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1、第五章 铁碳合金相图及碳素钢 (P56) 第一节 铁碳合金中的相与基本组织 第二节 铁碳合金相图 第三节 碳素钢 高山流水 第一节 铁碳合金中的相与基本组织 一、Fe的同素异晶转变及晶体结构(P56 ) w 同素异晶转变是指金属在结晶成固态 以后继续冷却的过程中晶格类型随温度下 降而发生变化的现象,也称同素异构转变 。 Fe的冷却曲线及相应的晶体结构( P56) L-Fe -Fe -Fe -Fe 15381394912 液相体心面心体心 同素异构转变(重结晶)的特点 (P56) 1)在固态下进行; 2)同素异构体的晶核优先在原来晶粒的晶 界处形成; 3)同素异构转变有较大的过冷度; 4)同素异
2、构转变往往要产生较大的内应力 注意重结晶与再结晶的区别 二、铁碳合金中的相(相组成物) 1、铁素体(P57) 铁素体(F或) 碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体 室温相常作基本相(基体相) 铁素体强度、硬度不高、塑性、韧性很好 F的金相组织示意图 二、铁碳合金中的相(相组成物) 2、奥氏体(P58) 奥氏体(A或) 1)碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固 溶体; 2)高温相,存在于727以上,一般不 存在于室温; 3)奥氏体强度不高,塑性很好。 二、铁碳合金中的相(相组成物) 3、渗碳体(P58) 渗碳体(Fe3C) w 铁与碳形成的间隙化合物,含碳量6.69%; w 室温相常作为钢的第二弥散
3、强化相; w 渗碳体具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性 ; 一次渗碳体Fe3CI:从液相直接结晶出来。 二次渗碳体Fe3CII:从A中析出。 三次渗碳体Fe3CIII:从F中析出。 二、铁碳合金中的相(相组成物) 4、石墨(P58) 石墨(G) w Fe-C合金中游离存在的碳 w 石墨的强度、塑性、硬度都很低 二、铁碳合金中的相(相组成物) 4、液相(P58) 液相(L) 液态的铁碳合金 铸铁浇注照片 三、铁碳合金中的基本组织 (组织组成物)(P58) 1、珠光体(P) 共析转变:恒温下,一种固相同时析出两种不同 成分固相的机械混合物(共析体)。 A0.77 (F+Fe3C) P 珠光体的力学
4、性能介于F和 Fe3C之间,强度较高,硬 度适中,有一定的塑性。 727 P的金相显微镜组织 三、铁碳合金中的基本组织 (组织组成物)(P58) 2、高温莱氏体(Ld) L4.3 (A+Fe3C) Ld 共晶转变 高温莱氏体是存在于727以上的一种基 本组织,硬度很高,塑性很差。 1148 三、铁碳合金中的基本组织 (组织组成物)(P58) 3、低温莱氏体(Ld) 在727以下高温莱氏体中的奥氏体又发 生共析转变成珠光体,这时的莱氏体就变成 由P和Fe3C组成,成为低温莱氏体。 低温莱氏体是室温下的一个基本组织 三、铁碳合金中的基本组织 (相组成和组织组成物总结)(P58 ) 相组成: L、A
5、、F、 Fe3C、G; 组织组成: F、A、 Fe3CI 、 Fe3CII 、 Fe3CIII、 P、 Ld、 Ld 第二节 铁碳合金相图(P59 ) 一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 二、对Fe-Fe3C相图的分析 三、典型铁碳合金的结晶过程 四、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响 五、Fe-Fe3C相图的应用 一、Fe-C相图与(P59) 简化了的Fe-Fe3C相图 二、对Fe-Fe3C相图的分析 (一)相图中的主要点(P59) 点温度碳量含 义 A15380纯铁熔点 B14950.53包晶转变时的液相成分 C11484.3共晶点 LC - (AE+Fe3C) Ld D12276.69F
6、e3C熔点 E11482.11C在-Fe中的最大溶解度 F11486.69共晶Fe3C成分点 G9120-Fe-Fe同素异构转变点 H14950.09C在-Fe中的最大溶解度 J14950.17包晶成分点 LB+H - AJ K7276.69共析Fe3C成分点 N13940-Fe-Fe同素异构转变点 P7270.0218C在-Fe中的最大溶解度 S7270.77共析点 AS - (FP+Fe3C) P Q室温0.0008 二、对Fe-Fe3C相图的分析 (二)相图中的主要相变线(P59) 主要线温 度()含 义 ABCD15381227液相线 AHJECF15381148固相线 HJB1495
