機械工程材料課件(西安交大)2

1、第二章碳鋼本章主要內(nèi)容碳鋼的分類和牌號純鐵的結(jié)晶和晶體結(jié)構(gòu)鐵碳合金中的相和組織組成物Fe-Fe3C相圖雜質(zhì)元素對鋼性能的影響(yngxing)壓力加工對鋼組織和性能的影響共五十四頁第一節(jié) 純鐵的組織(zzh)和性能問 題什么是過冷現(xiàn)象和過冷度？什么是晶體和晶體結(jié)構(gòu)？什么是晶體缺陷？可分為幾類？對晶體的性能有哪些(nxi)影響？純鐵的同素異構(gòu)體有哪些？具有哪種的晶體結(jié)構(gòu)？共五十四頁一、純鐵的結(jié)晶(jijng)結(jié)晶(jijng)：晶體由液態(tài)變成固態(tài)的過程。2 過冷現(xiàn)象和過冷度過冷度：理論結(jié)晶溫度和實際開始結(jié)晶溫度之差。共五十四頁結(jié)晶(jijng)過程(a)(b)(c)(d)(e)(f)形成晶核晶核

2、長大全部結(jié)晶3結(jié)晶過程：形成(xngchng)晶核和晶核長大共五十四頁二、晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：原子、分子或者(huzh)離子在空間的具體排列稱為晶體結(jié)構(gòu)。2 如何研究晶體結(jié)構(gòu)？晶體原子 點 點陣 晶格 晶胞晶體(jngt)結(jié)構(gòu)晶胞參數(shù)晶胞：構(gòu)成晶格的最基本的單元。共五十四頁3金屬(jnsh)中常見的晶體結(jié)構(gòu)類型 體心(t xn)立方(BCC）面心立方（FCC）密排六方（HCP)鐵（-Fe）,鎢(W) ,鉻（Cr）,鉬（Mo）,釩（V)等a=b=c,=90鋁(Al)、銅(Cu)、 銀(Ag)、金(Au)、鎳(Ni)、鉛(Pb)鐵（Fe)等a=b=c,=90鈦（Ti）、鋯（Zr、鎂（Mg)、鋅（Zn

3、）等a=bc,=90 =120晶體結(jié)構(gòu)與材料性能： （一般規(guī)律）面心立方的金屬塑性最好，體心立方次之，密排六方的金屬較差。體心立方 bcc面心立方 fcc密排六方 hcp共五十四頁4純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(zhunbin)1394Cg-Fe面心立方a-Fe體心立方d-Fe體心立方912C三、晶體缺陷1晶體缺陷：實際晶體中排列(pili)不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。分類（按空間尺寸分）點缺陷：不規(guī)則區(qū)域在空間三個方向上的尺寸都很小，例如空位、置換原子、間隙原子。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同一種元素在固態(tài)下由于溫度變化而發(fā)生的晶體結(jié)構(gòu)的變化。共五十四頁線缺陷：不規(guī)則區(qū)域(qy)在一個方向的尺寸很大，在另外兩個方向的

4、尺寸都很小, 例如位錯。鈦合金中的位錯線刃位錯空位空位置換原子置換原子間隙原子間隙原子共五十四頁 面缺陷：不規(guī)則區(qū)域在兩個(lin )方向的尺寸很大，在另外一個方向的尺寸很小，例如晶界、亞晶界。工業(yè)純鐵的晶界晶界亞晶界ABCD共五十四頁3 晶體(jngt)缺陷對晶體(jngt)性能的影響位錯密度(md)很低或者很高時，晶體的強度比較高。點缺陷點缺陷周圍晶格發(fā)生畸變，材料的屈服強度提高，塑性韌性下降，電阻增加。線缺陷附近的晶格畸變，對強度影響顯著。強度的變化與位錯密度有關。強度位錯密度共五十四頁面缺陷(quxin)：晶格發(fā)生畸變，晶界增多能顯著提高材料的強度，也可提高材料的塑性和韌性，但是容易發(fā)

