第4章-鋼鐵材料

金屬材料導(dǎo)論材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料科學(xué)與工程系王剛

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電子信箱：msgwang@2課程目錄第一章緒論第二章金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能第三章金屬材料的制備與加工第四章鋼鐵材料第五章有色金屬材料第六章金屬功能材料第七章新型金屬材料及技術(shù)34.1鋼的合金化基礎(chǔ)4.2構(gòu)件用鋼4.3機(jī)器零件用鋼4.4工具鋼4.5不銹鋼4.6耐熱鋼4.7鑄鐵第四章鋼鐵材料44.1鋼的合金化基礎(chǔ)FeC+合金元素：Si、Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B等鋼鐵材料雜質(zhì)元素：S、P、N、O、H等純Fe的冷卻曲線：5Fe-C相圖：61148℃4.32.11727℃0.770.0218奧氏體，A或γ鐵素體，F(xiàn)或α滲碳體，F(xiàn)e3C或Cm包晶反應(yīng)：L+δ→γ1495℃共晶反應(yīng)：L→γ+Fe3C共析反應(yīng)：γ→α+Fe3C0.17（萊式體，Ld）（珠光體，P）GS線：又稱A3線，冷卻過程中由奧氏體析出鐵素體的開始線ES線：又叫Acm線，碳在奧氏體中的溶解度曲線PQ線：碳在鐵素體中的溶解度曲線工業(yè)純鐵碳鋼鑄鐵Fe-C相圖相變線：7A1：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始線。Acm：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。Ac3：加熱時(shí)奧氏體析出鐵素體的開始線。Accm：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。Ar3：冷卻時(shí)奧氏體析出鐵素體的開始線。Arcm：冷卻時(shí)碳在奧氏體中的溶解度曲線。高于平衡臨界點(diǎn)低于平衡臨界點(diǎn)奧氏體組織：8共析碳鋼中珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的過程示意圖碳在γ-Fe中可能的間隙位置奧氏體金相組織珠光體組織：9片狀珠光體及珠光體團(tuán)示意圖片狀珠光體轉(zhuǎn)變過程示意圖珠光體金相組織過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線：10共析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT圖或C曲線）C曲線鼻尖處孕育期最短，過冷奧氏體穩(wěn)定性最差。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變類型：（1）鼻尖以上的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)：珠光體型轉(zhuǎn)變（2）鼻尖至Ms之間中溫轉(zhuǎn)變區(qū)：貝氏體型轉(zhuǎn)變（3）Ms以下的低溫轉(zhuǎn)變區(qū)：馬氏體型轉(zhuǎn)變過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線：11共析碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT圖）（1）任何一種鋼的CCT曲線都在其C曲線的右下方（連續(xù)冷卻時(shí)孕育期更長）。（2）共析鋼的CCT曲線只有高溫的珠光體和低溫的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，沒有中溫的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。（3）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)變均可有可無或兼而有之，取決于合金元素種類與含量。鋼的退火：12定義：將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋?jīng)過保溫后緩慢冷卻，以降低硬度、改善組織、提高加工性的熱處理工藝。分類：（1）完全退火：獲得接近平衡組織（珠光體轉(zhuǎn)變）（2）球化退火：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）（3）等溫退火：縮短工藝周期，且組織較均勻（4）擴(kuò)散退火（均勻化退火）：消除成分偏析和枝晶（5）低溫退火（去應(yīng)力退火）：消除殘余應(yīng)力（6）再結(jié)晶退火：消除加工硬化，提高塑性鋼的正火：13定義：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，以得到細(xì)小珠光體組織的熱處理工藝。特點(diǎn)：（1）正火的冷卻速度比退火快，過冷度較大，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度較低，使組織中珠光體數(shù)量增多，且珠光體較細(xì)，因此強(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，提高力學(xué)性能。（3）對于過共析鋼，正火可以消除網(wǎng)狀二次滲碳體，有利于球化退火的進(jìn)行。鋼的退火與正火比較：14退火與正火比較：（a）加熱溫度范圍；（b）碳鋼熱處理后的硬度馬氏體組織：15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板條馬氏體金相組織透鏡片狀馬氏體示意圖馬氏體組織：16薄片狀馬氏體金相組織蝶狀馬氏體金相組織Fe-Ni-C合金馬氏體形貌與形成溫度、碳含量的關(guān)系馬氏體轉(zhuǎn)變：17馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特征：（1）切變共格和表面浮凸（2）無擴(kuò)散性（3）具有特定的位向關(guān)系和慣習(xí)面（4）產(chǎn)生大量晶體缺陷，如位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)等，形成馬氏體亞結(jié)構(gòu)（5）非恒溫性和不完全性馬氏體形成示意圖馬氏體晶體結(jié)構(gòu)：馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，體心立方（bcc）點(diǎn)陣畸變?yōu)轶w心正方（bct）結(jié)構(gòu)。