合金相結(jié)構(gòu)課件

合金相結(jié)構(gòu)課件第1頁/共286頁2

研究目的：鑄造生產(chǎn)過程直接影響機件的晶體質(zhì)量。而鑄態(tài)組織（凝固得到）也影響工件鍛造、軋制的各種性能。

牛牛文庫文檔分享第2頁/共286頁31、金屬的結(jié)晶（1）結(jié)晶：結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程?；驈脑拥慕逃行蚺帕羞^渡到遠(yuǎn)程有序排列。從廣義上講，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡到另一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變均屬結(jié)晶。

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故金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮谓Y(jié)晶；而金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)槎谓Y(jié)晶。（2）理論結(jié)晶溫度：原子由近程有序到遠(yuǎn)程有序排列共存的固定溫度（Tm）。純金屬都有一定的熔點，在熔點溫度時液體和固體共存。因此，金屬熔點又稱平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度。

牛牛文庫文檔分享第4頁/共286頁5To

二、結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律

一）.結(jié)晶的一般過程

1）純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)

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將待測的純金屬在坩堝內(nèi)加熱熔化，用熱電偶測溫，然后停止加熱緩慢冷卻。每隔一段時間記錄一次溫度。用所得數(shù)據(jù)繪制液態(tài)金屬在冷卻時的溫度和時間的關(guān)系曲線，稱此曲線為冷卻曲線。

牛牛文庫文檔分享第6頁/共286頁圖3-21熱分析裝置示意圖

牛牛文庫文檔分享第7頁/共286頁82）.結(jié)晶潛熱

通過冷卻曲線可以看出，當(dāng)液態(tài)金屬下降到一定溫時，在冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是液態(tài)金屬結(jié)晶時釋放出了熱量，稱此熱量為結(jié)晶潛熱。冷卻曲線上往往會出現(xiàn)一個平臺，這是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時放出的潛熱與散失的熱量相等，使得坩堝內(nèi)的溫度保持不變。

牛牛文庫文檔分享第8頁/共286頁9如圖，金屬冷到低于平衡結(jié)晶溫度（T1）后才開始結(jié)晶，有一過冷度ΔT（ΔT=T1

—T0）。在平衡結(jié)晶溫度下，液態(tài)金屬與其晶體處于平衡狀態(tài)。這時，液體中的原子結(jié)晶為晶體的速度與晶體溶入液體的速度相等。從宏觀上看，既不結(jié)晶也不溶解。只有冷到低于理論結(jié)晶溫度T0才能有效地進行結(jié)晶。

牛牛文庫文檔分享第9頁/共286頁10過冷現(xiàn)象過冷度

ΔT=T0–T1過冷是結(jié)晶的必要條件。

牛牛文庫文檔分享第10頁/共286頁11二).結(jié)晶的一般規(guī)律形核長大

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實踐證明，結(jié)晶總是從形成一些微小的晶體（晶核）開始，然后晶核不斷長大；同時液體中不斷產(chǎn)生新的晶核并不斷長大，直到每個晶粒長大到相互接觸、液體消失為止——結(jié)晶的普遍規(guī)律（形核——長大）

(圖)。

牛牛文庫文檔分享第12頁/共286頁圖3-23結(jié)晶過程示意圖

牛牛文庫文檔分享第13頁/共286頁14形核、長大

牛牛文庫文檔分享第14頁/共286頁151.形核液態(tài)金屬中原子排列呈現(xiàn)短程有序，這些短程有序的原子團尺寸各異，時聚時散，稱為晶胚。當(dāng)晶胚的尺寸大于某一臨界值時，晶胚就能自發(fā)地長大而成為晶核。

牛牛文庫文檔分享第15頁/共286頁16⑴形核方式

液態(tài)金屬結(jié)晶時，有兩種形核方式：一種是均勻形核，另一種是非均勻形核。晶核形成的形式:*自發(fā)形核△T=200℃*非自發(fā)形核△T=20℃

⑵形核率

是指單位時間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。用N表示。

牛牛文庫文檔分享第16頁/共286頁172.長大

結(jié)晶過程的進行一方面要依靠新晶核連續(xù)不斷地產(chǎn)生，另一方面還要依靠巳有晶核的不斷長大。

牛牛文庫文檔分享第17頁/共286頁18⑴長大方式晶核長大初期外形比較規(guī)則，但隨著晶核的長大，晶體形成棱角。由于棱角處散熱速度快，因而優(yōu)先長大，如樹枝一樣先形成枝干，稱一次晶軸，然后再形成分枝，稱為二次晶軸，依此類推。晶核的這種成長方式稱為樹枝狀長大(圖）。⑵長大速率:

是指單位時間內(nèi)晶核生長的線長度。用G表示。

牛牛文庫文檔分享第18頁/共286頁19晶核的長大方式—樹枝狀

牛牛文庫文檔分享第19頁/共286頁20晶核的長大方式—樹枝狀

牛牛文庫文檔分享第20頁/共286頁21金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶

牛牛文庫文檔分享第21頁/共286頁223.影響晶核的形核率和晶體長大率的因素過冷度的影響未熔雜質(zhì)的影響

牛牛文庫文檔分享第22頁/共286頁23過冷度的影響

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形核率和長大速率都隨過冷度的增大而增大。但兩者的增加速率不同，形核率的增長率大于長大速率的增長率，如圖所示。在通常金屬結(jié)晶時的過冷度范圍內(nèi)，過冷度越大，則N/G比值越大，因而晶粒越細(xì)小。

牛牛文庫文檔分享第24頁/共286頁25

三）細(xì)化晶粒的途徑

人們通常希望金屬材料晶粒細(xì)小均勻，因為晶粒越小，材料的強度越高，塑性和韌性越好。晶粒的大小稱為晶粒度，通常用晶粒的平均面積或平均直徑來表示。晶粒的大小取決于形核率和長大速率的相對大小，即N/G比值越大，晶粒越細(xì)小?？梢姡彩悄艽龠M形核、抑制長大的因素，都能細(xì)化晶粒。

牛牛文庫文檔分享第25頁/共286頁261）提高冷卻速度V冷△TN晶粒細(xì)小2）變質(zhì)處理3）機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。在工業(yè)生產(chǎn)中通常采用如下幾種方法：

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１．提高冷卻速度增加過冷度的方法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。例如，選用吸熱和導(dǎo)熱性較強的鑄型材料（用金屬型代替砂型）；采用水冷鑄型；降低澆注溫度等。但這些措施只對小型或薄壁的鑄件有效

牛牛文庫文檔分享第27頁/共286頁282.變質(zhì)處理

是在澆注前往液態(tài)金屬中加入某些難熔的固態(tài)粉末（變質(zhì)劑），促進非均勻形核來細(xì)化晶粒。例如在鋁和鋁合金以及鋼中加入鈦、鋯等。但是鋁硅合金中加入鈉鹽不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的長大來細(xì)化合金晶粒。

牛牛文庫文檔分享第28頁/共286頁293.振動、攪拌

對正在結(jié)晶的金屬進行振動或攪動，一方面可依靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被注入到鑄型模具中成型得到鑄件，若注入鑄造模具中而得到鑄錠。

牛牛文庫文檔分享第29頁/共286頁30

有些金屬如Fe、Mn、Ti、Co等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型性。當(dāng)外部的溫度和壓強改變時，這些金屬會由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱之為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，又稱為多晶型轉(zhuǎn)變。