5、生高溫氧化，耐腐蝕性能降低。細晶強化：通過細化晶粒而使材料強度提高的方法稱為細晶強化。強化材料的方法之一組織：室溫下退火態(tài)的組織由等軸晶粒組成。性能：強度低，塑性、韌性(rn xn)好。（性能隨晶粒尺寸的改變而改變，晶粒越小，純鐵的強度越高，塑性、韌性(rn xn)越好。）應用：作為功能材料使用，如變壓器的鐵芯等。四、工業(yè)純鐵的組織、性能和應用細晶強化共五十四頁晶粒度級別晶粒度級別越高，晶粒越細。工業(yè)中常用的細晶粒是7-8級，晶粒尺寸為0.022mm共五十四頁第二節(jié) 鐵碳合金(hjn)中的相和組織組成物鐵和碳的相互作用表現(xiàn)在哪些方面？什么是固溶體？分為(fn wi)哪幾類？什么是固溶強化和細晶

6、強化？鐵碳合金中的相和組織組成物有哪些？共五十四頁一、鐵和碳的相互作用鐵和碳的相互作用表現(xiàn)(bioxin)為兩方面鐵和碳形成固溶體（1）固溶體：就是固體溶液，是溶質(zhì)原子溶入溶劑中所形成的晶體，保持(boch)溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)。形成固溶體 形成化合物（2）固溶體的分類：置換固溶體間隙固溶體共五十四頁置換固溶體：溶質(zhì)原子(yunz)和溶劑原子尺寸相差較小，形成固溶體時溶質(zhì)原子替換了溶劑晶格中的一部分原子，就形成了置換固溶體。如：Fe與Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置換固溶體間隙(jin x)固溶體：溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑相差較大，溶質(zhì)原子處于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的間隙位置上，則形成間隙

7、固溶體。 例如：Fe 與 C ,N ,O ,H 形成間隙固溶體 置換固溶體間隙固溶體溶劑原子溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子AB共五十四頁（3）鐵與碳形成(xngchng)的固溶體 （4）固溶體的性能(xngnng)與基體金屬相比，強度硬度增加，塑性韌性降低，電阻、矯頑力增加。鐵素體：碳溶于a鐵中形成的固溶體稱為鐵素體，用a或者F表示。奧氏體：碳溶于g鐵中形成的固溶體稱為奧氏體，用g或者A表示。固溶強化：通過溶入某種合金元素形成固溶體而使材料強度增加的現(xiàn)象稱為固溶強化。強化材料的方法之一共五十四頁2 鐵與碳形成(xngchng)化合物（加入較多的碳）（1）鐵與碳形成的化合物：滲碳體（Fe3C)（2）化

8、合物的性能特點：晶體結(jié)構(gòu)和性能不同于其組成元素，晶體結(jié)構(gòu)復雜，熔點高、硬而脆。（3）對合金性能的影響滲碳體能提高(t go)合金的硬度、耐磨性，會降低合金的塑性和韌性。 以層片狀或者球形均勻分布在組織中，能提高合金的強度； 以連續(xù)網(wǎng)狀、粗大的片狀或者作為基體出現(xiàn)時，急劇降低材料的強度、塑性韌性。共五十四頁二、鐵碳合金(hjn)中的相和組織組成物相：指系統(tǒng)中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學成分、同一結(jié)構(gòu)(jigu)并以界面相互隔開的均勻組成部分。組織組成物：指的是構(gòu)成顯微組織的獨立部分，可以是單相，也可一是兩相或者多相混合物。鐵碳合金中的相有：鐵素體、奧氏體和滲碳體鐵碳合金中的組織組成物：鐵素體、奧氏

