工藝技術_金屬工藝學之鐵碳合金

成形工藝基礎 材2 1 第二章鐵碳合金 1純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變 1 結晶由液態(tài)轉變?yōu)楣腆w晶體的過程 或 原子由不規(guī)則 無序 排列到有 序 規(guī)則排列過程 或 晶體結構形成的過程 如水 冰22 冷卻曲線用熱分析法測定時描述金屬結晶過程的曲線 成形工藝基礎 材2 2 曲線上有一段水平線 是實際結晶溫度T1 又稱結晶平臺 是結晶時放出的熱 潛熱 造成的 虛線 理論結晶溫度T0 3 過冷度 T T0 T1實際結晶溫度低于理論結晶溫度 此稱 過冷 過冷是結晶的必要條件與冷卻速度密切相關冷卻速度越快 結晶溫度越低 過冷度越大 反之冷卻速度慢 過冷度則小 成形工藝基礎 材2 3 下圖是金屬結晶過程示意圖主要結論 1 結晶過程實質 形核 成長 大 兩者相繼又并存 2 結晶終了 得多晶粒組織 晶界多 犬牙交錯 晶粒愈細愈好 控制細晶措施有 成形工藝基礎 材2 4 1 增大過冷度 2 變質處理 3 機械振動 4 熱處理或壓力加工 二 純鐵的晶體結構1 晶體與非晶體定義 原子按一定幾何形狀作有規(guī)律的重復排列的固體物質 稱晶體 非晶體則反之 特點 晶體 有熔點 具有各向異性 成形工藝基礎 材2 5 如 食鹽 冰 金剛石 金屬等 非晶體 無熔點 各向同性 如 玻璃 松香 瀝青等 2 晶格為便于研究晶體中原子排列規(guī)律 人為將原子抽象化 將晶體中每一個原子看作一個點 用假想連線聯(lián)接起來 形成晶格 晶格中一個基本幾何單元叫做 晶胞 成形工藝基礎 材2 6 晶胞棱邊長度為 晶格常數 1 體心立方晶格body centeredcubiclattice bcc 特點 Rm 強度 較好 如 912 Fe Cr Mo V等 2 面心立方晶格face centeredcubiclattice fcc 特點 A Z 塑性 較好 912 Fe Cu Al等金屬 成形工藝基礎 材2 7 3 密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice hcp 特點 硬度高 脆性大 如 鋅 Zn 鎂 Mg 鎘 Cd 等金屬 三 純鐵的同素異構轉變在固態(tài)下隨溫度發(fā)生變化 其晶格類型發(fā)生轉變的現(xiàn)象 同素異構 晶 轉變 廣義上說同素異構轉變也是結晶過程 遵循生核與長大兩規(guī)律 成形工藝基礎 材2 8 也需要一定的過冷度 有結晶熱效應 又稱 重結晶 二次結晶 由于晶格結構的轉變 金屬隨之有體積的漲縮 金屬內部產生應變 降溫時 體積膨脹 體積收縮 轉變式 Fe Fe Fe 成形工藝基礎 材2 9 2鐵碳合金的基本組織 1 合金alloy由兩種或兩種以上金屬元素或者金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質 如 青銅 鑄鐵 鋁合金等 2 組元constituent組成合金的最基本的獨立的物質稱組元 簡稱 元 如 黃銅Cu Zn 硬鋁Al Cu等為二元合金 成形工藝基礎 材2 10 3 相phase指同一化學成分 同一結構并以界面互相分開的均勻組成部分 如固相 液相等 4 組織structure借助于放大鏡 顯微鏡下觀察到具有某種形態(tài) 形貌特征的組成部分 常見的合金的相結構有 固溶體 金屬化合物和機械混合物三類型 成形工藝基礎 材2 11 