第三節(jié)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

牛牛文庫文檔分享第30頁/共286頁31

例如，純鐵在912C以下是體心立方晶體，在912C-1394C之間是面心立方晶體，而在1394C和1538C（熔點）之間是體心立方晶體。

純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:1394°C912°Cbccfccbcc

δ-Fe

γ-Fe

α-Fe

牛牛文庫文檔分享第31頁/共286頁32當(dāng)發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變時，材料的許多性能如密度、塑性、強度、磁性、導(dǎo)電性等將發(fā)生突變。多晶型轉(zhuǎn)變對于材料能否通過熱處理來改變其性能具有重要的意義。

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牛牛文庫文檔分享第33頁/共286頁34

純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe

牛牛文庫文檔分享第34頁/共286頁35五、金屬的鑄錠組織

1.鑄錠(件)三晶區(qū)的形成

不論是鑄件，還是鑄錠,其宏觀組織通常由三部分組成(圖3-28)：

牛牛文庫文檔分享第35頁/共286頁圖3-28鑄錠組織示意圖1-表面細(xì)晶粒區(qū)；2-柱狀晶粒區(qū)；3-中心等軸晶粒區(qū)

牛牛文庫文檔分享第36頁/共286頁371.1表層細(xì)晶區(qū)在澆注時，由于鑄型模壁溫度較低，有強烈地吸熱和散熱作用，使靠近模壁的一層液體產(chǎn)生很大的過冷度，加上模壁的表面可以作為非均勻形核的核心，因此，在此表層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時向各個方向生長，而形成表面很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。

牛牛文庫文檔分享第37頁/共286頁381.2柱狀晶區(qū)

在表層細(xì)晶區(qū)形成后，型壁被熔液加熱至很高溫度，使剩余液體的冷卻變慢，并且由于細(xì)晶區(qū)結(jié)晶時釋放潛熱，故細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，使繼續(xù)形核變得困難，只有己形成的晶體向液體中生長。但是，此時熱量的散失垂直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向，晶體才能得到優(yōu)先生長，即已有的晶體沿著與散熱相反的方向擇優(yōu)長而形成柱狀晶區(qū)。

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1.3中心等軸晶區(qū)柱狀晶區(qū)形成時也釋放大量潛熱，使已結(jié)晶的固相層溫度繼續(xù)升高，散熱速度進一步減慢，導(dǎo)致柱狀晶體也停止長大。當(dāng)心部液體全部冷至實際結(jié)晶溫度Tm以下時，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。

牛牛文庫文檔分享第39頁/共286頁402.鑄錠組織的控制

合金的鑄錠一般都具有明顯的三個晶區(qū)，但當(dāng)澆注條件發(fā)生變化時，其三個晶區(qū)所占的比例也往往不同,甚至獲得只由兩個晶區(qū)或一個晶區(qū)所組成的鑄錠。

牛牛文庫文檔分享第40頁/共286頁41通常有利于柱狀晶區(qū)發(fā)展的因素有：快的冷卻速度、高的澆注溫度、定向的散熱等。而有利于等軸晶區(qū)發(fā)展的因素有：慢的冷卻速度、低的澆注溫度、均勻散熱、變質(zhì)處理以及一些物理方法（如機械或電磁的攪拌、超聲波振動等）。

牛牛文庫文檔分享第41頁/共286頁42第四章合金的相結(jié)構(gòu)和二元合金相圖

第一節(jié)概述

純金屬雖然具有良好的導(dǎo)熱性導(dǎo)電性和很好的塑性，但強度低，如純鐵屈服強度僅有100-170MPa，純鋁也僅有45-50MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大多數(shù)工程需要，必須要通過合金化（金屬中加入別的金屬元素或/和非金屬元素）來提高其機械性能.

牛牛文庫文檔分享第42頁/共286頁43二、合金的晶體結(jié)構(gòu)

（一）、合金的基本概念

由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金。組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)叫做組元。組元通常是純元素，但也可以是穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可以分為二元合金、三元合金和多元合金。合金中，具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分叫做相。合金中相與相之間有明顯的界面。液態(tài)合金通常都為單相液體。固態(tài)下，由一個固相組成時稱為單相合金，由兩個以上固相組成時稱為多相合金。合金的性能一般都是由組成合金的各相成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、性能和各相的組合情況——組織所決定的。

牛牛文庫文檔分享第43頁/共286頁44

（二）、合金的相結(jié)構(gòu)

由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。

1、固溶體合金在固態(tài)下，組元間能夠互相溶解而形成的均勻相稱為固溶體。

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不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結(jié)果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。

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固溶強化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實踐表明，適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料的強度、硬度的同時，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，都是以固溶體為基體的合金。

2、金屬化合物金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學(xué)分子式表示。鋼中滲碳體（Fe3C）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點一般較高、硬而脆。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。金屬化合物在合金中常作為強化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。

絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。

牛牛文庫文檔分享第46頁/共286頁47第三節(jié)二元合金相圖合金的性能與合金中各組元相互作用而形成的相的種類、性能以及各相的形態(tài)、分布等有關(guān)。合金的平衡組織可以從合金相圖中分析得到?；镜南鄨D類型可分為勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖，共析相圖等。

牛牛文庫文檔分享第47頁/共286頁48

合金在成分、溫度變化時，其狀態(tài)可能發(fā)生變化。合金相圖就是用圖解的方法表示不同成分、溫度下合金中相的平衡關(guān)系。由于相圖是在極其緩慢的冷卻條件下測定的,又稱為平衡相圖。

牛牛文庫文檔分享第48頁/共286頁49

根據(jù)相圖可以了解不同成分合金在溫度變化時的相變及組織形成規(guī)律。二元相圖都是由一種或幾種基本類型的相圖組成的?；绢愋偷亩鄨D有：勻晶、共晶和包晶相圖。

牛牛文庫文檔分享第49頁/共286頁501.二元合金相圖的建立

建立相圖的方法有實驗測定和理論計算兩種。但目前使用的相圖絕大部分都是通過實驗測定方法獲得的。例如熱分析法。以Cu-Ni合金為例來說明相圖的建立方法及主要步驟(圖)：

牛牛文庫文檔分享第50頁/共286頁51名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%

牛牛文庫文檔分享第51頁/共286頁52熱分析法

牛牛文庫文檔分享第52頁/共286頁53

配制一系列成分的合金

(例如，①30%Ni+70%Cu;②50%Ni+50%Cu;③70%Ni+30%Cu)；

測出上述合金的冷卻曲線；

根據(jù)各冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點確定合金的臨界點；

將這些臨界點標(biāo)在相圖坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置上，最后把各意義相同的臨界點聯(lián)起來。

牛牛文庫文檔分享第53頁/共286頁時間溫度90705030AB溫度A溫度B溫度

牛牛文庫文檔分享第54頁/共286頁55圖4-9用熱分析法建立二元Cu-Ni相圖

牛牛文庫文檔分享第55頁/共286頁562.勻晶相圖與合金組織勻晶相圖是指兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時形成的相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Ag-Au、W-Mo以及陶瓷材料中的Al2O3-Cr2O3相圖。下面以Cu-Ni合金相圖為例進行分析。

