）在選材方面 （2）在鑄造工藝方面 （3）在熱鍛熱軋工藝方面 （4）在熱處理工藝方面,鍛壓常識及相關(guān)知識,主要涉及的內(nèi)容,緒論 鍛造用原材料 鍛造的熱規(guī)范 自由鍛主要工序分析 鍛后熱處理 性能熱處理 金屬材料的機械性能,緒論,鍛造工藝學及其性質(zhì) 鍛造生產(chǎn)的特點及其在國民經(jīng)濟中的作用 我國鍛造生產(chǎn)的歷史，現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 鍛造生產(chǎn)方法的分類,一、鍛造工藝學及其性質(zhì),鍛造是利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工方法。 鍛造和沖壓同屬塑性加工性質(zhì)，統(tǒng)稱鍛壓,鍛造生產(chǎn)的特點及其在國民經(jīng)濟中的作用,特點 地位,大型鍛件主要應(yīng)用于以下方面,1、軋鋼設(shè)備 2、鍛壓設(shè)備 3、礦山設(shè)備 4、火力發(fā)電設(shè)備 5、水力發(fā)電設(shè)備 6、核能發(fā)電設(shè)備 7、石油、化工設(shè)備 8、船舶制造工業(yè) 9、軍工產(chǎn)品制造：,實例（核反應(yīng)堆中主要鍛件M140）,Closure head(monobloc) Vessel flange Inlet(outlet) nozzle Nozzle shell Core shell Transition ring Lower dome,實例,Elliptical head Upper shell (、 ) Conical shell Intermediate shell (lower) (、) Tube sheet Primary head (channel head),實例,Upper head Core shell Lower head,我國鍛造生產(chǎn)的歷史，現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,歷史 現(xiàn)狀 趨勢,鍛造生產(chǎn)方法的分類,按所用工具不同，鍛造可以分為自由鍛和模鍛兩大類 按坯料在加工時的溫度可分為冷鍛和熱鍛。,第二、鍛造用原材料,金屬材料 按加工狀態(tài),鍛造用鋼錠,鋼錠及其冶煉 鋼錠的結(jié)構(gòu) 鋼錠的內(nèi)部缺陷 實例（接管段煉鋼的簡要流程）,鋼錠及其冶煉,冶煉工藝的主要任務(wù) 冶煉工藝的主要方法,鋼錠的結(jié)構(gòu),鋼錠是由冒口、錠 身、底部組成,鋼錠的內(nèi)部缺陷,激冷結(jié)晶區(qū)（細小等軸結(jié)晶區(qū)） 沒問題 柱狀結(jié)晶區(qū) 沒多大問題 樹枝狀結(jié)晶區(qū) 多產(chǎn)生負V型偏析,因此這部分多產(chǎn)生偏析線、夾渣、氣泡等缺陷 自由結(jié)晶區(qū)（粗大等軸結(jié)晶區(qū)） 多產(chǎn)生V型偏析,常產(chǎn)生偏析線、夾渣、金屬夾雜物、渣孔、氣泡等缺陷,呈所謂疏松組織 淀淀結(jié)晶區(qū) 常產(chǎn)生夾渣類缺陷,偏析,定義： 指各處成分與雜質(zhì)分不的不均勻現(xiàn)象，包括枝晶偏析和區(qū)域偏析等 成因：由于選擇性結(jié)晶、溶解度變化、比重差異和流速不同造成的。 危害：造成力學性能不均勻和裂紋缺陷,夾雜,定義：主要是指冶煉時產(chǎn)生的氧化物，硫化物、硅酸鹽等非金屬夾雜。 成因：冶煉產(chǎn)物，及外來夾渣物 危害：對熱鍛過程和鍛件質(zhì)量均有不良影響，它破壞金屬的連續(xù)性，在應(yīng)力的作用下在夾雜處產(chǎn)生應(yīng)力集中，引發(fā)微裂紋，成為疲勞源,氣體,定義：主要指鋼中的有害氣體，如氫、氧等。 危害：容易產(chǎn)生白點缺陷，還會引起脆性，熱鍛工藝性將明顯下降。