一 固溶體solidsolution 定義 溶質原子溶入溶劑晶格中所形成的一種均勻固體 如 糖水水 溶劑 糖 溶質 保持溶劑晶格 固溶體屬于單相組織 分類 按溶質原子在溶劑中分布情況不同 分置換固溶體和間隙固溶體兩類 成形工藝基礎 材2 12 1 置換固溶體 溶質原子替換晶格上的原子 2 間隙固溶體 溶質原子溶入晶格原子間隙特征 晶格類型不變 化學成分有限 性能發(fā)生變化 結果 造成晶格畸變 強度 硬度上升 這種現(xiàn)象稱固溶強化 工程中廣泛應用 如錳鋼 16Mn現(xiàn)稱Q345 便為固溶結果 弱強化相 成形工藝基礎 材2 13 碳可以溶入 Fe Fe等形成不同的固溶體 1 鐵素體F鐵素體是 鐵中溶入一種或多種溶質元素構成的固溶體 727 時Wc 0 0218 室溫時Wc 0 008 特點 塑性 韌性好 強度 硬度低 近似純鐵 其顯微組織特征 成形工藝基礎 材2 14 正常浸蝕后在顯微鏡下呈白亮色 在鋼中的形態(tài)多為不規(guī)則的多邊形塊 在接近共析成分的鋼中 往往呈網狀或斷續(xù)網狀 2 奧氏體 A austenite英國金相學家 奧氏體是 鐵中溶入碳和 或 其他元素構成的固溶體 其強度和硬度比鐵素體高 塑性 韌性也好 因此 鋼材多數加熱到奧氏體狀態(tài)進行鍛造 成形工藝基礎 材2 15 在1148 時Wc 2 11 在727 時Wc 0 77 高溫顯微鏡下 727 以上 才能觀察到奧氏體組織 其晶粒呈多邊形 且晶界較鐵素體平直 二 金屬化合物compound 合金元素之間發(fā)生相互作用而生成的一種具有金屬性質的新相 如Fe與C Fe3C 滲碳體 是晶體結構屬于正交系 化學式為Fe3C的金屬化合物 是鋼和鑄鐵中 成形工藝基礎 材2 16 常見的固相 其硬度很高 800HBW 塑性 韌性很差 脆性很大 滲碳體在鋼和鑄鐵中可呈片狀 球狀和網狀分布 主要起強化作用 它的形態(tài) 大小 數量和分布對鋼和鑄鐵的性能有很大影響 相對固溶體 Fe3C屬于強強化相 Fe3C在一定條件下可以分解 形成石墨 反應式 Fe3C3Fe C石墨 成形工藝基礎 材2 17 三 機械混合物 兩相按固定比例構成的組織 復合相 稱機械混合物 各相保持自己的晶格類型 性能特點 如 混凝土 強度 硬度適中 目前鋼鐵材料中大部分是這種組織 如鐵碳合金中珠光體 P 萊氏體 Ld 1 珠光體Ppearlite是F與Fe3C機械混合物 WC 0 77 成形工藝基礎 材2 18 珠光體是鐵素體薄層 片 與碳化物 包括滲碳體 薄層 片 交替重疊組成的共析組織 記住 層片相間 其性能介于鐵素體和滲碳體之間 強度較高 硬度適中 有一定的塑性 2 萊氏體Ld分高溫萊氏體和低溫萊氏體A與Fe3C的機械混合物稱高溫萊氏體 用符號 Ld表示 成形工藝基礎 材2 19 高溫萊氏體冷卻到727 以下時 轉變?yōu)?P Fe3C稱低溫萊氏體 珠光體和滲碳體的復合物 又稱 變態(tài)萊氏體 Ld 其力學性能與滲碳體相近 極為脆硬 平均含碳量為4 3 組織特征 白亮的滲碳體為基體 上面分布著許多粒狀 條狀或不規(guī)則形狀的黑色珠光體 成形工藝基礎 材2 20 3鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵碳合金的結晶過程比純鐵復雜的多 含碳量不同的鐵碳合金結晶過程差別很大 用熱分析法將不同成分的鐵碳合金加以熔化 然后 使之極其緩慢的冷卻 測出各成分的合金的冷卻曲線 在橫 成分 