馬氏體性能特點(diǎn)：18（1）鋼中馬氏體最主要的特點(diǎn)是高的硬度和強(qiáng)度，這是由固溶強(qiáng)化、相變（亞結(jié)構(gòu)）強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化等因素引起的。（2）馬氏體一般硬而脆，韌性很低。（3）馬氏體相變過程中屈服強(qiáng)度顯著下降，塑性顯著增加，這稱為相變誘發(fā)塑性。（4）鋼中馬氏體具有鐵磁性和高的矯頑力。（5）透鏡片狀馬氏體會產(chǎn)生顯微裂紋，是淬火鋼開裂的重要原因之一。鋼的淬火：19定義：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獲得馬氏體組織的熱處理工藝。分類：（1）單液淬火法：水淬或油淬（2）雙液淬火法：碳鋼的水淬油冷法，合金鋼的油淬空冷法（3）分級淬火法：鹽浴或堿浴淬火+緩冷（4）深冷處理：冷卻至-80℃~-70℃，甚至更低溫度淬火方法示意圖鋼的回火：20定義：將鋼件淬火后，再加熱到Ac1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。目的：（1）降低脆性，減小或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形和開裂（2）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)致性能、尺寸和形狀變化（3）調(diào)整淬火后鋼件的組織，獲得所需性能組織轉(zhuǎn)變：馬氏體分解，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，碳化物析出與轉(zhuǎn)變，鐵素體回復(fù)再結(jié)晶及碳化物聚集長大鋼的回火種類：21（1）低溫回火：150~250℃，回火馬氏體，降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，保持高硬度（一般HRC55~64）和耐磨性（2）中溫回火：350~500℃，細(xì)粒狀滲碳體分布在針狀鐵素體基體上（回火托氏體），具有高的屈服極限、彈性極限和較高的韌性，硬度一般為HRC35~50（3）高溫回火：500~600℃，極細(xì)小的粒狀滲碳體與等軸狀鐵素體的混合物（回火索氏體），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HRC25~35淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理，常作為最終熱處理。淬火鋼在250~400℃之間回火會產(chǎn)生不易消除的低溫回火脆性，應(yīng)避免在此溫度區(qū)間回火。鋼的回火組織：22回火馬氏體組織回火托氏體組織回火索氏體組織貝氏體組織：23上貝氏體組織（a）及示意圖（b）下貝氏體組織（a）及示意圖（b）粒狀貝氏體組織無碳化物貝氏體組織羽毛狀黑針狀貝氏體轉(zhuǎn)變：24定義：鋼經(jīng)奧氏體化后過冷到珠光體相變與馬氏體相變之間的中溫區(qū)時(shí)，將發(fā)生貝氏體相變，亦稱為中溫轉(zhuǎn)變。在此溫度范圍內(nèi)，鐵原子已難以擴(kuò)散，而碳原子尚能擴(kuò)散，其相變產(chǎn)物一般為鐵素體基體加滲碳體的非層狀組織。特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)變有上、下限溫度（2）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為非層片狀（3）轉(zhuǎn)變通過形核和長大方式進(jìn)行（4）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)散性轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）到無擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的過渡性和交叉性！貝氏體的形成：25（1）上貝氏體：在較高溫度區(qū)域形成，350~550℃（2）下貝氏體：在較低溫度區(qū)域形成，Ms~350℃（3）粒狀貝氏體：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（4）無碳化物貝氏體：一般形成于低碳鋼，在貝氏體相變區(qū)最高溫度范圍內(nèi)形成鋼的等溫淬火：將加熱工件在稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠的時(shí)間，而獲得下貝氏體的淬火方法。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，故下貝氏體強(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；在較高強(qiáng)度水平下，強(qiáng)度相同時(shí)下貝氏體的韌性往往高于調(diào)質(zhì)鋼。（3）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更高的疲勞性能。合金元素的影響：27鐵基二元合金相圖的類型（a）無限擴(kuò)大γ相區(qū)：Ni、Mn（b）有限擴(kuò)大γ相區(qū)：C、N、Cu、Zn、Au（c）封閉γ相區(qū)、擴(kuò)大α相區(qū)：Si、Al、Ti、V、Mo、W、Cr（d）縮小γ相區(qū)：B、Nb、Zr、Ta合金元素的影響：28合金元素對共析成分的影響合金元素對共析溫度的影響合金元素的影響：29含碳量對奧氏體晶粒長大的影響（保溫時(shí)間均為3h）合金元素的影響：30含碳量對C曲線形狀和位置的影響（a）亞共析鋼；（b）共析鋼；（c）過共析鋼合金元素的影響：31鋼中合金元素對C曲線的影響雜質(zhì)元素的影響：32（1）S和P：兩者在鋼中都是有害元素。S常以FeS的形式存在，F(xiàn)eS與Fe易在晶界上形成低熔點(diǎn)的共晶體，導(dǎo)致鋼材在熱加工時(shí)脆性開裂（即熱脆）。通常加入Mn以形成MnS，從而避免熱脆。P雖然可提高強(qiáng)度、硬度，但顯著降低鋼的塑性和韌性，造成冷脆，因此需嚴(yán)格控制其含量。（2）氣體元素：H——引起氫脆，形成白點(diǎn)或發(fā)裂（微裂紋）N——使鋼的強(qiáng)度硬度升高，但塑性韌性下降（時(shí)效脆化