牛牛文庫文檔分享第56頁/共286頁572.1.相圖分析

圖4-10Cu-Ni相圖Cu、Ni代表二個組元。tA——純組元Cu的熔點；tB——純組元Ni的熔點；tAmtB線——液相線，在液相線以上為液相區(qū)，為均勻液體，用L表示；tAntB線——固相線，在固相線以下為固相區(qū)，為均勻固溶體，用α表示。在液相線與固相線之間為L+α兩相區(qū)。

牛牛文庫文檔分享第57頁/共286頁582.2合金平衡結(jié)晶過程

合金結(jié)晶過程冷卻曲線如圖4-11所示。當(dāng)合金從高溫緩慢冷卻至與液相線相交的t1溫度時，開始從液相L1中結(jié)晶出成分為α1的固溶體。隨著溫度的下降，固溶體相不斷增多，液相不斷減少，并且固溶體相的成分沿著固相線變化，液相的成分沿著液相線變化。

牛牛文庫文檔分享第58頁/共286頁59

當(dāng)冷卻至t2溫度時，固溶體α2和液相L2達到平衡。當(dāng)合金由t2冷至t3時，液相消失，結(jié)晶完畢，得到成分為α3的單相固溶體。當(dāng)合金繼續(xù)冷至室溫過程中，不再發(fā)生相和成分的變化。所以合金在室溫下的組織為單相α固溶體。

牛牛文庫文檔分享第59頁/共286頁60圖4-11合金冷卻曲線及組織形成示意圖

牛牛文庫文檔分享第60頁/共286頁612.3.合金非平衡結(jié)晶過程在實際生產(chǎn)條件下，一般冷卻速度都較快，固溶體中原子擴散過程不能充分進行。因此先結(jié)晶的枝晶主軸含高熔點組元較多，后結(jié)晶的分枝含低熔點組元較多。這種在一個枝晶范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象叫枝晶偏析，或晶內(nèi)偏析(圖4-13，4-14)。

牛牛文庫文檔分享第61頁/共286頁62

晶內(nèi)偏析的存在將使合金的塑性、韌性顯著下降。因此通常把具有晶內(nèi)偏析的合金加熱到高溫進行長時間的保溫，使合金元素進行充分的擴散來消除枝晶偏析，稱這種處理為擴散退火。

牛牛文庫文檔分享第62頁/共286頁63圖4-13枝晶偏析示意圖圖4-14枝晶偏析組織（鋁鎂鑄造合金，因成分偏析而呈不同顏色）

牛牛文庫文檔分享第63頁/共286頁643.共晶相圖（兩組元在液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶）3.1.相圖分析

牛牛文庫文檔分享第64頁/共286頁651.三個單相區(qū):

液相區(qū)L

固相區(qū)α固相區(qū)β。2.這三個相兩兩組合,形成三個兩相區(qū):(L+α)(α+β)

(L+β)。3.三相區(qū)已經(jīng)縮成一條連接三個單相區(qū)的水平線MEN,又稱共晶反應(yīng)線。4.液相線AEB，將液相區(qū)L與其它相區(qū)隔開。5.固相線AMNB,將固相區(qū)α,β和(α+β)與其它相區(qū)隔開。

牛牛文庫文檔分享第65頁/共286頁666.MF代表固溶體α的溶解度(最多可溶解的溶質(zhì)百分量,與溫度有關(guān))曲線,NG代表固溶體β的溶解度曲線。7.共晶反應(yīng)線MEN中，E點為共晶點，E點對應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，成分對應(yīng)于共晶點的合金稱為共晶合金，成分位于E以左，M點以右的合金稱為亞共晶合金，成分位于E點以右、N點以左的合金稱為過共晶合金。具有一定成分的液體（LE）在一定溫度（共晶溫度）下同時析出兩種成分的固溶體（αM+βN）稱為共晶反應(yīng)，即LE--αM+βN

牛牛文庫文檔分享第66頁/共286頁67結(jié)晶產(chǎn)物為共晶體。共晶體的顯微組織特征是兩相交替分布，其形態(tài)與合金的特性及冷卻速度有關(guān)，通常呈片層狀。

牛牛文庫文檔分享第67頁/共286頁683.2.典型合金平衡結(jié)晶過程及組織

牛牛文庫文檔分享第68頁/共286頁69。132β1.含Sn量小于M點的合金（以合金I為例）。

合金在1～2點間的結(jié)晶過程與勻晶相圖上的固溶體結(jié)晶完全相同。

在2～3點之間得到均勻固溶體α。

當(dāng)合金冷到3點溫度以下，由于固溶體的溶度超過了它的溶解度限度，將從α固溶體中開始析出第二相--β固溶體，優(yōu)先沿晶界或晶內(nèi)呈點狀分布。隨著溫度繼續(xù)降低β的析出量逐漸增多。這種從固溶體中析出的相，稱二次固溶體（以區(qū)分從液相中析出的固溶體），記為βII。合金IL

牛牛文庫文檔分享第69頁/共286頁70最終的室溫顯微組織為α+βII

牛牛文庫文檔分享第70頁/共286頁71β共晶合金2.共晶合金(成分為E點)

在E點以上合金為液體。當(dāng)合金緩慢冷卻到tE時，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，LE→αM+βN

（LE指成分為E點對應(yīng)的成分的液相，依此類推）,從液相中同時同地析出α和β固溶體，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為這兩相的機械混合物。L

牛牛文庫文檔分享第71頁/共286頁72室溫組織為100%的共晶體。

牛牛文庫文檔分享第72頁/共286頁7312β3.亞共晶合金

以合金III為例。合金自1點開始結(jié)晶出α固溶體。隨著溫度繼續(xù)降低，α相的濃度沿固相線變化，L相濃度沿液相線變化。當(dāng)合金冷卻到2點時，剩余液相的濃度已達到E點的成分，在恒溫下按共晶反應(yīng)形成共晶體。同理，合金自2點溫度冷至室溫過程中自α固溶體中也會析出βII

，故合金的室溫顯微組織為α+(α+β)+βII

（α在圖中呈黑色）。合金III

牛牛文庫文檔分享第73頁/共286頁74室溫顯微組織為α+(α+β)+βII（α在圖中呈黑色）。其中，α、(α+β)、βII均稱為合金的組織組成物，是合金顯微組織的獨立部分。這種標(biāo)注方法闡明了合金的具體結(jié)晶過程，反映了相的析出順序。

牛牛文庫文檔分享第74頁/共286頁754.包晶相圖與合金組織（略）兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)下有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖，稱為包晶相圖。例如二元合金系Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等。

牛牛文庫文檔分享第75頁/共286頁76這類相圖的特點是，相圖上有一恒溫反應(yīng)(圖4-14):LC+αp→βD即在一定溫度下,由一定成分的液相LC與一定成分的固相αp轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相βD。由于兩相反應(yīng)從相界面處開始，即βD相必然包著αp相形成，故稱包晶反應(yīng)。相圖及合金結(jié)晶過程分析方法均與上述方法類似。

牛牛文庫文檔分享第76頁/共286頁77

這類相圖的特點是，相圖上有一恒溫反應(yīng)(圖4-14):LC+αp→βD

即在一定溫度下,由一定成分的液相LC與一定成分的固相αp轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相βD。由于兩相反應(yīng)從相界面處開始，即βD相必然包著αp相形成，故稱包晶反應(yīng)。相圖及合金結(jié)晶過程分析方法均與上述方法類似。圖4-14包晶相圖