9、體、滲碳體、珠光體和萊氏體。鐵素體珠光體共五十四頁第三節(jié) Fe-Fe3C相圖(xin t)需要掌握知識點Fe-Fe3C相圖中重要的點、線和相區(qū)。Fe-Fe3C相圖中的重要轉(zhuǎn)變及產(chǎn)物。應用Fe-Fe3C相圖分析典型成分(chng fn)鐵碳合金的結(jié)晶過程。分析室溫下得到的相和組織組成物。會用杠桿定律計算室溫下相和組織組成物的質(zhì)量分數(shù)。碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響。共五十四頁一、基本概念相圖：表示合金在緩慢冷卻的平衡狀態(tài)下相或者組織與溫度、成分間關系的圖形，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖的分類（根據(jù)組元數(shù)量分）二元相圖（兩個組元配成的合金體系(tx)）三元相圖（三個組元配成的合金體系）3 相圖的建立

10、：實驗測定不同成分合金的轉(zhuǎn)變溫度，將所有(suyu)的開始轉(zhuǎn)變點連接起來，將所有(suyu)的轉(zhuǎn)變結(jié)束點連接起來。液相線固相線共五十四頁二、Fe-Fe3C相圖(xin t)相圖中的點（14個）（1）組元的熔點(rngdin)： A (0, 1538) 鐵的熔點D (6.69, 1227) Fe3C的熔點（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點N（0，1394）d-Fe gFeG（0，912） gFe a -Fe （3）碳在鐵中最大溶解度點 P（0.218，727）碳在a -Fe 中的最大溶解度 E（2.11，1148）碳在 g -Fe 中的最大溶解度 H (0.09，1495）碳在 d-Fe中的最大溶解度 Q（0

11、.0008，RT）室溫下碳在a -Fe 中的溶解度Fe-Fe3C相圖共五十四頁三相共存(gngcn)點S（共析點）（g a Fe3C）C（共晶點）（ gL Fe3C） J（包晶點）（ d gL ）相圖中的線液相線():結(jié)晶時液相的成分，在其上體系為液相固相線（）：結(jié)晶時固相的成分，其下為固相。Fe-Fe3C相圖(xin t)（5）其它點B（0.53，1495）發(fā)生包晶反應時液相的成分F（6.69,1148) 滲碳體 K (6.69,727) 滲碳體共五十四頁表示(biosh)恒溫轉(zhuǎn)變的線：HJB 包晶轉(zhuǎn)變 ECF 共晶轉(zhuǎn)變 PSK 共析轉(zhuǎn)變相圖(xin t)中的相區(qū)單相區(qū)（4個1個） L、a、

12、g、d （ Fe3C） 兩相區(qū)（7個）L + d, L + Fe3C，L + g , d + g , g + a g + Fe3C ,a + Fe3 固溶度線： ES碳在奧氏體中的最大溶解度隨溫度的變化線 （溫度，最大溶解度 ）；（0.77%-2.11%） PQ ：碳在鐵素體中的最大溶解度隨溫度的變化線 （溫度 ，最大溶解度 ） (0.0008%0.0218%) 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線：NH 和 NJ，GS 和 GP共五十四頁（1）勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單一(dny)固相的轉(zhuǎn)變，屬于非恒溫轉(zhuǎn)變。4 Fe-Fe3C相圖(xin t)中的轉(zhuǎn)變強調(diào)！ 根據(jù)相圖規(guī)則，兩個單相區(qū)之間必然夾一個兩相區(qū)，兩相區(qū)

13、的兩個相就由這兩個單相區(qū)的相組成。L g : 由液相中直接結(jié)晶出g相。（合金的成分線和BC線相交，即含碳量Wc：0.53% 4.3%L Fe3C : 由液相中直接結(jié)晶出Fe3C相。（合金的成分線和CD線相交，即含碳量Wc：4.3%6.69%L d : 由液相中直接結(jié)晶出d相。（合金的成分線和AB線相交，即含碳量Wc：00.53%）過合金的成分點作垂直于橫坐標的直線，稱為成分線共五十四頁（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(zhunbin) d (b.c.c) g(f.c.c)NH （開始線） NJ（結(jié)束線）g (f.c.c) a (b.c.c)GS（開始線） GP（結(jié)束線）鐵與碳形成固溶體之間的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（3