縱 溫度 坐標圖上連點描線 可得鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵碳合金狀態(tài)圖的作用 成形工藝基礎 材2 21 1 表達鐵碳合金不同成分 溫度下的組織狀態(tài) 2 研究鋼鐵成分 組織和性能之間關系的工具 3 制定鑄造 鍛造 焊接和熱處理工藝的依據 由于含碳大于6 69 的鐵碳合金在工業(yè)上沒有實用價值 又由于Fe3C的含碳量6 69 是一個穩(wěn)定的化合物 視為一個組元 我們重點討論的是 Fe Fe3C簡化狀態(tài)圖 成形工藝基礎 材2 22 成形工藝基礎 材2 23 二 鐵碳合金狀態(tài)圖的分析 1 四個基本相是指鐵碳合金狀態(tài)圖中 液相 L 奧氏體相 A 鐵素體相 F 滲碳體相 Fe3C 2 特性點在鐵碳合金狀態(tài)圖中用字母標出的點都有其特定的意義 3 特性線 成形工藝基礎 材2 24 1 ACD線 液相相 液體到此開始結晶 2 AECF線 固相線 合金至此全部結晶為固體 在液 固兩線之間為液 固兩相區(qū) 在C點產生共晶反應 其反應式 LcLd A Fe3C 3 GS線 自A中析出F線 以 A3線表示 4 ES線 C在A中的溶解度曲線 以 Acm表示 1148 成形工藝基礎 材2 25 5 PSK線 共析反應線 常以 A1表示 6 PQ線 碳在鐵素體中溶解度曲線 產生Fe3C 按含碳量不同 將鐵碳合金分為 鋼和鑄鐵兩類鋼 含碳量小于2 11 的鐵碳合金 按室溫組織又分為 亞共析鋼 含碳量0 77 成形工藝基礎 材2 26 鑄鐵 指生鐵 白口生鐵 含碳量為2 11 6 69 又分 亞共晶白口生鐵 含碳量4 3 三 鋼在結晶過程中的組織轉變 下面以共析鋼為例 分析鐵碳合金在緩慢冷卻過程中的組織轉變規(guī)律 成形工藝基礎 材2 27 A E G P Q S Fe L A L A F F A F P P P Fe3C A Fe3C 0 77 2 11 共析鋼 1 2 3 P 亞共析鋼 1 2 3 4 1 2 3 4 4 L L A A F A A P P 冷卻曲線 過共析鋼 成形工藝基礎 材2 28 4工業(yè)用鋼簡介 鋼以鐵為主元素 含C 2 以下 并含有其它元素的材料 鋼 可形變加工的鐵碳合金 一 碳鋼分類 掌握內容 鋼從不同角度可以有不同分類 二 碳素鋼簡稱 碳鋼carbon steel常存元素對碳鋼性能的影響 了解 成形工藝基礎 材2 29 1 碳 C 作用碳對碳鋼的組織和性能影響很大 如圖示總趨勢是 狀態(tài)圖中自左向右 含碳量增加 Fe3C增加 硬度直線上升 塑韌性急速下降 強度先升后降 2 錳 Mn 作用脫氧 FeO還原Fe 與S作用 MnS降低熱脆性 提高強度 硬度 屬有益元素 3 硅 Si 作用 成形工藝基礎 材2 30 與鋼液中FeO生成爐渣 提高鋼質量 溶于F中 固溶強化 有益元素 4 硫S作用 形成FeS 熔點1190 在晶界處 在1100 1200 時 壓力加工 產生脆裂 熱脆 有害元素 5 磷P作用 全部溶于F中 固溶強化 Rm HB 在低溫下引起脆斷 冷脆 有害元素 成形工藝基礎 材2 31 碳鋼一般分為 1 碳素結構鋼GB700 1988牌號由代表屈服點的字母Q 屈服點數值 質量等級符號 脫氧方法四部分組成 其中質量等級分別用A B C D表示 A的S P量高 D的S P量最低 且質量最好 如 Q235 A FQ 屈 字漢語拼音字首 讀 屈 成形工藝基礎 材2 