牛牛文庫文檔分享第77頁/共286頁78第五章

鐵碳相圖

第一節(jié)概述工程材料中又以鋼鐵（鐵碳合金）材料應(yīng)用最廣。鋼鐵中含碳量其室溫平衡組織和性能有巨大影響。前一章介紹了二元相圖的幾種基本類型。由于鐵碳合金是應(yīng)用最多的工程材料，下面將學(xué)習(xí)Fe-C相圖。

牛牛文庫文檔分享第78頁/共286頁79Fe-C相圖Fe3CFe2CFeC溫度FeC(6.69%C)

牛牛文庫文檔分享第79頁/共286頁80Fe-C相圖很復(fù)雜，但實用的部分只0～6.69%C(重量百分比)的部分，如圖5-1所示。其中右端（6.69%C）是屬化合物Fe3C。我們來分析這部分相圖（這段相圖稱為Fe-Fe3C相圖）。就只是這部分相圖，也由三個基本類型的相圖組成：

牛牛文庫文檔分享第80頁/共286頁811.包晶相圖部分（區(qū)域很小，且無實際意義，通常忽略其作用）；2.共晶相圖部分；3.共析相圖部分(這種相圖類型類似共晶相圖,但母相是固相而非液相。后面將近一步學(xué)習(xí))。

牛牛文庫文檔分享第81頁/共286頁82共晶相圖部分

牛牛文庫文檔分享第82頁/共286頁83共析相圖部分

牛牛文庫文檔分享第83頁/共286頁84第二節(jié)Fe-Fe3C相圖的組元和基本相1.組元

Fe-Fe3C相圖顧名思義其組元一為Fe(純鐵),二為Fe3C(此處又叫滲碳體)

純鐵:純鐵熔點為1538℃，具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，α-Fe→γ-Fe→δ-Fe。固態(tài)下的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶相似，也要經(jīng)歷形核和長大過程。為了與液態(tài)結(jié)晶相區(qū)別，將這種固態(tài)下的相變過程稱為重結(jié)晶。低溫下的鐵具有鐵磁性，770℃以上鐵磁性消失。

牛牛文庫文檔分享第84頁/共286頁85

滲碳體：具有復(fù)雜的斜方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，屬于硬脆相。它的數(shù)量、形狀、分布對鋼的性能影響很大，是鋼中的主要強化相。

牛牛文庫文檔分享第85頁/共286頁862.基本組織(除液相外)1).鐵素體(F)

碳固溶于體心立方晶格的α-Fe中形成的間隙固溶體，用α或者F表示。碳在其中的固溶度很小，最大溶解度是727℃時的0.0218%，因此α相區(qū)在相圖中區(qū)域很小。

牛牛文庫文檔分享第86頁/共286頁87高溫鐵素體：碳固溶于體心立方晶格的δ-Fe中形成的間隙固溶體，用δ表示。碳在其中的固溶度也很小，最大溶解度是1495℃時的0.09%，因此δ相區(qū)在相圖中區(qū)域也很小。

牛牛文庫文檔分享第87頁/共286頁882).奧氏體(A)碳固溶于面心立方晶格的γ-Fe中形成的間隙固溶體，用γ或者A表示。碳在其中的固溶度較大，最大溶解度是1148℃時的2.11%，因此γ相區(qū)在相圖中區(qū)域較大。

牛牛文庫文檔分享第88頁/共286頁89

奧氏體組織金相圖

牛牛文庫文檔分享第89頁/共286頁903)

滲碳體(Fe3C)鐵與碳形成的金屬化合物。它既可作為組元，也是鋼中的一類重要的基本相。

牛牛文庫文檔分享第90頁/共286頁91滲碳體組織金相圖

牛牛文庫文檔分享第91頁/共286頁924)珠光體

(P)鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。

牛牛文庫文檔分享第92頁/共286頁935).萊氏體(Ld)奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。

牛牛文庫文檔分享第93頁/共286頁94鐵素體奧氏體高溫鐵素體滲碳體鋼中的基本相

牛牛文庫文檔分享第94頁/共286頁95

牛牛文庫文檔分享第95頁/共286頁96第三節(jié)鐵碳相圖一、鐵碳相圖分析1、相圖中點的含義

牛牛文庫文檔分享第96頁/共286頁972.五個單相區(qū)(α,γ,δ,液相L，及Fe3C）和七個兩相區(qū)；3.固相線AHJECF,液相線ABCD；4.三條水平線（恒溫轉(zhuǎn)變線）：HJB水平線（包晶反應(yīng)線）ECF水平線（共晶反應(yīng)線）PSK水平線（共析反應(yīng)線）5.三條曲線GS線ES線PQ線

牛牛文庫文檔分享第97頁/共286頁98五個重要的成份點:P、S、E、C、K。四條重要的線:EF、ES、GS、FK。兩個重要轉(zhuǎn)變:共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。兩個重要溫度:1148℃、727℃。

牛牛文庫文檔分享第98頁/共286頁99

Fe-Fe3C

相圖FeT°Fe3C

牛牛文庫文檔分享第99頁/共286頁100

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖(P+Fe3C)

牛牛文庫文檔分享第100頁/共286頁101

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K(P+Fe3C)P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)

牛牛文庫文檔分享第101頁/共286頁1021.包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LB

+H

AJ1495℃3.共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LC

(

AE

+Fe3C)Le

1148℃

牛牛文庫文檔分享第102頁/共286頁103二、鐵碳合金的分類

鐵碳合金根據(jù)其含碳量可分為碳鋼和鑄鐵。碳鋼是指含有0.02％～2.11％C的鐵碳合金。鑄鐵是指含大于2.11％C的鐵碳合金。

牛牛文庫文檔分享第103頁/共286頁104按鋼中含碳量的不同：碳鋼又分為亞共析鋼(含有0.02％～0.77％C)，共析鋼(含有0.77％C)和過共析鋼(含有0.77％～2.11％C);

鑄鐵又分為亞共晶白口鐵(含有2.11％～4.3％C)，共晶白口鐵(含有4.3％C)和過共晶白口鐵(含有4.3％～6.69％C)。上述不同種類的鋼在平衡條件下有不同的相變過程，其室溫平衡組織也不同。

牛牛文庫文檔分享第104頁/共286頁105

牛牛文庫文檔分享第105頁/共286頁106三.典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析工業(yè)純鐵(ingotiron)共析鋼(eutectoidsteel)亞共析鋼(hypoeutectoidsteel)過共析鋼(hypereutectoidsteel)共晶白口鐵(eutectoidwhiteiron)亞共晶白口鐵(hypoeutectoidwhiteiron)過共晶白口鐵(hypereutectoidwhiteiron)

牛牛文庫文檔分享第106頁/共286頁107

牛牛文庫文檔分享第107頁/共286頁1081.工業(yè)純鐵(Wc<0.0218%)

牛牛文庫文檔分享第108頁/共286頁1092.共析鋼

(Wc=0.77%)

牛牛文庫文檔分享第109頁/共286頁110共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織（忽略從液相到固相的結(jié)晶過程）

共析鋼（成分為S點—共析點對應(yīng)的成分，0.77%C）在S點溫度以上，鋼的組織為單相奧氏體

。當(dāng)冷卻到S點溫度時,奧氏體將發(fā)生共析反應(yīng)，從奧氏體中同時長出交替排列的片層狀鐵素體和滲體，這種組織稱為珠光體

。

牛牛文庫文檔分享第110頁/共286頁111隨著溫度繼續(xù)下降，將從鐵素體中析出三次滲碳體。由于三次滲碳體數(shù)量少，通常可忽略不計。因此，共析鋼在室溫下的平衡組織為100%的珠光體。