14、）析出(xch)轉(zhuǎn)變：從一個固相中析出(xch)另一個固相的轉(zhuǎn)變。溫度降低，C在Fe中的溶解度也降低，合金的含碳量就超過溶解度，多余的碳就以Fe3C析出。gFe3CII （二次滲碳體）析出aFe3CIII （三次滲碳體）析出二次滲碳體多以網(wǎng)狀形式析出，損害材料的強度、塑性韌性共五十四頁（4）恒溫(hngwn)轉(zhuǎn)變 1）包晶轉(zhuǎn)變 HJB 線 dH0.09LB0.53gJ0.17+1495C 含義：由一定成分的液相和一定成分的固相生成(shn chn)另一個一定成分新固相地反應-包晶轉(zhuǎn)換反應。（具有J點成分的鐵-碳合金冷卻至14950C，體系中的液相和d相在轉(zhuǎn)變過程中恰好全部消耗完，得到單一的gJ

15、 相。 ） 發(fā)生包晶反應的合金成分： C%：0.09%-0.53% 即合金的成分線與HJB線相交； 產(chǎn)物：單相奧氏體（ gJ ） 包晶點 （J點）：（0.17，1495） Ldg共五十四頁2）共晶(n jn)轉(zhuǎn)變含義：由一定成分(chng fn)的液相在恒溫下同時轉(zhuǎn)變成兩個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變。（ Fe- Fe3C系：由C點成分的液相在11480C下同時生成具有E點成分的g 相和Fe3C。 ）發(fā)生共晶反應的成分范圍：Wc ：2.11 %6.69% (合金成分線與ECF線相交) 產(chǎn)物：gE和Fe3C兩相混合物，稱為萊氏體。用Ld表示。 （Fe3C為基體； gE 呈粒狀或桿狀分布在基體上）共晶點C

16、 (4.3,1148) gE2.11Lc4.3Fe3C6.69+1148CgEFe3C萊氏體共五十四頁3）共析轉(zhuǎn)變(zhunbin)含義：在恒溫下由一個固定成分的固相同時生成兩個固定成分的新固相的轉(zhuǎn)變。 (在FeFe3C體系中，在7270C下由S點成分的g相同是生成P點成分的a相和Fe3C；產(chǎn)物： a相和Fe3C的兩相混合物，以層片形式混合，稱為珠光體，用P表示。合金范圍： Wc: 0.0218 %6.69%(合金成分線與PSK線相交)S點:共析點，（0.77，727） (具有(jyu)S點成分的FeC合金冷卻至7270C時，合金全部發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體。) aP0.0218gs0.77F

17、e3C6.69+727C珠光體共五十四頁5 典型鐵碳合金結(jié)晶(jijng)過程分析方法和步驟在相圖的橫坐標上找出給定的成分點，過該點作成分線；在成分線與相圖的各條線的交點作標記（一般用1、2、3、4等）根據(jù)每條線表示的轉(zhuǎn)變，寫出每兩個點之間或者重要點上發(fā)生的轉(zhuǎn)變；由液相分析至室溫。室溫下該成分線所在的相區(qū)，合金室溫下就具有那個(n ge)相。組織組成物則取決于冷卻過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變。共五十四頁6 幾種(j zhn)典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析1 Wc0.77%的鐵碳合金的結(jié)晶(jijng)過程成分線如線（1）所示，成分線與相圖中的各條線的交點記作1, 2, 3T T1T1TT2T3 TT2T T3

