第4章--鋼鐵材料剖析

1、2課程目錄課程目錄第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能第三章第三章 金屬材料的制備與加工金屬材料的制備與加工第四章第四章 鋼鐵材料鋼鐵材料第五章第五章 有色金屬材料有色金屬材料第六章第六章 金屬功能材料金屬功能材料第七章第七章 新型金屬材料及技術(shù)新型金屬材料及技術(shù)34.1 鋼的合金化基礎(chǔ)鋼的合金化基礎(chǔ)4.2 構(gòu)件用鋼構(gòu)件用鋼4.3 機(jī)器零件用鋼機(jī)器零件用鋼4.4 工具鋼工具鋼4.5 不銹鋼不銹鋼4.6 耐熱鋼耐熱鋼4.7 鑄鐵鑄鐵第第四四章章 鋼鐵材料鋼鐵材料44.1 鋼的合金化基礎(chǔ)鋼的合金化基礎(chǔ)FeC+合金元素：合金元素：Si、Mn、Cr、W、Mo、V

2、、Ti、Nb、Al、Cu、B等等鋼鐵材料鋼鐵材料雜質(zhì)元素：雜質(zhì)元素：S、P、N、O、H等等純純Fe的冷卻曲線：的冷卻曲線：5Fe-C相圖：相圖：611484.32.117270.770.0218奧氏體，奧氏體，A或或鐵素體，鐵素體，F(xiàn)或或滲碳體，滲碳體，F(xiàn)e3C或或Cm包晶反應(yīng)：包晶反應(yīng)：L+1495共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：L+Fe3C共析反應(yīng)：共析反應(yīng)： +Fe3C0.17（萊式體，（萊式體，Ld）（珠光體，（珠光體，P）pGS線：線：又稱又稱A3線，冷卻過(guò)程中由奧氏線，冷卻過(guò)程中由奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線體析出鐵素體的開(kāi)始線pES線：線：又叫又叫Acm線，碳在奧氏體中的線，碳在奧氏體中的溶解度

3、曲線溶解度曲線pPQ線：線：碳在鐵素體中的溶解度曲線碳在鐵素體中的溶解度曲線工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵碳鋼碳鋼鑄鐵鑄鐵Fe-C相圖相變線：相圖相變線：7A1：共析轉(zhuǎn)變線，即奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。：共析轉(zhuǎn)變線，即奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。A3：奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線。：奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線。Acm：碳在奧氏體中的溶解度曲線。：碳在奧氏體中的溶解度曲線。Ac1：加熱時(shí)的實(shí)際共析轉(zhuǎn)變線。：加熱時(shí)的實(shí)際共析轉(zhuǎn)變線。Ac3：加熱時(shí)奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線。：加熱時(shí)奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線。Accm：加熱時(shí)碳在奧氏體中的溶解度曲線。：加熱時(shí)碳在奧氏體中的溶解度曲線。Ar1：冷卻時(shí)的實(shí)際共析轉(zhuǎn)變線。：冷卻時(shí)的實(shí)際共析轉(zhuǎn)

4、變線。Ar3：冷卻時(shí)奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線。：冷卻時(shí)奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線。Arcm：冷卻時(shí)碳在奧氏體中的溶解度曲線。：冷卻時(shí)碳在奧氏體中的溶解度曲線。高于平衡高于平衡臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)低于平衡低于平衡臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)奧氏體組織：奧氏體組織：8共析碳鋼中珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過(guò)程示意圖共析碳鋼中珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過(guò)程示意圖碳在碳在-Fe中可能的間隙位置中可能的間隙位置奧氏體金相組織奧氏體金相組織珠光體組織：珠光體組織：9片狀珠光體及珠光體團(tuán)示意圖片狀珠光體及珠光體團(tuán)示意圖片狀珠光體轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖片狀珠光體轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖珠光體金相組織珠光體金相組織過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線：過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線：10共

