《金屬材料與熱處理（第八版）》- 課件 第3、4章 鐵碳合金、非合金鋼

第三章鐵碳合金§3-1合金及其組織一、合金的基本概念1.合金合金是以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過熔合而獲得的具有金屬特性的材料，即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。2.組元組成合金最簡單的、最基本的、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元，簡稱元。3.相合金中成分、結(jié)構(gòu)及性能相同的組成部分稱為相。4.組織合金的組織指合金中不同相之間相互組合配置的狀態(tài)。二、合金的組織根據(jù)合金中各組元之間結(jié)合方式的不同，合金的組織可分為固溶體、金屬化合物和混合物三類。合金的組織續(xù)表無論是間隙固溶體還是置換固溶體，在其形成過程中都會使溶劑晶格發(fā)生畸變，從而使合金對變形的抗力增加。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬材料強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。形成固溶體時的晶格畸變a)間隙固溶體b）置換固溶體§3-2鐵碳合金的基本組織與性能鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的合金，它們均是以鐵和碳為基本組元的合金，故又稱為鐵碳合金。一、鐵素體(F)碳溶解在α—Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F表示。鐵素體的晶胞示意圖鐵素體的顯微組織二、奧氏體(A)碳溶于γ—Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號A表示。

奧氏體的晶胞示意圖奧氏體的顯微組織三、滲碳體(Fe3C或Cm)滲碳體是含碳量為6.69%的鐵與碳的金屬化合物，其化學(xué)式為Fe3C。滲碳體的晶胞示意圖四、珠光體(P)珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，用符號P表示。珠光體的顯微組織a)光學(xué)顯微鏡觀察組織b)電子顯微鏡觀察組織五、萊氏體(Ld)萊氏體是奧氏體和滲碳體的混合物，用符號Ld表示。低溫萊氏體的顯微組織鐵碳合金基本組織的性能級特點(diǎn)§3-3鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是表示在緩慢冷卻(或緩慢加熱)條件下，不同成分的鐵碳合金的狀態(tài)或組織隨溫度變化的圖形。一、鐵碳合金相圖的組成在鐵碳合金中，鐵和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。鐵和碳形成的化合物為便于掌握和分析Fe—Fe3C相圖，將相圖上實(shí)用意義不大的部分省略，簡化后的Fe—Fe3C相圖如下。簡化后的Fe—Fe3C相圖二、Fe—Fe3C相圖中特性點(diǎn)、線的含義及各區(qū)域內(nèi)的組織Fe—Fe3C相圖中有七個特性點(diǎn)及六條特性線。1.主要特性點(diǎn)Fe—Fe3C相圖中的七個特性點(diǎn)及其溫度、含碳量和含義2.主要特性線Fe—Fe3C相圖中的六條特性線及其含義三、鐵碳合金的分類鐵碳合金的室溫組織及分類四、鐵碳合金結(jié)晶過程分析1.共析鋼圖中合金Ⅰ為含碳量0.77%的共析鋼。2.亞共析鋼圖中合金Ⅱ是含碳量為0.45%的亞共析鋼。3.過共析鋼圖中合金Ⅲ是含碳量為1.2%的過共析鋼。4.白口鑄鐵圖中合金Ⅳ是共晶白口鑄鐵，合金Ⅴ表示某一成分的亞共晶白口鑄鐵，合金Ⅵ表示某一成分的過共晶白口鑄鐵。典型合金在Fe—Fe3C相圖中的位置含碳量為0.45%的亞共析鋼的顯微組織含碳量為1.2%的過共析鋼的顯微組織共晶白口鑄鐵的顯微組織亞共晶白口鑄鐵的顯微組織過共晶白口鑄鐵的顯微組織五、鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系分析鐵碳合金的室溫組織不難發(fā)現(xiàn)，隨含碳量的增加，其組織順序?yàn)镕→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L'd→L'd→L'd+Fe3CⅠ含碳量越高，鋼的強(qiáng)度、硬度越高，而塑性、韌性越低，在鋼經(jīng)過熱處理后表現(xiàn)尤為明顯。對非合金鋼及低、中碳合金鋼來說，其含碳量一般不超過1.3%。六、Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用作為選材的依據(jù)2.