18、共五十四頁室溫下的相：a+Fe3C組織(zzh)組成物：P(珠光體）（100）形貌： a和Fe3C層片狀混合物問 題？已知：合金的總質(zhì)量為1，含碳量為0.77%。室溫下由a和Fe3C兩相組成(z chn)，其中a中含碳量為0.0008%, Fe3C中含碳量為6.69%.求：合金室溫下a相的質(zhì)量分數(shù)M a和Fe3C質(zhì)量分數(shù)M Fe3C。（寫出表達式即可）？珠光體共五十四頁 杠桿定律用來計算二元相圖中兩相平衡狀態(tài)下平衡相的相對(xingdu)質(zhì)量。杠桿的支點是兩個相的平均質(zhì)量分數(shù)（合金的成分點），端點分別是兩個相的成分點。a相的質(zhì)量分數(shù)Fe3C相的質(zhì)量分數(shù)aFe3CA(0.0008)B(6.69)

19、0.77C共五十四頁Wc=0.6%的鐵碳合金（見相圖(xin t)中的成分線（2）成分線與相圖(xin t)上各條線的交點記做1,2,3,4T1T2T2T3T3T4TT1T1T2T2T3T3T4TT4TT1：開始結(jié)晶，T=T2:晶界過程(guchng)結(jié)束，體系為固相 T3T4：開始從g相中析出Fe3CII, 沿g相中晶界分布，成網(wǎng)狀。TT4：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變， gs 全部轉(zhuǎn)變成珠光體。T12鋼的組織共五十四頁1234共五十四頁共晶(n jn)白口鑄鐵室溫下的組織組成物： 萊氏體過共晶(n jn)白口鑄鐵室溫組織組成物：一次滲碳體萊氏體亞共晶白口鑄鐵室溫組織組成物：珠光體二次滲碳體萊氏體4 Wc=

20、4.3%鐵碳合金的結(jié)晶過程分析5 Wc=3.0%鐵碳合金的結(jié)晶過程分析6 Wc=5.0%鐵碳合金的結(jié)晶過程分析室溫萊氏體亞共晶白口鑄鐵室溫下的組織形貌過共晶白口鑄鐵室溫組織形貌共五十四頁四、碳對鐵碳合金平衡(pnghng)組織和力學性能的影響1 鐵碳合金按碳的質(zhì)量分數(shù)和平衡(pnghng)組織的分類白口鑄鐵工業(yè)純鐵Wc0.0218%組織：鐵素體和少量三次滲碳體鋼亞共析鋼（Wc0.77%)組織：鐵素體和珠光體組織：珠光體和二次滲碳體組織：珠光體亞共晶白口鑄鐵 (Wc2.11%) 組織：珠光體二次滲碳體 萊氏體共晶白口鑄鐵 (Wc4.3%) 組織：萊氏體過共晶白口鑄鐵 (Wc4.3%)組織：一次滲

21、碳體萊氏體共五十四頁2 碳對合金平衡(pnghng)組織的影響（ Fe3C的形態(tài))F+Fe3CIIIFe3C位于晶界，細小的薄片F(xiàn)+PFe3C呈層片狀與鐵素體片混合（相間 ）P Fe3CIIP Fe3C呈層片狀與鐵素體片混合（相間 ）Fe3C呈層片狀與鐵素體片混合（相間 ）還有一部分Fe3C沿晶界分布呈連續(xù)網(wǎng)狀PFe3CIILdFe3C呈層片狀與鐵素體片混合（相間 ）Fe3C作為萊氏體的基體LdFe3C作為萊氏體的基體Ld +Fe3CI Fe3C為粗大長片狀 Fe3C作為萊氏體的基體含碳量逐漸增加共五十四頁3 含碳量對力學性能的影響(yngxing)（1）含碳量增加(zngji)，硬度增加(z

22、ngji)（2）含碳量增加，塑性韌性降低（3）含碳量增加，強度先增后降（0.9%最高）鐵素體(F)：軟而韌滲碳體(Fe3C):硬而脆共五十四頁四 FeFe3C相圖(xin t)的應用1 為選材提供成分(chng fn)依據(jù)。 2 為制定熱加工工藝提供依據(jù)。（1）制定熱處理工藝的依據(jù) （2）為制定熱加工工藝提供依據(jù)，包括鑄造、鍛造、焊接、熱處理）共五十四頁第四節(jié) 鋼中雜質(zhì)元素(yun s)對鋼性能的影響鋼的性能與含碳量有關；還受鋼中雜質(zhì)元素的影響。了解(lioji)鋼中的合金元素及其對性能的影響。共五十四頁一、硅和錳溶入鐵素體中，產(chǎn)生固溶強化作用，提高鋼的強度和硬度少量的硅和錳有利Si形成SiO