5、析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線共析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT圖或圖或C曲線）曲線）C曲線鼻尖處孕育期最短，過(guò)冷曲線鼻尖處孕育期最短，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性最差。奧氏體穩(wěn)定性最差。過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變類型：過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變類型：（1）鼻尖以上的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)：）鼻尖以上的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)：珠光體型轉(zhuǎn)變珠光體型轉(zhuǎn)變（2）鼻尖至）鼻尖至Ms之間中溫轉(zhuǎn)變區(qū)：之間中溫轉(zhuǎn)變區(qū)：貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變（3）Ms以下的低溫轉(zhuǎn)變區(qū)：以下的低溫轉(zhuǎn)變區(qū)：馬氏體型轉(zhuǎn)變馬氏體型轉(zhuǎn)變過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線：過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線：11共析碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變共析碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（曲線（CCT圖）圖）（1）任何一種鋼的）任何一種鋼的CCT曲線

6、都曲線都在其在其C曲線的右下方（連續(xù)冷卻曲線的右下方（連續(xù)冷卻時(shí)孕育期更長(zhǎng)）。時(shí)孕育期更長(zhǎng)）。（2）共析鋼的）共析鋼的CCT曲線只有高曲線只有高溫的珠光體和低溫的馬氏體轉(zhuǎn)變溫的珠光體和低溫的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，沒(méi)有中溫的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。區(qū)，沒(méi)有中溫的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。（3 3）合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)組）合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)組織多變，珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)織多變，珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變均可有可無(wú)或兼而有之，取決變均可有可無(wú)或兼而有之，取決于合金元素種類與含量。于合金元素種類與含量。鋼的退火：鋼的退火：12p 定義：定義：將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，?jīng)過(guò)保溫后緩慢冷卻，將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，?jīng)過(guò)保溫后緩慢冷卻，以以降低

7、硬度降低硬度、改善組織改善組織、提高加工性提高加工性的熱處理工藝。的熱處理工藝。p 分類：分類：（1）完全退火：）完全退火：獲得接近平衡組織（珠光體轉(zhuǎn)變）獲得接近平衡組織（珠光體轉(zhuǎn)變）（2）球化退火：）球化退火：使?jié)B碳體球化，降低硬度，改善切削使?jié)B碳體球化，降低硬度，改善切削性能，提高組織均勻性（球狀珠光體）性能，提高組織均勻性（球狀珠光體）（3）等溫退火：）等溫退火：縮短工藝周期，且組織較均勻縮短工藝周期，且組織較均勻（4）擴(kuò)散退火（均勻化退火）：）擴(kuò)散退火（均勻化退火）：消除成分偏析和枝晶消除成分偏析和枝晶（5）低溫退火（去應(yīng)力退火）：）低溫退火（去應(yīng)力退火）：消除殘余應(yīng)力消除殘余應(yīng)力（6

8、）再結(jié)晶退火：）再結(jié)晶退火：消除加工硬化，提高塑性消除加工硬化，提高塑性鋼的正火：鋼的正火：13p 定義：定義：將鋼加熱到奧氏體區(qū)保溫，使其完全奧氏體化后將鋼加熱到奧氏體區(qū)保溫，使其完全奧氏體化后在空氣中冷卻，以得到在空氣中冷卻，以得到細(xì)小珠光體組織細(xì)小珠光體組織的熱處理工藝。的熱處理工藝。p 特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）正火的冷卻速度比退火快正火的冷卻速度比退火快，過(guò)冷度較大，奧氏體，過(guò)冷度較大，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度較低，使組織中珠光體數(shù)量增多，且珠光轉(zhuǎn)變溫度較低，使組織中珠光體數(shù)量增多，且珠光體較細(xì)，因此體較細(xì)，因此強(qiáng)度和硬度較高強(qiáng)度和硬度較高。（2）正火的目的主要是細(xì)化晶粒，消除組織不均勻，正火的目的主

9、要是細(xì)化晶粒，消除組織不均勻，提高力學(xué)性能提高力學(xué)性能。（3）對(duì)于過(guò)共析鋼，正火）對(duì)于過(guò)共析鋼，正火可以消除網(wǎng)狀二次滲碳體可以消除網(wǎng)狀二次滲碳體，有利于球化退火的進(jìn)行。有利于球化退火的進(jìn)行。鋼的退火與正火比較：鋼的退火與正火比較：14退火與正火比較：退火與正火比較：（a）加熱溫度范圍；（）加熱溫度范圍；（b）碳鋼熱處理后的硬度）碳鋼熱處理后的硬度馬氏體組織：馬氏體組織：15板條馬氏體顯微組織特征示意圖板條馬氏體顯微組織特征示意圖透鏡片狀馬氏體金相組織透鏡片狀馬氏體金相組織板條馬氏體金相組織板條馬氏體金相組織透鏡片狀馬氏體示意圖透鏡片狀馬氏體示意圖馬氏體組織：馬氏體組織：16薄片狀馬氏體金相組織