牛牛文庫文檔分享第111頁/共286頁112在S點發(fā)生共析反應(yīng)：γ→

（α+Fe3C）

牛牛文庫文檔分享第112頁/共286頁113共析鋼組織金相圖

牛牛文庫文檔分享第113頁/共286頁1143.亞共析鋼(Wc=0.45%)

牛牛文庫文檔分享第114頁/共286頁115122點及2點以下合金II亞共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織以合金II為例，1點以上為奧氏體。當(dāng)奧氏體冷到1點溫度時，開始析出鐵素體。由于析出了含碳量極低的鐵素體，使未轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量增加。隨著溫度的下降，奧氏體的含碳量沿GS線變化，鐵素體的含碳量沿GP

線變化。當(dāng)合金冷卻到2點（共析線上）時，剩余奧氏體的含碳量達到共析濃度，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體。因此，亞共析鋼室溫下平衡組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成

,其中鐵素體和珠光體的比例取決于鋼的含碳量,鋼的含碳量越高，珠光體所占的比例越大。

牛牛文庫文檔分享第115頁/共286頁116亞共析鋼組織金相圖

牛牛文庫文檔分享第116頁/共286頁1174.過共析鋼

(Wc=1.2%)

牛牛文庫文檔分享第117頁/共286頁118

過共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織

如圖所示，點1以上為奧氏體。當(dāng)奧氏體冷到1點溫度時，開始沿著晶界析出二次滲碳體。由于析出了含碳量極高的二次滲碳體，使未轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量減少。隨著溫度的下降，奧氏體的含碳量沿ES線變化。當(dāng)合金冷卻到2點（共析線上）時，剩余奧氏體的含碳量達到共析濃度，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體。因此，亞共析鋼室溫下平衡組織由二次滲碳體和珠光體構(gòu)成。12

牛牛文庫文檔分享第118頁/共286頁119過共析鋼組織金相圖

牛牛文庫文檔分享第119頁/共286頁1205.共晶白口鐵(Wc=4.3%)

牛牛文庫文檔分享第120頁/共286頁121

共晶白口鐵組織金相圖

牛牛文庫文檔分享第121頁/共286頁1226.亞共晶白口鐵(Wc=3.0%)

牛牛文庫文檔分享第122頁/共286頁123

亞共晶白口鐵組織金相圖

牛牛文庫文檔分享第123頁/共286頁1247.過共晶白口鐵(Wc=5.0%)

牛牛文庫文檔分享第124頁/共286頁125

過共晶白口鐵組織金相圖

牛牛文庫文檔分享第125頁/共286頁126

請指出這些鐵碳合金在下面相圖中的成分位置。

牛牛文庫文檔分享第126頁/共286頁127四、含碳量對碳鋼平衡組織和性能的影響

以上分析表明，碳鋼在室溫下的平衡組織皆由鐵素體(F)和滲碳體(Fe3C)兩相組成。隨著含碳量的增加，碳鋼中鐵素體的數(shù)量逐漸減少，滲碳體的數(shù)量逐漸增多，從而使得組織按下列順序發(fā)生變化：

F→F+P→P→P+

Fe3CII

牛牛文庫文檔分享第127頁/共286頁128

鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相。珠光體由鐵素體和滲碳體所組成，滲碳體以細(xì)片狀分布在鐵素體的基體上，起了強化作用，因此，珠光體有較高的強度和硬度，但塑性較差。

牛牛文庫文檔分享第128頁/共286頁129

隨著含碳量升高，鋼的強度、硬度增加，塑性下降。當(dāng)鋼中的含碳量超過1.0%以后，鋼的硬度繼續(xù)增加，而強度開始下降，這主要是由于脆性的二次滲碳體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出所致。

牛牛文庫文檔分享第129頁/共286頁130硬度隨含碳量增加而增加。強度隨含碳量增加而增加（到約0.8wt%c達到峰值）。塑性和韌性隨含碳量增加而下降。

牛牛文庫文檔分享第130頁/共286頁131工業(yè)純鐵(鐵素體組織,不同顏色代表不同位向的晶粒)3、碳鋼

牛牛文庫文檔分享第131頁/共286頁132亞共析鋼（0.2%C)(鐵素體組織+珠光體兩相組織(黑色))

牛牛文庫文檔分享第132頁/共286頁133亞共析鋼(0.45%C)(鐵素體組織+更多的珠光體組織(黑色))

牛牛文庫文檔分享第133頁/共286頁134共析鋼(0.77%C)(幾乎100%珠光體組織,在較大的放大倍數(shù)下可分辨交替排列的層片狀鐵素體相和滲碳體相)

牛牛文庫文檔分享第134頁/共286頁135過共析鋼(1.45%C)(珠光體組織和沿原奧氏體晶界析出的網(wǎng)狀二次滲碳體組織)

牛牛文庫文檔分享第135頁/共286頁136

五、Fe-Fe3C

相圖的應(yīng)用選擇材料方面的應(yīng)用制定熱加工工藝方面的應(yīng)用

牛牛文庫文檔分享第136頁/共286頁137建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳含量較低的鋼材。各種機械零件需用強度、塑性及韌性都較好的材料。應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。各種工具需用硬度高和耐磨性好的材料，則選碳含量高的鋼種。純鐵磁導(dǎo)率高，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵心等。白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機的磨球等。1.選擇材料方面的應(yīng)用

牛牛文庫文檔分享第137頁/共286頁138

2.在鑄造工藝方面的應(yīng)用

根據(jù)Fe—Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50～100℃。

3.在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用

鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100～200℃范圍內(nèi)，終鍛、終軋溫度不能過低。亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在GS線以上一點，過共析鋼變形終止溫度應(yīng)控制在PSK線以上一點，一般始鍛溫度為1150～1250℃，終鍛溫度為800～850℃。

牛牛文庫文檔分享第138頁/共286頁139

4.在熱處理工藝方面的應(yīng)用

Fe—Fe3C相圖對于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe—Fe3C相圖確定的。

在運用Fe—Fe3C相圖時應(yīng)注意以下兩點：①Fe—Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)，如含有其它元素，相圖將發(fā)生變化。②Fe—Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)，若冷卻或加熱速度較快時，其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來分析了。

牛牛文庫文檔分享第139頁/共286頁140一、常存雜質(zhì)對碳鋼性能的影響碳鋼是指含碳量小于2.11%的鐵碳合金，但實際使用的碳鋼并不是單純的鐵碳合金，除碳以外，還含有少量的錳、硅、硫，磷等，這些元素是從礦石、燃料和冶煉等渠道進入鋼中的，這些元素統(tǒng)稱為雜質(zhì)，它們對鋼的性能有一定的影響，下面作簡要介紹。第四節(jié)碳鋼

牛牛文庫文檔分享第140頁/共286頁141(一)錳的影響

錳是煉鋼時用錳鐵脫氧而殘留在鋼中的，錳能夠清除鋼中的FeO，改善鋼的品質(zhì)，降低鋼的脆性；錳還能與硫化合成MnS，消除硫的有害作用，改善鋼的熱加工性能。在碳鋼中含錳量通常在0.25%--0.80%之間，錳的大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體(含錳鐵素體)，使鐵素體強化；一部分錳也能溶于Fe3C中，形成合金滲碳體，錳還能增加珠光體的相對量，并使它細(xì)化，從而提高鋼的強度；當(dāng)含錳量不多時，對鋼的性能影響并不顯著。