7、包晶转变线 ECF1148共晶线 PSK727共析线 A1 ES1148727C在-Fe中的溶解度线 Acm PQ727600C在-Fe中的溶解度线 GS912727A向F转变的开始线 A3 GP912727A向F转变的终了线 一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图(P59 ) 二、对Fe-Fe3C相图的分析 (二)相图中的相区(P61) 相图中的相区 1)单相区5个:L、A、F、Fe3C 2)双相区7个:+L、 +A、 A+L、 L+ Fe3C、 A+ Fe3C、 A+F、 F+ Fe3C 3)三相区3个:L+A、 L+A+ Fe3C、 A+F+ Fe3C 包晶线 共晶线 共析线 三、典型铁碳
8、合金的结晶过程 (一)Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类(P61 ) 1、工业纯铁 Wc0.02% 2、碳素钢 0.02% Wc2.11% 1)共析钢 Wc=0.07% 2)亚共析钢 0.02% Wc0.77% 3)过共析钢 0.77% Wc2.11% 3、白口铸铁 2.11% Wc 6.69% 1)共晶白口铸铁 Wc=4.3% 2)亚共晶白口铸铁 2.11% Wc4.3% 3)过共晶白口铸铁4.3% Wc 6.69% (二)典型合金的相变过程 1、工业纯铁在平衡态下的结晶过程(P61) 显微组织照片 1点以上 L ; 34点 +A; 67点 F; 12点 L+; 45点 A ; 7点以下 F
9、+ Fe3CIII; 23点铁素体相 ; 56点 A+F; 室温下:相组成物F、Fe3C (二)典型合金的相变过程 1、共析钢在平衡态下的结晶过程(P62) 1点以上 L; 12点 L+A; 23点 A; 3点 共析转变AS (FP+Fe3C) P (片层状分布)共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团 34点 F+ Fe3CIII+ Fe3C P 室温下:相组成物F、Fe3C; 组织组成物 P 727 (二)典型合金的相变过程 3、亚共析钢在平衡态下的结晶过程(P63) 1点以上 L; 2点 包晶转变0.09+ L0.53 A0.17 12点 L+; 5点 共析转变A0.77 (FP+Fe3C) P
10、 23点 A+L; 56点 F+ Fe3CIII +PF+P 34点 A; (Fe3CIII含量很少,可以忽略不计) 45点 A+F; 室温下:相组成物F、Fe3C ;组织组成物F、P 1495 727 (二)典型合金的相变过程 含碳量的估算(P64) (FF白色白色 PP黑色)黑色) 通过光学显微镜观察估通过光学显微镜观察估 计某一铁碳合金中的计某一铁碳合金中的P P 所占比例,可用杠杆定所占比例,可用杠杆定 律估算出该合金的律估算出该合金的WW C C 即:即: WW C C =0.77%Q=0.77%Q P P 亚共析钢显微照片 (二)典型合金的相变过程 4、过共析钢的相变过程(P64)
11、 1点以上 L; 4点 共析转变A0.77 (FP+Fe3C) P 12点 L+A; 45点 P+ Fe3CII 23点 A; 室温下:相组成物F、Fe3C 34点 A+ Fe3CII 组织组成物P、Fe3CII 727 显微组织照片 (二)典型合金的相变过程 5、共晶白口铸铁的相变过程(P65) 1点以上: L; 1点 : 共晶转变L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld ; 12点: A+ Fe3CII + Fe3C Ld 二次渗碳体与共晶渗碳体 混成一体; 2点 ; 共析转变A0.77 (FP+Fe3C) P; 23点: (P+ Fe3CII+ Fe3C) Ld; 室温下:相组成物 F、
12、Fe3C; 组织组成物 Ld 渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体 显微照片 1148 727 (二)典型合金的相变过程 6、亚共晶白口铸铁的相变过程(P65) 1点以上: L; 12点: L+A; 2点: 共晶转变L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld 23点: A+ Fe3CII + Ld; 3点 : 先共晶A共析转变 A0.77 (FP+Fe3C) P Ld Ld 34点 : P+ Fe3CII + Ld ; 室温下:相组成物 F、Fe3C ; 组织组成物 :P、Fe3CII 、Ld 显微组织照片 1148 727 (二)典型合金的相变过程 6、过共晶白口铸铁的相变过程(P66) 1点以