10、薄片狀馬氏體金相組織蝶狀馬氏體金相組織蝶狀馬氏體金相組織Fe-Ni-C合金馬氏體形貌與合金馬氏體形貌與形成溫度、碳含量的關(guān)系形成溫度、碳含量的關(guān)系馬氏體轉(zhuǎn)變：馬氏體轉(zhuǎn)變：17p 馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特征：馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特征：（1）切變共格切變共格和表面浮凸和表面浮凸（2）無(wú)擴(kuò)散性無(wú)擴(kuò)散性（3）具有特定的位向關(guān)系和）具有特定的位向關(guān)系和慣習(xí)面慣習(xí)面（4）產(chǎn)生大量晶體缺陷，如）產(chǎn)生大量晶體缺陷，如位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)等，形位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)等，形成馬氏體亞結(jié)構(gòu)成馬氏體亞結(jié)構(gòu)（5）非恒溫性和不完全性）非恒溫性和不完全性馬氏體形成示意圖馬氏體形成示意圖p 馬氏體晶體結(jié)構(gòu)：馬氏體晶體結(jié)構(gòu)：馬氏體是碳在馬氏體是碳

11、在-Fe中的過(guò)飽和固溶體，中的過(guò)飽和固溶體，體心立方（體心立方（bcc）點(diǎn)陣畸變?yōu)轶w心正方（）點(diǎn)陣畸變?yōu)轶w心正方（bct）結(jié)構(gòu)。）結(jié)構(gòu)。馬氏體性能特點(diǎn)：馬氏體性能特點(diǎn)：18（1）鋼中馬氏體最主要的特點(diǎn)是）鋼中馬氏體最主要的特點(diǎn)是高的硬度和強(qiáng)度高的硬度和強(qiáng)度，這是由，這是由固溶強(qiáng)化、相變（亞結(jié)構(gòu)）強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化等因素引起固溶強(qiáng)化、相變（亞結(jié)構(gòu)）強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化等因素引起的。的。（2）馬氏體一般硬而脆，）馬氏體一般硬而脆，韌性很低韌性很低。（3）馬氏體相變過(guò)程中屈服強(qiáng)度顯著下降，塑性顯著增加，）馬氏體相變過(guò)程中屈服強(qiáng)度顯著下降，塑性顯著增加，這稱為這稱為相變誘發(fā)塑性相變誘發(fā)塑性。（4）鋼中馬氏體具有

12、）鋼中馬氏體具有鐵磁性鐵磁性和高的矯頑力。和高的矯頑力。（5）透鏡片狀馬氏體會(huì)產(chǎn)生）透鏡片狀馬氏體會(huì)產(chǎn)生顯微裂紋顯微裂紋，是淬火鋼開(kāi)裂的重，是淬火鋼開(kāi)裂的重要原因之一。要原因之一。鋼的淬火：鋼的淬火：19p 定義：定義：將鋼加熱保溫使其奧氏體化后，以大于臨界冷卻將鋼加熱保溫使其奧氏體化后，以大于臨界冷卻速度冷卻而速度冷卻而獲得馬氏體組織獲得馬氏體組織的熱處理工藝。的熱處理工藝。p 分類：分類：（1）單液淬火法：）單液淬火法：水淬或油淬水淬或油淬（2）雙液淬火法：）雙液淬火法：碳鋼的水淬碳鋼的水淬油冷法，合金鋼的油淬空冷油冷法，合金鋼的油淬空冷法法（3）分級(jí)淬火法：）分級(jí)淬火法：鹽浴或堿浴鹽浴或