23、2, Mn形成MnS，形成夾雜物，降低鋼的性能較多的硅和錳有害鋼中規(guī)定(gudng)：WSi 0.5%， WMn 0.8% 二、硫和磷硫：引起(ynq)熱脆；磷：引起冷脆 硫磷降低鋼的焊接性能共五十四頁2 適當增加硫、磷含量(hnling)，可提高鋼的切削加工性能； 磷可增加鋼在大氣中的耐腐蝕性能三、鋼中氣體對鋼的作用(zuyng)氫：引起氫脆。在鋼中產(chǎn)生裂紋，降低鋼的塑性韌性；容易在焊縫處產(chǎn)生裂紋。2 氮：引起應變時效，增加鋼的脆性；(不利） 鋼中有Al、V、Ti 、Nb時，氮可細化晶粒，提高鋼的強度；氮也可提高鋼的耐熱性能。(有利）共五十四頁第六節(jié) 壓力加工對鋼組織(zzh)和性能的影響

24、知識要點（1）壓力加工的分類；冷加工和熱加工的定義。（2）冷加工對金屬組織和性能(xngnng)的影響。（加工硬化）（3）冷變形組織加熱過程中組織和性能的變化。 （三個階段）（4）去應力退火和再結(jié)晶退火的應用。共五十四頁一 基本概念1 壓力加工： 金屬材料在外力作用下發(fā)生的一種塑性變形過程。（工業(yè)生產(chǎn)上將鋼錠鍛造、擠壓、軋制、拉拔成各種型鋼、鋼板、鋼管或者鋼絲等規(guī)定尺寸(ch cun)和形狀的零件和產(chǎn)品的過程。）2 壓力加工的目的（1）獲得規(guī)定形狀和尺寸的零件和產(chǎn)品（2）改變鋼的組織和性能3 壓力加工的分類冷(壓力)加工（T T再）按加工溫度是否高于再結(jié)晶溫度共五十四頁二 冷加工對組織(zzh

25、)和性能的影響1 冷加工對金屬材料微觀組織(zzh)的影響（1）隨著應變量的增加，晶粒被拉長或者壓扁，呈細條狀或者纖維狀；（2）晶粒破碎，晶格扭曲，位錯密度急劇增加。晶粒被拉長或者壓扁晶粒被拉長或者壓扁成為細條狀組織和纖維組織，等軸晶粒未變形原始晶粒輕微變形的滑移線拉長或壓扁的晶粒細條狀組織和纖維組織共五十四頁2 冷加工對性能(xngnng)的影響（1）力學性能: 隨變形量增加(zngji)，強度、硬度增加，塑性韌性降低。加工硬化：把金屬材料經(jīng)過冷變形后，隨變形度增加強度、硬度增加，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。強化材料的方法之一（2）物理化學性能: 電阻增加，抗腐蝕性能降低。（3）大變形量形成的織構(gòu)帶來各向異性。（4）產(chǎn)生殘余應力，使零件尺寸不穩(wěn)定；殘余壓應力可提高疲勞強度，殘余拉應力降低腐蝕性能?！凹庸び不笔菑娀饘俨牧系囊环N手段，尤其是對那些不能用熱處理方法強化的金屬。 制耳現(xiàn)象共五十四頁三 冷變形鋼在加熱(ji r)過程中組織和性能的變化隨著加熱(ji r)溫度的升高冷變形鋼經(jīng)歷三個階段：回復、再結(jié)晶、晶粒長大。 1 回復階段：基本上保持加工硬化效果 。（1）顯微組織形貌保持不變；（2）強度硬度略有降低， 內(nèi)應力明顯下降；（3）原