牛牛文庫文檔分享第141頁/共286頁142(二)硅的影響硅也是作為脫氧劑而加入鋼中的，在鎮(zhèn)靜鋼中含硅量通常在0.10～0.40%之間，在沸騰鋼中只含有0.03%--0.07%硅，大部分硅溶于鐵素體，使鐵素體強化，提高了鋼的強度及硬度，但塑性、韌性下降。少部分硅存在于硅酸鹽夾雜中。當(dāng)含硅量不多時，對鋼的性能影響不顯著。

牛牛文庫文檔分享第142頁/共286頁143(三)硫的影響硫是在煉鋼時由礦石、燃料帶進鋼中來的，硫不溶于鐵，而以FeS的形式存在，F(xiàn)eS與Fe形成低熔點的共晶體，熔點為985℃，分布在晶界當(dāng)鋼材在1000--1200℃進行熱加工時，共晶體熔化，使鋼材變脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性。為此，鋼中含硫量必須嚴(yán)格控制。增加鋼中含錳量，可消除硫的有害作用。Mn與S形成熔點為1620℃的MnS，MnS在高溫時有一定的塑性，因此可避免熱脆現(xiàn)象。

牛牛文庫文檔分享第143頁/共286頁144(四)磷的影響磷是由礦石帶到鋼中來的，磷在鋼中全部溶于鐵素體，提高了鐵素體的強度、硬度。但在室溫下鋼的塑性急劇下降，變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。所以磷是一種有害的雜質(zhì)，鋼中含磷量要嚴(yán)格控制。

牛牛文庫文檔分享第144頁/共286頁145二、碳鋼的分類碳鋼的分類方法很多，下面介紹三種：(一)按鋼的含碳量分1．低碳鋼含碳量≤0.25％2.中碳鋼含碳量在0.25%--0.6%之間3.高碳鋼含碳量>0.6%

牛牛文庫文檔分享第145頁/共286頁146(二)按鋼的質(zhì)量分類主要是根據(jù)鋼中含有害雜質(zhì)S、P的多少來分：1．普通碳素鋼鋼中S，P的含量分別為≤0.05％和0.045％。2．優(yōu)質(zhì)碳素鋼鋼中S、P的含量均≤0．035％。3．高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼鋼中S、P的含量分別≤0.020％和0.030％。

牛牛文庫文檔分享第146頁/共286頁147(三)按用途分類

1．碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼主要用于制造各種工程構(gòu)件(如橋梁、船舶、建筑等)和機器零件(如齒輪、軸、螺釘、螺母、連桿等)，這類鋼一般屬于低碳鋼和中碳鋼。

2．碳素工具鋼這類鋼主要用于制造各種刀具、量具、模具。這類鋼含碳量較高，屬于高碳鋼。

牛牛文庫文檔分享第147頁/共286頁148三、碳鋼的編號和用途為了生產(chǎn)、加工處理和使用不致造成混亂，對各種鋼材進行命名和編號。

(一)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼是工程中應(yīng)用最多的鋼種,其產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的70-80％。按國家標(biāo)準(zhǔn)GB700—88,碳素結(jié)構(gòu)鋼分為五類20種，如表所示。

牛牛文庫文檔分享第148頁/共286頁149

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號是以鋼材厚度(或直徑)不大于16mm鋼的屈服點(σs)數(shù)值劃分的，并且還有質(zhì)量等級和脫氧方法的細(xì)劃分。表中的符號、代號的意義如下。

Q——鋼屈服點“屈”字漢語拼音首位字母；

A、B、C、D——分別為質(zhì)量等級；

F——沸騰鋼“沸”字漢語拼音首位字母；

b——半鎮(zhèn)靜鋼“半”字漢語拼音首位字母，用小寫b為便于與質(zhì)量等級B級相區(qū)別；

牛牛文庫文檔分享第149頁/共286頁150Z——鎮(zhèn)靜鋼“鎮(zhèn)”字漢語拼音首位字母；TZ——特殊鎮(zhèn)靜鋼“特鎮(zhèn)”兩字漢語拼音首位字母。在牌號組成表示方法中，“Z”與“TZ"符號予以省略。例如；Q235-A．F即表示屈服點數(shù)值為235N／mm2的A級沸騰鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼的機械性能及冷彎試驗見表。

牛牛文庫文檔分享第150頁/共286頁151碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用：

Q195、Q215A、Q215B塑性較高，有一定強度，通常軋制成薄板，鋼筋，鋼管、型鋼等，用作橋梁、鋼結(jié)構(gòu)等，也在機械制造中用作鉚釘、螺釘、地腳螺栓、軸套、開口銷，拉桿、沖壓零件等。

牛牛文庫文檔分享第151頁/共286頁152Q235A、Q235B、Q235C、Q235D強度較高，可用作轉(zhuǎn)軸、心軸、拉桿、搖桿、吊鉤、鏈等。

Q255A、Q255B、Q275強度更高，可用作工具：軋輥、主軸、摩擦離合器、剎車鋼帶等。

牛牛文庫文檔分享第152頁/共286頁153(二)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼中有害雜質(zhì)及非金屬夾雜物含量較少，化學(xué)成分控制得也較嚴(yán)格，塑性和韌性較高，多用于制造較重要零件。這類鋼的編號方法是以平均含碳量萬分?jǐn)?shù)表示，例如，平均含碳量為0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，就稱為45號鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號及化學(xué)成分、機械性能，見表。

牛牛文庫文檔分享第153頁/共286頁154(三)碳素工具鋼這類鋼的編號方法是在“碳”或“T”后加一數(shù)字，數(shù)字表示鋼的平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。例如，碳7(或T7)，碳12(T12)分別表示平均含碳量為0.7％和1.2％的碳素工具鋼。碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分及性能見表5-6。碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼，若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在鋼號后面加一個“高”字或(A)，例如碳12高(或T12A)。

牛牛文庫文檔分享第154頁/共286頁1551.鎮(zhèn)靜鋼(killedsteel)

鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵和鉛進行了充分脫氧,Wo=0.01%左右,

成分較均勻、組織較致密。主要用于機械性能要求較高的零件。2.沸騰鋼(boilingsteel)

鋼液在澆注僅前進行輕度假脫氧,Wo=0.03%～0.07%,成分偏析較嚴(yán)重、組織不致密。機械性能不均勻,沖擊韌性差,常用于要求不高的零件。3.半鎮(zhèn)靜鋼(balancedsteel)半鎮(zhèn)靜鋼是脫氧過程介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼,是用錳鐵和硅鐵進行脫氧。其質(zhì)量也介于二者之間,可代替部分鎮(zhèn)靜鋼,一般不適于做重要零件。

牛牛文庫文檔分享第155頁/共286頁156第八章鑄鐵第一節(jié)概述一、鑄鐵的成分和特性鑄鐵是含有碳、硅等的鐵碳合金。常用鑄鐵的成分大致為：2.5--4.0％C，1.0～3.0％Si,0.5--1.4％Mn，0.01--0.5％P,0.02--0.20％S?？梢?，與鋼相比，鑄鐵含C，Si,S,P較多。此外，有時還含有—定量的合金元素，如Cr、Mo、V、Cu、A1等。