13、上: L; 12点: L+ Fe3CI ; ( 先共晶渗碳体,呈粗大条状 ) 2点: 共晶转变L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld ; 23点 : Fe3CI + Ld; 3点: Ld Ld、 Fe3CI; 34点: Fe3CI + Ld; 室温下:相组成物 F、Fe3C; 组织组成物 Ld、Fe3CI 1148 过共晶白口 铁显微照片 四、按组织组成物分区的Fe-Fe3C相图 (P67) F+PP P+ Fe3CII A A+ Fe3CII F+A A+ Fe3CII+ Ld A+ Fe3CII+ Ld Fe3CI + Ld Fe3CI + Ld Ld Ld 五、含碳量对铁碳合金组织与性
14、能的影响 (一)含碳量对铁碳合金组织的影响 (P68) 随着含碳量增加时,渗碳体不仅数量增加,形态和分布也发生了很 大变化。(渗碳体分布在P内网状分布在A晶界上形成莱氏 体时,渗碳体则成了基体 。) (二)含碳量对铁碳合金性能的影响 1、对热变形加工性能的影响(P68) w WC2.11%时(纯铁与碳素钢),高温时 可获得单相A固溶体组织(塑性好),可 进行热变形加工。 w WC2.11%时(白口铸铁),高低温区都 有脆硬的莱氏体,不能进行热变形加工。 (二)含碳量对铁碳合金性能的影响 2、对力学性能的影响(P68) (1)硬度 WC增加,硬度增加 ; (2)强度 WC0.9%时,WC 增加,
15、强度降低; (3)塑性、韧性 WC增加,塑 性、韧性下降; 为了保证工业用钢具有 足够的强度和塑性、韧性, 碳素钢的含碳量一般不超过 1.4% 。 (二)含碳量对铁碳合金性能的影响 3、对物理化学性能的影响(P68) w WC增加,导热性下降、抗电化学腐蚀性 能下降、焊接工艺性下降、铸造工艺性下 降 六、Fe-Fe3C相图在工业生产中的应用 1、在选材方面的应用(P69) 根据零件的使用性能选择钢的成分(钢号): 1)要求塑性、韧性好而强度不高的机件低 碳钢(WC0.6% 2、按钢的质量分 (1)普通钢 WS0.05% WP0.045% (2)优质钢 WS0.035% WP0.035% (3)
16、高级优质钢 WS0.02% WP0.03% 二、碳素钢的分类、钢号和主要用途 (一)碳素钢的分类 (P72) 3、按钢的用途分 (1)碳素结构钢 (2)优质碳素结构钢 (3)碳素工具钢 (4)一般工程用铸造碳素钢件(铸钢) 二、碳素钢的分类、钢号和主要用途 (一)碳素钢的分类 (P72) 4、按炼钢时的脱氧程度分 (1)沸腾钢(F) 脱氧不彻底 (2)镇静钢(Z) 脱氧彻底 (3)半镇静钢(b) 脱氧程度介于F和Z之间 (4)特殊镇静钢(TZ) 进行特殊脱氧 (二)碳素钢的钢号命名方法 和主要用途(P72) 1、碳素结构钢 主要用途:各类工程。通常热轧后空冷供货,用 户一般不需进行热处理而直接
17、使用。这类钢共 分五个强度等级。 命名:标志符号Q+最小S值等级符号+脱氧程度 符号 如:Q235-AF 等级符号:A、B、C、D(D级达到了优质钢水 平) (二)碳素钢的钢号命名方法 和主要用途(P78) 2、优质碳素结构钢 主要用途:重要机件。可以通过热处理调整零件 的力学性能。出厂状态可以是热轧后空冷,也 可以是退火、正火等状态。随用户需要而定。 命名:用两位数字表示,两位数字表示钢中含碳 量的万分之几。 如:45钢 WC=0.45% 常用牌号:08F、15、45、60、60Mn等。 (二)碳素钢的钢号命名方法 和主要用途(P78) 3、碳素工具钢(WC=0.65%1.35% 属高碳钢) 主要用途:制作各种小型工具。可进行淬火、低 温回火处理获得高硬度高耐磨性。分为优质级 和高级优质级两大类。 命名:标志符号T+含碳量的1000倍。 如:T10 WC=1.0% 高级优质级在钢号尾部加A,如T10A (二)碳素钢的钢号命名方法 和主要用途(P78) 4、一般工程用铸造碳素钢件(铸钢) 主要用途:难用锻压等方法成型的复杂零件 且力学性能要求较高; 命名:标志符号ZG+最低S值最低b值 如:ZG340-640 作业(P79) 第2、4、5、8、10题
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