第三章亮模板

1、機(jī) 械 工 程 材 料主講人：楊拓宇主講人：楊拓宇3.1 Fe-Fe3.1 Fe-Fe3 3C C系合金的組元與基本相系合金的組元與基本相 3.2 Fe-Fe 3.2 Fe-Fe3 3C C相圖相圖 3.3 3.3 鐵碳合金的平衡結(jié)晶鐵碳合金的平衡結(jié)晶 3.4 3.4 含碳量對(duì)鐵碳合金組織與力學(xué)性能的影響含碳量對(duì)鐵碳合金組織與力學(xué)性能的影響 3.5 3.5 鋼中的雜質(zhì)元素鋼中的雜質(zhì)元素第第3 3章章 鐵碳合金和鐵碳相圖鐵碳合金和鐵碳相圖 第一節(jié)第一節(jié) Fe-Fe3C系合金的組元與基本相系合金的組元與基本相第第3 3章章 鐵碳合金和鐵碳相圖鐵碳合金和鐵碳相圖v鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物鐵和碳可

2、形成一系列穩(wěn)定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它們都可以作為純組元看待。它們都可以作為純組元看待。v含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)用價(jià)值。已無實(shí)用價(jià)值。v實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe- Fe3C相圖相圖。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 一、鐵碳合金的組元一、鐵碳合金的組元Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖的組元相圖的組元 Fe Fe FeFe、 -Fe ( -Fe (fccfcc) ) 和和-Fe (bcc) -Fe (bcc) （912） （1394 ） - 強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑

3、性好。強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑性好。 FeFe3 3C C 熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零二、鐵碳合金的基本相二、鐵碳合金的基本相v碳在碳在-Fe中的固溶體中的固溶體稱稱 -鐵素體鐵素體，用，用 表示。表示。 v都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在在727時(shí)最大為時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為，室溫下僅為0.0008%。v鐵素體的組織為多邊形晶粒，鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似性能與純鐵相似。鐵素體鐵素體l1 鐵素體：鐵素體：l碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱鐵素鐵素體體, 用用F

4、 或或 表示。表示。 v2 奧氏體奧氏體:v碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱奧氏體奧氏體。用。用A或或 表示。表示。v是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148時(shí)最大為時(shí)最大為2.11%。l組織為不規(guī)則多面體晶粒，組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。晶界較直。強(qiáng)度低、塑性強(qiáng)度低、塑性好，好，鋼材熱加工都在鋼材熱加工都在 區(qū)區(qū)進(jìn)行進(jìn)行.l碳鋼室溫組織中無奧氏體。碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體奧氏體v3 滲碳體：滲碳體：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。vFe3C硬度高、強(qiáng)度低硬度高、強(qiáng)度低(

5、b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性幾乎為零塑性幾乎為零lFe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 該反應(yīng)該反應(yīng)對(duì)鑄鐵有重要意義。對(duì)鑄鐵有重要意義。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很中的溶解度很小，因而小，因而常溫下碳在鐵碳合常溫下碳在鐵碳合金中主要以金中主要以Fe3C或或石墨石墨的形的形式存在式存在。 鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼中的滲碳體(2) (2) Fe-FeFe-Fe3 3 C C相圖的相相圖的相 FeFe3 3 C C （ CemCem， Cm Cm，滲碳體）滲碳體） 復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜晶體

6、結(jié)構(gòu) 液相液相 L L 相相 （高溫鐵素體（高溫鐵素體 ） FeFe（C C）固溶體固溶體 相（相（A A ，奧氏體）奧氏體） -Fe-Fe（C C）固溶體固溶體 相相 （F F，鐵素體）鐵素體） -Fe-Fe（C C）固溶體固溶體第二節(jié)第二節(jié) 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖(3) (3) 相圖中重要的點(diǎn)和線相圖中重要的點(diǎn)和線液相線液相線 ABCD固相線固相線 AHJECF包晶線包晶線 HJB，包晶點(diǎn) J 共晶線共晶線 ECF， ( (A A2.112.11+ +FeFe3 3C)C)高溫萊氏體高溫萊氏體共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)CL L4.34.3, ,LeLe或或LdLd共析線共析線 PSK，共析點(diǎn)共析點(diǎn)SA

7、 A0.770.77( (F F0.020.02+ +FeFe3 3C C) )珠光體珠光體, , P PESES線線：C C在在A A中的固溶線中的固溶線PQPQ線線：C C在在F F中的固溶線中的固溶線GSGS線線：A3A3線線第三節(jié)鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程第三節(jié)鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程Fe-C 合金分類合金分類工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 C % 0.0218 %C % 0.0218 %鋼鋼 0.0218 % 0.0218 % C % 2.11 %C % 2.11 %亞共析鋼亞共析鋼 0.77 % 0.77 %共析鋼共析鋼 0.77 % 0.77 % 過共析鋼過共析鋼 0.77 % 0.77 %白口鑄鐵

8、白口鑄鐵 2.11 % 2.11 % C % C % 6.69 % 6.69 %亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 4.3 % 4.3 % 共晶白口鐵共晶白口鐵 4.3 % 4.3 % 過共晶白口鐵過共晶白口鐵 4.3 % 4.3 %類型類型亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過共析鋼過共析鋼鋼號(hào)鋼號(hào)204560T8T10T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.200.450.600.801.001.20幾種幾種常見常見碳鋼碳鋼(1)(1)工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 ( ( C % 0.0218 % )C % 0.0218 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織F F + + FeFe3 3C C (微量)500500(2)(2)