13、堿浴淬火淬火+緩冷緩冷（4）深冷處理：）深冷處理：冷卻至冷卻至-80 -70，甚至更低溫度，甚至更低溫度淬火方法示意圖淬火方法示意圖鋼的回火：鋼的回火：20p 定義：定義：將鋼件淬火后，再加熱到將鋼件淬火后，再加熱到Ac1以下的某一溫度保以下的某一溫度保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。p 目的：目的：（1）降低脆性降低脆性，減小或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形和，減小或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形和開(kāi)裂開(kāi)裂（2）穩(wěn)定組織穩(wěn)定組織，避免工件在使用時(shí)因發(fā)生組織轉(zhuǎn)變導(dǎo)，避免工件在使用時(shí)因發(fā)生組織轉(zhuǎn)變導(dǎo)致性能、尺寸和形狀變化致性能、尺寸和形狀變化（3）調(diào)整淬火后鋼

14、件的組織，）調(diào)整淬火后鋼件的組織，獲得所需性能獲得所需性能p 組織轉(zhuǎn)變：組織轉(zhuǎn)變： 馬氏體分解，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，碳化物析出與轉(zhuǎn)變，馬氏體分解，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，碳化物析出與轉(zhuǎn)變，鐵素體回復(fù)再結(jié)晶及碳化物聚集長(zhǎng)大鐵素體回復(fù)再結(jié)晶及碳化物聚集長(zhǎng)大鋼的回火種類：鋼的回火種類：21（1）低溫回火：）低溫回火：150250，回火馬氏體回火馬氏體，降低淬火內(nèi)應(yīng)，降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，保持高硬度（一般力和脆性，保持高硬度（一般HRC5564）和耐磨性）和耐磨性（2）中溫回火：）中溫回火：350500，細(xì)粒狀滲碳體分布在針狀鐵，細(xì)粒狀滲碳體分布在針狀鐵素體基體上（素體基體上（回火托氏體回火托氏體），具有高的屈服

15、極限、彈性），具有高的屈服極限、彈性極限和較高的韌性，硬度一般為極限和較高的韌性，硬度一般為HRC3550（3）高溫回火：）高溫回火：500600，極細(xì)小的粒狀滲碳體與等軸，極細(xì)小的粒狀滲碳體與等軸狀鐵素體的混合物（狀鐵素體的混合物（回火索氏體回火索氏體），獲得強(qiáng)度、塑性、），獲得強(qiáng)度、塑性、韌性都較好的綜合力學(xué)性能，硬度一般為韌性都較好的綜合力學(xué)性能，硬度一般為HRC2535淬火淬火+高溫回火高溫回火=調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理，常作為最終熱處理。，常作為最終熱處理。淬火鋼在淬火鋼在250400之間回火會(huì)產(chǎn)生不易消除的之間回火會(huì)產(chǎn)生不易消除的低溫回火脆性低溫回火脆性，應(yīng)避免在此溫度區(qū)間回火。，應(yīng)避免在

16、此溫度區(qū)間回火。鋼的回火組織：鋼的回火組織：22回火馬氏體組織回火馬氏體組織回火托氏體組織回火托氏體組織回火索氏體組織回火索氏體組織貝氏體組織：貝氏體組織：23上貝氏體組織（上貝氏體組織（a）及示意圖（及示意圖（b）下貝氏體組織（下貝氏體組織（a）及示意圖（及示意圖（b）粒狀貝氏體組織粒狀貝氏體組織無(wú)碳化物貝氏體組織無(wú)碳化物貝氏體組織羽毛狀羽毛狀黑針狀黑針狀貝氏體轉(zhuǎn)變：貝氏體轉(zhuǎn)變：24p 定義：定義：鋼經(jīng)奧氏體化后鋼經(jīng)奧氏體化后過(guò)冷到珠光體相變與馬氏體相變之過(guò)冷到珠光體相變與馬氏體相變之間的中溫區(qū)間的中溫區(qū)時(shí)，將發(fā)生貝氏體相變，亦稱為時(shí)，將發(fā)生貝氏體相變，亦稱為中溫轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變。在。在此溫度范