在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用3.在鍛造工藝上的應(yīng)用4.在熱處理工藝上的應(yīng)用Fe—Fe3C相圖與鑄、鍛工藝的關(guān)系§3-4觀察鐵碳合金的平衡組織（試驗(yàn)）第四章非合金鋼§4-1雜質(zhì)元素對非合金鋼性能的影響一、煉鋼過程概述1.采用不同的熱源將原料(生鐵、廢鋼等)熔化。2.采用不同的方法(如加入氧化鐵，使接觸氧化性爐氣，或通入空氣、富氧空氣甚至純氧等)使鋼液中的碳、硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素氧化。3.加入造渣材料使雜質(zhì)元素的氧化生成物進(jìn)入爐渣而被排除或生成氣體而逸出。4.氧化終了時，鋼液中不可避免地溶解了過多的氧，以及生成部分氧化鐵。為此，必須加脫氧劑進(jìn)行脫氧，并使脫氧生成物進(jìn)入爐渣而與鋼液分離。5.根據(jù)所煉鋼種的要求加入合金元素，調(diào)整成分，調(diào)整鋼液溫度，然后出鋼。二、煉鋼方法對鋼的質(zhì)量和性能的影響鋼的質(zhì)量及其性能與鋼的純凈程度(即鋼中固體及氣體夾雜物的含量)密切相關(guān)，而其純凈程度又與煉鋼方法密切相關(guān)。普通轉(zhuǎn)爐鋼的純凈程度最差，因而其力學(xué)性能特別是韌性最差。電爐鋼的純凈度最高，因而其力學(xué)性能也最好。平爐鋼的純凈程度則介于普通轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼之間，其力學(xué)性能也是如此。三、脫氧方法對鋼的質(zhì)量和性能的影響煉鋼用的脫氧劑，一般有錳、硅及鋁等。在這三種脫氧劑中以錳的脫氧能力最弱，但錳脫氧的生成物MnO容易進(jìn)入爐渣而被除去，因而鋼液不受沾污。硅的脫氧能力比錳強(qiáng)十倍左右，但其脫氧生成物SiO2不易全部進(jìn)入爐渣，而部分地成夾雜物殘留在鋼中。鋁的脫氧能力更強(qiáng)，然而鋁的脫氧生成物Al2O3不易聚成顆粒進(jìn)入渣中，因而當(dāng)脫氧用鋁量較大時，就會使鋼中含有大量Al2O3的非金屬夾雜物。通常在鋼液脫氧時先加入錳鐵、硅鐵，待鋼液含氧量降低到一定程度時，再加鋁進(jìn)行進(jìn)一步脫氧。殘留在鋼中的脫氧產(chǎn)物，對鋼的組織和性能有明顯影響。四、雜質(zhì)元素對鋼的質(zhì)量和性能的影響1.錳錳是鋼中的有益元素，是煉鋼時用錳鐵脫氧而殘留在鋼中的。錳有很好的脫氧能力，還可以與硫形成MnS，從而消除硫的有害作用。錳作為雜質(zhì)，含量一般應(yīng)不超過0.8%。2.硅硅是鋼中的有益元素，它是作為脫氧劑而進(jìn)入鋼的。硅的脫氧能力比錳還強(qiáng)，能提高鋼的強(qiáng)度及質(zhì)量。硅作為雜質(zhì)，含量一般應(yīng)不超過0.4%。3.硫硫是鋼中的有害元素，常以FeS的形式存在。鋼中含硫量必須嚴(yán)格控制，通常應(yīng)小于0.05%。4.磷磷是鋼中的有害元素，它使鋼冷脆性增大。鋼中含磷量也要嚴(yán)格控制，通常應(yīng)小于0.045%。5.氧氧通常以FeO形式或非金屬夾雜物(如A12O3、SiO2等)形式存在于鋼中。氧有使鋼呈熱脆性的作用。6.氮氮在高溫下能溶于γ-Fe或α-Fe中，急速冷卻后并不立即析出，而將在長期擱置時以細(xì)小分散的氮化物析出，從而使鋼的韌性顯著下降，導(dǎo)致工件易于脆性破壞，這種現(xiàn)象稱為時效。7.氫盡管氫在鋼中含量不多，但即使是微量氫的存在也會造成氫脆等缺陷，因而是有害元素。§4-2非合金鋼的分類一、按非合金鋼的含碳量分類1.低碳鋼含碳量≤0.25%。2.中碳鋼含碳量為0.25%~0.6%。3.高碳鋼含碳量≥0.60%。二、按非合金鋼的質(zhì)量等級分類1.普通質(zhì)量非合金鋼

2.特殊質(zhì)量非合金鋼

3.優(yōu)質(zhì)非合金鋼

三、按非合金鋼的用途分類1.碳素結(jié)構(gòu)鋼2.碳素工具鋼四、按非合金鋼冶煉時脫氧程度分類1.沸騰鋼2.鎮(zhèn)靜鋼3.特殊鎮(zhèn)靜鋼五、其他分類方法非合金鋼還可以從其他角度進(jìn)行分類。例如，按專業(yè)領(lǐng)域分為鍋爐用鋼、橋梁鋼、礦用鋼等;按冶煉方法分為轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼等?！?-3非合金鋼的牌號與用途一、非合金鋼的牌號表示方法非合金鋼的牌號表示方法（摘自GB/T221—2008、GB/T5613—2014）續(xù)表二、常用非合金鋼的性能和用途1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分及力學(xué)性能(摘自GB/T700—2006)碳素結(jié)構(gòu)鋼的