白點對鋼的機械性能，尤其對塑性和韌性有影響，是許多重要用途的合金鋼不允許有的低倍缺陷,氣泡,它主要產(chǎn)生在鋼錠的冒口、底部、及中心部位。,縮孔,它主要在最后凝固的冒口區(qū)形成，由于冷凝結(jié)晶時沒有鋼液補充面形成孔洞性缺陷組織，同時含有大量雜質(zhì)，因此必須切除,疏松,它主要集中在鋼錠中心部位，產(chǎn)生的原因與縮孔相同。,影響鋼錠冶金缺陷的條件,綜上所述，鋼錠的冶金缺陷與冶煉、澆注過程、冷凝結(jié)晶條件、鋼錠模具設(shè)計、耐火材料質(zhì)量等有關(guān)。,實例（接管段鍛件用鋼生產(chǎn)方案 ）,采用雙真空處理的工藝進行生產(chǎn)。 .1、冶煉澆注方案 采用電爐（3#、4#、5#）冶煉溫度較高、成份合適的粗煉鋼水，分別熱兌到130t和90t精煉爐內(nèi)進行精煉及一次真空處理。依據(jù)爐前快速分析的結(jié)果，適時調(diào)整鋼水成份，直至達到目標值。 當精煉爐鋼水成份、溫度合適時，分別采用200t及250t天車吊包出鋼，在250t真空室（1#真空室）、利用真空澆注及中間包芯桿吹氬（LB3），在澆注過程中對鋼水進行二次真空處理。 鋼錠在澆注完并冷凝一定時間后，脫模，用300t送錠車熱送至水鍛,實例（接管段鍛件用鋼生產(chǎn)方案）,2、工藝流程圖,第三 鍛造的熱規(guī)范,金屬的鍛前加熱 金屬加熱時產(chǎn)生的缺陷及防止措施 鍛造溫度范圍的確定 金屬的加熱規(guī)范,金屬的鍛前加熱,目的：提高金屬的塑性，降低變形抗力，使其易于流動成形并獲得良好的鍛后組織 方法：火焰加熱，電加熱 金屬加熱時產(chǎn)生的缺陷及防止措施 1、氧化 2、脫碳 3、過熱 4、過燒 5、裂紋,鍛造溫度范圍的確定,鍛造溫度范圍是指始鍛溫度和終鍛溫度之間的溫度范圍。 1、始鍛溫度的確定 必須保證無過燒現(xiàn)象， 2、終鍛溫度的確定 防止晶粒粗大，應(yīng)稍高于再結(jié)晶溫度,金屬的加熱規(guī)范,加熱規(guī)范制定的原則及方法 1、裝爐溫度 2、加熱溫度 3、均熱保溫 4、加熱時間,第四、自由鍛主要工序分析,自由鍛的定義 自由鍛的目的 自由鍛的工序分類 大型鍛件的特殊鍛造方法 鍛件的主要缺陷,自由鍛的定義,自由鍛造是利用金屬的塑性在錘或液壓機上采用簡單通用工具，控制金屬流動，將金屬坯料鍛造成型的方法,自由鍛的目的,（1）使金屬坯料成為一定的形狀和尺寸 （2）鍛合金屬坯料內(nèi)部疏松、縮孔等冶金缺陷 （3）去除鋼錠的夾雜（切除水口、冒口）或改善夾雜物的分布 （4）使鍛件得到均勻的組織為鍛后熱處理創(chuàng)造良好的條件,自由鍛的工序分類,1、基本工序：鐓粗、拔長、沖孔、芯棒拔長、馬杠擴孔，彎曲、切斷、錯移、扭轉(zhuǎn)、鍛接 2、輔助工序：鋼錠倒棱、預(yù)壓鉗口等 3、修整工序：滾圓、平整、,大型鍛件的特殊鍛造方法,（1）、FM法（Free From Mannesmann effect）避免產(chǎn)生曼內(nèi)斯曼效應(yīng)，即鍛件心部不產(chǎn)生拉應(yīng)力的鍛造方法，因此又可以叫作：毛坯中心部位免除了軸向拉應(yīng)力的鍛造法 （2）WHF法（wide die heavy blow forging method）,WHF法是寬砧強力壓下鍛造法。一般與JTS法并用 （3）JTS法即中心壓實法（或溫間鍛造法、硬殼鍛造法） （4）KD法（V型鉆鍛造法）用途很廣泛。,鍛件的主要缺陷,（1） 橫向裂紋 （2） 縱向裂紋 （3） 表面龜裂 （4） 內(nèi)部微裂 （5） 局部粗晶 （6） 表面折疊 （7） 中心偏移 （8） 機械性能不能滿足要求,自由鍛工藝要點,水冒口要除量 變形過程的選擇 鍛造比的選擇 壓實過程,12500t自由鍛水壓機,第五 鍛后熱處理,鍛后熱處理的目的與作用 鍛后熱處理常用方法 實例（鍛后熱處理曲線）,鍛后熱處理的目的與作用,（1）消除鍛造應(yīng)力，降低鍛件的表面硬度，提高其切削加工性能。 （2）滿足機械性能要求。 （3）調(diào)整與改善組織。 （4）防止和消除白點的問題。,鍛后熱處理常用方法,方法： 退火annealing 正火normalizing 回火tempering 淬火quenching,操作要點,1、裝爐前的準備工作 2、裝爐溫度。 3、待料溫度 4、鍛件擺放， 5、配爐原則 6、加熱 7、冷卻,實例,鍛后處理曲線,第六、性能熱處理,性能熱處理的目的與作用 性能熱處理常用方法 實例（性能熱處理曲線）,性能熱處理的目的與作用,其主要目的是： 通過加熱、冷卻的方法，改變金屬或合金的組織結(jié)構(gòu)，使其具備工程技術(shù)上所需要的性能。 提高金屬材料的力學性能，充分發(fā)揮材料的潛力，節(jié)約材料延長零件使用壽命,制定熱處理規(guī)范的原則,按其導(dǎo)熱性能，碳化物溶解的難易以及對終冷溫度的要注將鋼種分成若干組，然后再按鍛件尺寸的不同分別條用不同的工藝參數(shù)。其主要目的也是為了減少熱處理過程中的內(nèi)應(yīng)力對鍛件的危害作用。,性能熱處理常用方法,退火：完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火等 正火 淬火： 回火：低溫回火、中溫回火、高溫回火 固溶處理,整體熱處理,表面淬火：火焰加熱、感應(yīng)加熱、激光加熱 物理氣相沉積 化學氣相沉積 等離子化學氣相沉積,表面熱處理,滲碳 滲氮 碳氮共滲 其它：滲其它金屬或非金屬、多元共滲,化學熱處理,退火,退火是將工件加熱到適當溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻.,正火,正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻.,淬火,淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。,回火,為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火,實例（性能熱處理曲線）,性能熱處理曲線 管板的性能熱處理曲線,第七 金屬材料的機械性能,機械性能的定義 表示金屬材料機械性能的指標 實際工程中常用指標,機械性能的定義,金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為機械性能,表示金屬材料機械性能的指標,強度 塑性 硬度 沖擊韌性,強度,強度：金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。 工程上常用的是 屈服強度yield strength （Rp0.2、Rp1.0 ） 抗拉強度ultimate (tensile) strength （Rm）,塑性,塑性：金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力稱為塑性。 工程上常用的是 1、延伸率：elongation （ A ） 2、斷面收縮率（）,硬度,硬度：金屬材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。 工程上常用的是 1、布氏硬度（HB） 2、洛氏硬度（HR、HRC） 3、維氏硬度（HV）,沖擊韌度,沖擊韌度：金屬材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌度。 工程上常用的是 沖擊韌性（Ak）：材料抵抗沖擊載荷的能力，單位為焦耳/厘米2（J/cm2）. 沖擊吸收功（ISO-V、KV）,第八、關(guān)于不銹鋼的基本知識,不銹鋼的分類 不銹鋼的冶煉 不銹鋼的鍛造 不銹鋼的固溶處理,不銹鋼的分類,1、馬氏體不銹鋼 2、鐵素體不銹鋼 3、奧氏體不銹鋼,馬氏體不銹鋼,馬氏體不銹鋼含碳高達0.2%，在任何冷速下都會由奧氏體變?yōu)轳R氏體，強度高，相當于低合金鋼，有磁性。耐腐蝕性能差，不容易焊接，焊后