17、圍內(nèi)，鐵原子已難以擴(kuò)散，而碳原子尚能擴(kuò)散，此溫度范圍內(nèi)，鐵原子已難以擴(kuò)散，而碳原子尚能擴(kuò)散，其相變產(chǎn)物一般為其相變產(chǎn)物一般為鐵素體基體加滲碳體的非層狀組織鐵素體基體加滲碳體的非層狀組織。p 特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)變有上、下限溫度）轉(zhuǎn)變有上、下限溫度（2）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為非層片狀）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為非層片狀（3）轉(zhuǎn)變通過(guò)形核和長(zhǎng)大方式進(jìn)行）轉(zhuǎn)變通過(guò)形核和長(zhǎng)大方式進(jìn)行（4）轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散性相變（碳原子的擴(kuò)散）轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散性相變（碳原子的擴(kuò)散）（5）存在表面浮凸，貝氏體中的鐵素體與母相奧氏體之）存在表面浮凸，貝氏體中的鐵素體與母相奧氏體之間存在一定的慣習(xí)面和位向關(guān)系間存在一定的慣習(xí)面和位向關(guān)系貝氏體轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出從擴(kuò)散貝氏體

18、轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出從擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）到性轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）到無(wú)擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)無(wú)擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的過(guò)渡性和交叉性！變）的過(guò)渡性和交叉性！貝氏體的形成：貝氏體的形成：25（1）上貝氏體：）上貝氏體：在較高溫度區(qū)域形成，在較高溫度區(qū)域形成，350550（2）下貝氏體：）下貝氏體：在較低溫度區(qū)域形成，在較低溫度區(qū)域形成，Ms350（3）粒狀貝氏體：）粒狀貝氏體：以一定速度連續(xù)冷卻或在上貝氏體相變以一定速度連續(xù)冷卻或在上貝氏體相變區(qū)高溫范圍內(nèi)等溫保溫可形成區(qū)高溫范圍內(nèi)等溫保溫可形成（4）無(wú)碳化物貝氏體：）無(wú)碳化物貝氏體：一般形成于低碳鋼，在貝氏體相變一般形成于低碳鋼，在貝氏體相變區(qū)最高溫度

19、范圍內(nèi)形成區(qū)最高溫度范圍內(nèi)形成鋼的等溫淬火：鋼的等溫淬火： 將加熱工件在稍高于將加熱工件在稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫點(diǎn)的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠的時(shí)間，而獲得足夠的時(shí)間，而獲得下貝氏體下貝氏體的淬火方法。的淬火方法。貝氏體的力學(xué)性能：貝氏體的力學(xué)性能：26（1）貝氏體的強(qiáng)度和硬度隨形成溫度的降低而提高，故）貝氏體的強(qiáng)度和硬度隨形成溫度的降低而提高，故下下貝氏體強(qiáng)度高于上貝氏體貝氏體強(qiáng)度高于上貝氏體。（2）下貝氏體的沖擊韌性優(yōu)于上貝氏體下貝氏體的沖擊韌性優(yōu)于上貝氏體；在較高強(qiáng)度水平；在較高強(qiáng)度水平下，強(qiáng)度相同時(shí)下，強(qiáng)度相同時(shí)下貝氏體的韌性往往高于調(diào)質(zhì)鋼下貝氏體的韌性往往高于調(diào)質(zhì)鋼。（

20、3）同一種鋼在熱處理獲得相同硬度后，獲得的貝氏體組）同一種鋼在熱處理獲得相同硬度后，獲得的貝氏體組織較淬火回火組織具有織較淬火回火組織具有更高的疲勞性能更高的疲勞性能。合金元素的影響：合金元素的影響：27鐵基二元合金相圖的類型鐵基二元合金相圖的類型（a）無(wú)限擴(kuò)大）無(wú)限擴(kuò)大相區(qū)：相區(qū)：Ni、Mn（b）有限擴(kuò)大）有限擴(kuò)大相區(qū)：相區(qū)：C、N、Cu、Zn、Au（c）封閉）封閉相區(qū)、擴(kuò)大相區(qū)、擴(kuò)大相區(qū)：相區(qū)：Si、Al、Ti、V、Mo、W、Cr（d）縮小）縮小相區(qū)：相區(qū)：B、Nb、Zr、Ta合金元素的影響：合金元素的影響：28合金元素對(duì)共析成分的影響合金元素對(duì)共析成分的影響合金元素對(duì)共析合金元素對(duì)共析溫度溫度 的影響的影響合金元素的影響：合金元素的影響：29含碳量對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響含碳量對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響（保溫時(shí)間均為（保溫時(shí)間均為3h）合金元素的影響：合金元素的影響：30含碳量對(duì)含碳量對(duì)C曲線形狀和位置的影響曲線形狀和位置的影響（a）亞共