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鑄鐵的強度、塑性、韌性較鋼為差，不能進行鍛造，但它卻具有優(yōu)良的鑄造性能，良好的減摩性、耐磨性、消震性和切削加工性，以及缺口敏感性低等—系列優(yōu)點。再加上生產(chǎn)工藝及設(shè)備簡單，價格低廉。因些，鑄鐵廣泛應(yīng)用于機械制造，冶金，石油化工，交通等工業(yè)部門。據(jù)統(tǒng)計，按重量百分比計算，在農(nóng)業(yè)機械中鑄鐵件約占40--60％；汽車、拖拉機中約占50－70％；機床中約占60-90％。鑄鐵之所以具有這些特性，除了因為它具有接近共晶的成分、熔點低，流動性好、易于鑄造外，還因為它的C、Si含量高，大部分的碳呈游離的石墨狀態(tài)存在。

牛牛文庫文檔分享第157頁/共286頁158二、鑄鐵的石墨化(一)Fe-Fe3C與Fe-C雙重相圖實踐證明，含C、Si較高的鐵水在緩冷時，可自液相中直接析出石墨，滲碳體在高溫長時間的停留也能分解為鐵的固溶體和石墨；這表明，滲碳體是—個亞穩(wěn)定的相，石墨才是穩(wěn)定相。因此，描述鐵碳合金的結(jié)晶過程應(yīng)有兩個相圖，—個是Fe-Fe3C相圖；一個是Fe-C(石墨)相圖,把兩者迭合在一起，即為Fe—Fe3C與Fe--C(石墨)雙重相圖。圖中實線表示Fe-Fe3C相圖，部分實線再加上虛線表示Fe-C相圖。

牛牛文庫文檔分享第158頁/共286頁159石墨是碳的—種結(jié)晶形態(tài)，具有六方晶格，原子呈層狀排列，同一層晶面上碳原子間距為1.42A，相互間呈共價鍵結(jié)合，結(jié)合力強。層與層之間的距離為3．40A，原子間呈分子鍵結(jié)合，結(jié)合力較弱。因此，石墨結(jié)晶形態(tài)常易發(fā)展為片狀，強度、硬度、塑性極低，石墨的這些特性很大程度地影響著鑄鐵的性能。

牛牛文庫文檔分享第159頁/共286頁160(二)石墨化過程石墨化過程是指鑄鐵中析出碳原子形成石墨的過程。可將石墨化過程分為：二個階段。高于共析轉(zhuǎn)變溫度的石墨化過程叫石墨化第一階段。它包括：從過共晶鐵水中析出一次石墨，共晶轉(zhuǎn)變中形成的共晶石墨；從奧氏體中析出的二次石墨；由—次滲碳體和共晶滲碳體分解析出的石墨以及由于二次滲碳體分解而析出的石墨。低于共析轉(zhuǎn)變溫度的石墨化過程叫石墨化的第二階段。它包括共析轉(zhuǎn)變過程形成的石墨，共析滲碳體分解而形成的石墨以及由鐵素體中析出的石墨。

牛牛文庫文檔分享第160頁/共286頁161三）影響鑄鐵石墨化的因素因素較多，其中化學(xué)成分和冷卻速度是影響石墨化的主要因素。1．化學(xué)成分的影響碳和硅都是強烈促進石墨化的元素碳和硅都是強烈促進石墨化的元素；磷也是促進石墨化的元素，但其作用較弱；硫是強烈阻礙石墨化的元素2．冷卻速度的影響冷卻速度快，鑄鐵容易產(chǎn)生白口鑄鐵組織；冷卻速度慢，碳原子擴散充分，有利于石墨化過程充分進行，鑄鐵容易獲得灰口鑄鐵組織。

牛牛文庫文檔分享第161頁/共286頁162三、鑄鐵的分類根據(jù)鑄鐵在結(jié)晶過程中石墨化程度的不同，鑄鐵可分為三大類。(一)灰口鑄鐵這類鑄鐵第一階段石墨化得到充分進行，絕大部分的碳都以石墨的形態(tài)存在，以Fe3C形式在的碳量不大于0.68％，其斷口呈暗灰色，工業(yè)上所用的鑄鐵絕大部分是屬于這類鑄鐵。(二)白口鑄鐵這類鑄鐵的石墨化過程全部被抑制，完全按照Fe—Fe3C相圖進行結(jié)晶，其斷口呈銀白色，性硬脆，不易加工，直接鑄成機械零件使用的很少。

牛牛文庫文檔分享第162頁/共286頁163(三)麻口鑄鐵這類鑄鐵第一階段石墨化得到部分進行，第二階段石墨化未能進行，其組織介于上述二者之間，具有較大的硬脆性，工業(yè)上也很少應(yīng)用。

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灰口鑄鐵的性能除與成分及基體組織有關(guān)外，還取決于石墨的形狀、大小、數(shù)量與分布。因此，灰口鑄鐵又可按石墨的形狀來分類：1、灰鑄鐵此類鑄鐵中石墨呈片狀，這類鑄鐵的機械性能不太高，但生產(chǎn)工藝簡單，價廉，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。2、可鍛鑄鐵此類鑄鐵中石墨呈團絮狀，其機械性能較高，但生產(chǎn)周期長，成本高，用來制造一些重要的小件。3、球墨鑄鐵此類鑄鐵中石墨呈球狀，機械性能高，生產(chǎn)工藝比可鍛鑄鐵簡單，近年來日益得到廣泛的應(yīng)用，已成功地代替了部分碳鋼和合金鋼制造某些重要零件。

牛牛文庫文檔分享第164頁/共286頁165第二節(jié)常用鑄鐵一、灰鑄鐵(一)灰鑄鐵的成分，組織、性能和用途（1）化學(xué)成分灰鑄鐵的化學(xué)成分一般為：wC=2.5%～4．0%，wSi=1.0%～2．5%，wMn=O．5%～1.4%，wS≤O.15%，wP≤0.3%。

(2)組織由于石墨化程度的不同，灰鑄鐵的組織特點是具有片狀石墨，其基體則分為三種：鐵素體(F)+片狀石墨(G)軟而強度低；鐵素體(F)—珠光體(P)+片狀石墨(G)；其性能介于二者之間。珠光體(P)+片狀石墨(G)。強度，硬度較高，

牛牛文庫文檔分享第165頁/共286頁166（３）性能灰鑄鐵的組織可看做是鋼的基體加片狀石墨。因石墨的強度極低，故可把石墨片看作是一些微裂紋，把灰鑄鐵看做是含有許多微裂紋的鋼。裂紋分割了金屬基體，而且在尖端處還會產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以灰鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性不如鋼。石墨片的量愈多，尺寸愈大，其影響也愈大，但石墨片的存在，對灰鑄鐵的抗壓強度影響不大。

牛牛文庫文檔分享第166頁/共286頁167由于灰鑄鐵在凝固冷卻過程中析出比容較大的石墨，從而使灰鑄鐵的收縮率減??；由于石墨片分割了金屬基體，從而使灰鑄鐵的切屑容易脆斷，使灰鑄鐵的切削加工性良好；由于石墨本身的潤滑作用，以及當(dāng)它從基體中掉落后所遺留下的孔洞具有存油的作用，故使灰鑄鐵有優(yōu)良的減摩性；由于石墨組織松軟，能吸收振動，使灰鑄鐵具有良好的消振性；又由于石墨片本身相當(dāng)于許多裂紋，使灰鑄鐵具有低的缺口敏感性。