9、共析鋼共析鋼 ( C % = 0.77 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: : 層片狀層片狀 P P ( ( F F + + 共析共析 FeFe3 3C C ) )500500 P中各相的相對(duì)量：Fe3C % = ( 0.77 xF ) / ( 6.69 xF ) 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %珠光體珠光體強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C 和 F 之間。(3)(3)亞共析鋼亞共析鋼 ( C % = 0.4 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: : F F + + P P，500500各組織組成物的相對(duì)量：P % = ( 0.4 0.021

10、8 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 %F % 1 51 % = 49 %各相的相對(duì)量：Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %(4)(4)過共析鋼過共析鋼 ( C % = 1.2 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: :P P + + FeFe3C CII 4 40000各組織組成物的相對(duì)量：Fe3CII % = ( 1.2 0.77 ) / ( 6.69 0.77 ) 7 %P % 1 7 % = 93 %各相的相對(duì)量：Fe3CII % 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %(5)(5)共晶白口鐵共晶白口鐵

11、 ( ( C % C % = = 4.3 % 4.3 % ) )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: : （低溫）（低溫）萊氏體萊氏體 LeLe （P P + + FeFe3C CII + + 共晶共晶 FeFe3C C ）, , 5 50000萊氏體萊氏體 LeLe的性能：的性能：硬而脆硬而脆( () )亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 ( ( C % C % = = 3 % 3 % ) )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: :LeLe+ + P P + + FeFe3C CII 2 20000( (7)7)過共晶白口鐵過共晶白口鐵 ( ( C % C % = = 3 % 3 % ) )結(jié)晶過程結(jié)晶過

12、程室溫組織室溫組織: :LeLe+ + FeFe3C CI 5 50000標(biāo)注了組織組成物的相圖標(biāo)注了組織組成物的相圖FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%溫度溫度第四節(jié)鐵碳合金的第四節(jié)鐵碳合金的成分成分- -組織組織- -性能關(guān)系性能關(guān)系含碳量與相的相對(duì)量關(guān)系：含碳量與相的相對(duì)量關(guān)系：C C %F%F %，F(xiàn)eFe3 3C C %含碳量與組織關(guān)系：含碳量與組織關(guān)系：圖（圖（a a）和（

13、和（b b）含碳量與性能關(guān)系含碳量與性能關(guān)系HBHB：取決于相及相對(duì)量取決于相及相對(duì)量強(qiáng)度：強(qiáng)度：C%=0.9% C%=0.9% 時(shí)最大時(shí)最大塑性、韌性：隨塑性、韌性：隨C%C%而而v 含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響v亞共析鋼亞共析鋼隨含碳量增加隨含碳量增加，P 量增加，量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。性、韌性下降。l0.77%C時(shí)，時(shí)，組織為組織為100% P, 鋼的性能即鋼的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，F(xiàn)e3C為晶界連續(xù)為晶界連續(xù)網(wǎng)狀，網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降強(qiáng)度下降, 但硬度仍上但硬度仍上升。升。l2.11%C，組織中有以組織中有以Fe3C

14、為基的為基的Le,合金太脆合金太脆.第五節(jié)第五節(jié) 鋼中的雜質(zhì)元素鋼中的雜質(zhì)元素 Mn 脫氧、去硫脫氧、去硫, ,提高鋼的強(qiáng)度和硬度。提高鋼的強(qiáng)度和硬度。 Si 有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用, ,能脫氧。能脫氧。1.有益元素有益元素2.有害元素有害元素: : P 有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用, ,低溫低溫 韌性差韌性差 ( ( 冷脆冷脆 ) )。 S 能引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開裂能引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開裂 ( ( 熱裂熱裂 ) )。3.氣體元素氣體元素: N：鋼中過飽和鋼中過飽和N在常溫放置過程中會(huì)在常溫放置過程中會(huì)發(fā)生發(fā)生時(shí)效脆化時(shí)效脆化。加加Ti、V、A

15、l等元素可等元素可消除時(shí)效傾向。消除時(shí)效傾向。 O：鋼中的氧化物易成為鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源疲勞裂紋源。 H：原子態(tài)的過飽和氫時(shí)將降低韌性原子態(tài)的過飽和氫時(shí)將降低韌性, 引起引起氫脆氫脆。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為內(nèi)壁為白色白色，稱，稱白點(diǎn)白點(diǎn)或或發(fā)裂發(fā)裂。鋼中鋼中白點(diǎn)白點(diǎn)第六節(jié)、鑄錠第六節(jié)、鑄錠( (件件) )的宏觀組織（自學(xué)）的宏觀組織（自學(xué)）v鑄錠鑄錠(件件)的宏觀組織通常由三個(gè)區(qū)組成的宏觀組織通常由三個(gè)區(qū)組成:v 表層細(xì)晶區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及

16、于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。v 柱狀晶區(qū)：柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。v中心粗等軸晶區(qū)中心粗等軸晶區(qū): 由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際斷減慢，導(dǎo)致柱狀

17、晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度T1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。多尺寸較大的等軸晶粒。v 縮孔：縮孔：縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造成的。成的?？赏ㄟ^改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來進(jìn)行控制?？赏ㄟ^改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除.l2、鑄造缺陷、鑄造缺陷l鑄造缺陷的類型較鑄造缺陷的類型較多，常見的有多，常見的有縮孔、縮孔、氣孔、偏析氣孔、偏析等，它等，它們對(duì)性能是有害的們對(duì)性能是有害的.縮孔縮孔v偏析：偏析：合金中各部分化學(xué)成合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析偏析。鑄。鑄錠錠(件件)在結(jié)晶時(shí)在結(jié)晶時(shí),由于各部位結(jié)由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成造成宏觀上的成分不均勻，