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-fe3.2 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(wú)實(shí)用價(jià)值。已無(wú)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 fe fe、 -fe (fcc) -fe (fcc) 和和-fe (bcc) -fe (bcc) （912） （1394 ） - 強(qiáng)度、硬度低，韌性、

3、塑性好。強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑性好。 fe fe3 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中的固溶體稱(chēng)中的固溶體稱(chēng) -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(chēng)中的固溶體稱(chēng)鐵素鐵素體體, 用

4、用f 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(chēng)中的固溶體稱(chēng)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(wú)奧氏體。碳鋼室溫組織中無(wú)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) fe-fe(2) fe-fe3 3 c c相圖的相相圖的相 fe fe3 3 c c （ cemcem， cmcm，滲碳體），滲碳體） 復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)復(fù)

6、雜晶體結(jié)構(gòu) 液相液相 l l 相相 （高溫鐵素體（高溫鐵素體 ） fe fe（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(xiàn)相圖中重要的點(diǎn)和線(xiàn)液相線(xiàn)液相線(xiàn) abcd固相線(xiàn)固相線(xiàn) ahjecf包晶線(xiàn)包晶線(xiàn) hjb，包晶點(diǎn) j 共晶線(xiàn)共晶線(xiàn) 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,le,le或或ldld共析線(xiàn)共析線(xiàn) ps

7、k，共析點(diǎn)共析點(diǎn)sa a0.770.77( (f f0.020.02+ +fefe3 3c c) )珠光體珠光體, p, peses線(xiàn)線(xiàn)：c c在在a a中的固溶線(xiàn)中的固溶線(xiàn)pqpq線(xiàn)線(xiàn)：c c在在f f中的固溶線(xiàn)中的固溶線(xiàn)gsgs線(xiàn)線(xiàn)：a3a3線(xiàn)線(xiàn)第三節(jié)鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程第三節(jié)鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程fe-c 合金分類(lèi)合金分類(lèi)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(guò)共析鋼過(guò)共析鋼 0.77 %0.

8、77 %白口鑄鐵白口鑄鐵 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(guò)共晶白口鐵過(guò)共晶白口鐵 4.3 %4.3 %類(lèi)型類(lèi)型亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼過(guò)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(jiàn)常見(jiàn)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(guò)程結(jié)晶過(guò)程室溫組織室溫組織f f + + fefe3 3c c (微量)500500

9、(2)(2)共析鋼共析鋼 ( c % = 0.77 % )結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)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(guò)程結(jié)晶過(guò)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

10、 0.0218 ) / ( 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(guò)共析鋼過(guò)共析鋼 ( c % = 1.2 % )結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程室溫組織室溫組織: :p p + + fefe3c cii 400400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

11、共晶白口鐵 ( c % = 4.3 % )( c % = 4.3 % )結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)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 ）, , 500500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 % = 3 % )( c % = 3 % )結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程室溫組織室溫組織: :lele+ + p p + + fefe3c cii 200200(7)(7)過(guò)共晶白口鐵過(guò)共晶白口鐵 ( c % = 3 % )( c % = 3 % )結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程

12、室溫組織室溫組織: :lele+ + fefe3c ci 500500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 %，fefe3 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（）和

13、（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，fe3c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fe3

14、c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(kāi)裂能引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開(kāi)裂 ( ( 熱裂熱裂 ) )。3.氣體元素氣體元素: n：鋼中過(guò)飽和：鋼中過(guò)飽和n在常溫放置過(guò)程中會(huì)在常溫放置過(guò)程中會(huì)發(fā)生發(fā)生時(shí)效脆化時(shí)效脆化。加。加ti、

15、v、al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(guò)飽和氫時(shí)將降低韌性：原子態(tài)的過(guò)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(chēng)，稱(chēng)白點(diǎn)白點(diǎn)或或發(fā)裂發(fā)裂。鋼中白點(diǎn)鋼中白點(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

16、的過(guò)冷度及于冷模壁產(chǎn)生很大的過(guò)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(guò)冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，前沿液體的過(guò)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

17、，導(dǎo)致柱狀晶生長(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。可通過(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來(lái)進(jìn)行控制?？赏ㄟ^(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來(lái)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(lèi)型較鑄造缺陷的類(lèi)型較多，常見(jiàn)的有多，常見(jiàn)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(chēng)為分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)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，