牛牛文庫文檔分享第167頁/共286頁168綜合上述力學(xué)性能石墨雖然降低了灰鑄鐵的力學(xué)性能，但卻使灰鑄鐵獲得了許多鋼所不及的優(yōu)良性能優(yōu)良的性能：①良好的鑄造性能②良好的減震性③較低的缺口敏感性④良好的切削加工性⑤良好的減摩性⑥良好的抗壓性能

牛牛文庫文檔分享第168頁/共286頁169由于灰鑄鐵具有以上一系列的特點，故被廣泛地用來制造各種承受壓力和要求消振性好的床身、機架、箱體、殼體和經(jīng)受摩擦的導(dǎo)軌、缸體、活塞環(huán)等。按GB9439—88規(guī)定，灰鑄鐵有六個牌號：HTl00、HTl50、HT200、HT250、HT300和HT350。HT表示“灰鐵”漢語拼音的字首，后續(xù)數(shù)字表示最低抗拉強度(MPa)的值。

牛牛文庫文檔分享第169頁/共286頁170類別牌號用途舉例鐵素體灰鑄鐵HTl00低載荷和不重要零件，如蓋、外罩、手輪、支架等鐵索體—珠光體灰鑄鐵HT150承受中等應(yīng)力的零件，如底座、床身、工作臺、閥體、管路附件及一般工作條件要求的零件珠光體灰鑄鐵HT200承受較大應(yīng)力和較重要的零件，如汽缸體、齒輪、機座、床身、活塞、齒輪箱、油缸等HT250孕育鑄鐵HT300床身導(dǎo)軌，車床、沖床等受力較大的床身、機座、主軸箱、卡盤、齒輪等，高壓油缸、泵體、閥體、襯套、凸輪，大型發(fā)動機的曲軸、汽缸體、汽缸蓋等HT350

牛牛文庫文檔分享第170頁/共286頁171(二)灰鑄鐵的熱處理由于熱處理只能改變灰鑄鐵的基體組織，而不能改變石墨片的形態(tài)，故利用熱處理來提高灰鑄鐵的機械性能的效果不大，灰鑄鐵常用的熱處理方法有：

牛牛文庫文檔分享第171頁/共286頁1721，消除內(nèi)應(yīng)力的退火鑄件在冷卻過程中，因各部分的冷卻速度不同，會在鑄件內(nèi)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，有時甚至變形開裂，而且在隨后的切削加工之后還會因應(yīng)力的重新分布而引起變形．所以凡大型或復(fù)雜的鑄件，或精度要求較高的鑄件，在切削加工之前，通常要進行—次消除內(nèi)應(yīng)力的退火，有時甚至在粗加工之后還要進行—次去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火的方法是將鑄件緩慢升溫至500－600℃，經(jīng)4－8h的保溫，再緩慢冷卻下來。由于是在共析溫度以下進行的退火，故也叫低溫退火。經(jīng)過低溫退火，可消除90％以上的內(nèi)應(yīng)力。

牛牛文庫文檔分享第172頁/共286頁1732．改善切削加工性的退火鑄件的表面、轉(zhuǎn)角處或是薄壁處，由于冷速較快，常不免會出現(xiàn)白口組織，致使切削加工，難以進行。為了降低硬度，必須進行高溫退火。方法是將鑄件加熱到850－900℃，保持2～5h，使Fe3C分解，然后隨爐緩冷至400－500℃，而后出爐空冷。3．表面淬火有些鑄件，如機床導(dǎo)軌的表面，氣缸的內(nèi)壁，需要有較高的硬度和耐磨性，常需表面淬火。

牛牛文庫文檔分享第173頁/共286頁174二可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵俗稱瑪鋼、馬鐵。蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)過程是：首先澆注成白口鑄鐵件，然后經(jīng)可鍛化退火（可鍛化退火使?jié)B碳體分解為團絮狀石墨）而獲得可鍛鑄鐵件。

牛牛文庫文檔分享第174頁/共286頁1751．可鍛鑄鐵的化學(xué)成分、組織和性能1）可鍛鑄鐵的化學(xué)成分是:wC=2.2%～2.8%，wSi=1.0%～1.8%，wMn=0.3%～0.8%，wS≤0.2%，wP≤0.1%?？慑戣T鐵的生產(chǎn)，首先是澆鑄成白口鐵鑄件，然后進行石墨化退火。為此，必須使鑄鐵的成分有較低的碳、硅含量，保證在通常的冷卻條件下鑄件能獲得全部白口，但碳、硅含量也不能太低，否則將使退火時間大大延長，增加生產(chǎn)成本．2）可鍛鑄鐵的組織有二種類型：鐵素體(F)+團絮狀狀石墨(G)；珠光體(P)+團絮狀石墨(G)。

牛牛文庫文檔分享第175頁/共286頁1763)性能由于可鍛鑄鐵中的石墨呈團絮狀，對基體的割裂作用較小，因此它的力學(xué)性能比灰鑄鐵高，塑性和韌性好，但可鍛鑄鐵并不能進行鍛壓加工?？慑戣T鐵的基體組織不同，其性能也不一樣，其中黑心可鍛鑄鐵具有較高的塑性和韌性，而珠光體可鍛鑄鐵具有較高的強度、硬度和耐磨性。

牛牛文庫文檔分享第176頁/共286頁177按GB944()一88規(guī)定，黑心可鍛鑄鐵有四個牌號：

KTH300--06，KTH350—10，KTH330—08，KTH370--12

牛牛文庫文檔分享第177頁/共286頁178珠光體可鍛鑄鐵有四個牌號：

KTZ450-06，KTZ550-04，KTZ650-()2，KTZ700-02。白心可鍛鑄鐵亦有四個牌號：

KTB350-04，KTB380-12，KTB400-05，KTB450-07。KT一表示可鍛鑄鐵，后續(xù)的H一表示黑心，Z一表示珠光體，B一表示白心。后續(xù)的第一組數(shù)字表示最低抗拉強度值(MPa)，后續(xù)的第二組數(shù)字表示最低延伸率值。

牛牛文庫文檔分享第178頁/共286頁179

可鍛鑄鐵主要用來制作一些形狀復(fù)雜，要求塑性較好，韌性較大，耐振、耐蝕的薄壁鑄件。但可鍛鑄鐵生產(chǎn)周期長，工藝復(fù)雜，成本較高，近年來有些可鍛鑄鐵件已部分地被球墨鑄鐵所代替。

牛牛文庫文檔分享第179頁/共286頁180類別牌號應(yīng)用舉例黑心可鍛鑄鐵KTH300-06KTH330-08KTH350—10KTH370—12汽車、拖拉機的后橋外殼、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、彈簧鋼板支座等，機床上用的扳手，低壓閥門，管接頭，鐵道扣板和農(nóng)具等珠光體可鍛鑄鐵KTZ550-04KTZ700-02曲軸，連桿，齒輪，凸輪軸，播臂，活塞環(huán)等

牛牛文庫文檔分享第180頁/共286頁181三、球墨鑄鐵球墨鑄鐵是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵，它是經(jīng)過球化處理后得到的。球化處理的方法是在鐵液出爐后、澆注前加入一定量的球化劑(稀土鎂合金等)和孕育劑，使石墨呈球狀析出。由于球墨鑄鐵具有優(yōu)良的機械性能，生產(chǎn)工藝