32 235 Rm b 235MPaA 質量等級A級F 脫氧方法 指 沸騰鋼 一般不標 牌號 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五類 用途 用于制作螺釘 螺栓 螺母 角鋼 墊圈 焊接鋼管等 2 優(yōu)質碳素結構鋼S P含量較低 用于重要零件 成形工藝基礎 材2 33 GB 牌號用兩位數字表示 表示含碳量萬分之幾 十 如 08F 10 15 20 25 為低碳鋼 塑性好 耐沖 好焊 30 35 40 45 50 55 中碳鋼含P多 強硬適中 多做重要件 60 65 70 75 高碳鋼 多需淬火 回火 制作彈性耐磨件 20Mn 65Mn等稱含錳量較高的優(yōu)質碳素結構鋼 成形工藝基礎 材2 34 3 碳素工具鋼 牌號用 碳 字漢語拼音字首 T 數字表示Wc的千分之幾 如 T7 T8 T9 T10 T10A T12等 如T10鋼WC 1 T10A中的 A 表示為高級優(yōu)質碳素工具鋼 適用各類高級優(yōu)質鋼 其中 T7鋼 WC 0 7 主要用于制造手鉗 剪刀 鑿子 手錘等 成形工藝基礎 材2 35 T10鋼 WC 1 用于制作手用鋼鋸條 簡單冷作模具 手工鉆頭 等 T12鋼用于制作鉸刀 銼刀 量具等 主參考書P24表1 4為碳鋼成分和性能三 合金鋼為了提高鋼的力學性能 工藝性能 物理性能 化學性能 淬透性等 在碳鋼的基礎上加入某些合金元素 稱為合金鋼 按用途分合金結構鋼 合金工具鋼和特殊性能鋼 成形工藝基礎 材2 36 1 合金結構鋼鋼號 數字 元素符號 數字 平均百分數 如20CrMnTi 40Cr 60Si2Mn 38CrMoAlA等 用于制造機械零件和工程構件 主參考書P24中16Mn應歸類于 低合金 高強度結構鋼 新號 Q345 GB T1591 94 低合金高強度結構鋼在碳素結構鋼基礎上加入少量錳 硅等合元制成的 通常在熱軋 正火狀態(tài)下使用 產品同時保證力學性能和化學成份 成形工藝基礎 材2 37 牌號表達同碳素結構鋼 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 低合金高強度結構鋼成本與碳素結構鋼相近 但性能有較大的提高 在工程結構中應用極為廣泛 舊牌號 16Mn 09MnV2等等 2 合金工具鋼用于制造刃具 模具 量具等工具 如9SiCr Cr12 CrMn GCr15等 其中GCr15有專用名稱 滾動軸承鋼 實為 名專用途廣 成形工藝基礎 材2 38 高速鋼又稱 鋒鋼 白鋼 特點是高熱硬性 耐磨性 淬透性 常用牌號 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2等 制造形狀復雜的高速切削工具 如 麻花鉆 銑刀 拉刀 齒輪刀具和其他成形刀具 3 特殊性能鋼不銹鋼 不銹鋼又多為耐熱鋼 1 鉻不銹鋼 馬氏體型不銹鋼 其牌號有 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 成形工藝基礎 材2 39 2 鉻鎳不銹鋼 奧氏體型不銹鋼 其牌號 1Cr18Ni9 Ti 0Cr18Ni93 鐵素體不銹鋼 1Cr17 容器 日用品 耐磨鋼GB5680 98又稱 高錳鋼 強烈沖擊力作用下發(fā)生硬化現(xiàn)象如牌號 ZGMn13 1 ZGMn13 2等 應用鐵道叉 履帶板 顎板 鏟斗 保險箱等 磁鋼 略 成形工藝基礎 材2 40 5零件選材的一般原則 1