蔡启舟-工程材料学(ii)第四章.ppt
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1、第四章 铁碳合金,铁碳合金组元及基本相 Fe-Fe3C相图分析 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织 含碳量对组织和性能的影响 钢中的杂质元素及钢锭组织 碳钢,2,第一节 铁碳合金的组元及基本相,1.1 组元,Fe铁是过渡族元素, 熔点或凝固点为1538, 相对密度是7.87g/cm3。 纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394及912时, 先后发生两次同素异构转变。,1394,(1) 纯铁, 铁的同素异构转变,3,工业纯铁:Fe99.899.9%,杂质0.10.2%,主要是碳。,抗拉强度b 176274MPa 屈服极限0.2 98166MPa 延伸率 3050% 断面收缩率 7080% 冲击韧
2、性 ak 160200J/cm2 硬 度 5080HBS,主要机械性能如下:, 纯铁的性能与应用,纯铁的塑性和韧性很好,但其强度很低,很少用作结构材料。纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性。工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率,可用于要求软磁性的场合,如各种仪器仪表的铁心等。,4,定义:Fe 与 C 所形成的金属化合物 晶格结构:复杂正交 性能:HBS=800,0,0 硬而脆钢中强化相(耐磨性好) Fe3CFe + C(石墨) 弱的铁磁性(230 ) 理论计算其熔点为1227 可用符号Cm (Cementite),(2) 渗碳体(Fe3C),5,(2)-铁素体,又称高温铁素体,是碳在-
3、Fe中的间隙固溶体,呈体心立方晶格,在1394以上存在。碳的最大溶解度:0.09%(1495)。,1.2 基本相,液相是铁与碳在高温下的液溶体,相图中标记 L(Liquid)。,(1) 液相,Fe3C相 是一个化合物相,渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态,是钢中主要的强化相,对铁碳合金的力学性能有很大影响。,(3) 渗碳体(Fe3C或Cm),6,定义:碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体(高温组织) 晶格结构:fcc 溶解度:0.77% (727) 2.11% (1148),(4) 奥氏体(A或),奥氏体的金相组织,7,定义:碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体。 晶格结构:bcc
4、最大溶解度:0.0218%(727),室温时仅0.0008%。,铁素体的金相组织,(5)铁素体( F或),(6) 石墨 在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨,组织记G (Graphite)。 将在铸铁一章中讲解。,8,第二节 FeFe3C合金相图分析,2.1 相图形式,点:14个。 线: 三条等温转变线; 液相线、固相线 其余线:GS, ES, PQ 相区: 5个单相区 7个两相区 3个三相区,9,2.2 铁碳合金三相平衡转变,(1) 包晶反应,这是一包晶反应,发生在高温,并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。,10,当含碳量为0.17%,进行包晶反应时,奥氏体沿相与液相的界面生核,并向相
5、和液相两个方向长大。包晶反应终了时,相与液相同时耗尽,变为单相奥氏体。 含碳量在0.090.17之间的合金,由于铁素体的量较多,当包晶反应结束后,液相耗尽,仍残留一部分铁素体。这部分相在随后的冷却过程中,通过同素异构转变而变成奥氏体。 含碳量在0.170.53之间的合金,由于反应前的相较少,液相较多,所以在包晶反应结束后,仍残留一定量的液相,这部分液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体。,11,共晶反应,产物共晶体组织称为莱氏体,记录Ld(Ledeburite),(2) 共晶反应,12,共析反应,产物为两相层片交替分布的共析体组织称为珠光体,记录P(Pearlite),(3) 共析反应,13,不同放
6、大倍数下的珠光体组织,14,2.3 Fe-Fe3C相图特性点、特性线及相区,(1) 14个特性点,15,16,AB、BC、CD线为液相线, AH、JE、ECF线为固相线。 HJB为包晶反应线 ECF为共晶反应线,(2) 相图中的特性线,17,PSK为共析反应线(A1线) ES线为碳在奥氏体中的溶解度曲线(Acm) PQ线为碳在铁素体中的溶解度曲线 GS线是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的温度线,通常称A3线,18,(3) 相图中相区,五个单相区:液相区 L 高温固溶体 奥氏体 (A) 铁素体 (F) 渗碳体 Fe3C,七个双相区: L L L Fe3C Fe3C Fe3C,三个三相区: H
7、JB线 L ECF线 L Fe3C PSK线 Fe3C,19,第三节 铁碳合金平衡结晶过程分析,铁碳合金按组织、性能、应用特点分为以下类型: 工业纯铁 (C%2.11%) 亚共晶白口铸铁(2.11%2.11%) 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁 (第十二章),20,3.1工业纯铁(C%0.02%),含碳量大于Q点(0.008%)时,理论上将从-Fe中析出的Fe3C称为三次渗碳体。,21,但这个转变大多被抑制,形成微量的过饱和状态。通常的组织为单一铁素体。,室温下三次渗碳体含量最大的是wc = 0.0218 wt%的铁碳合金,其百分含量为: w (Fe3CIII) = 0.0218/6.69100%
8、 0.33%,22,3.2 共析钢(C%0.77%),相转变过程,组织组成物 : P (层片状) 100%,23,共析转变全部生成共析组织,两相一般为层片状分布,组织为单一的珠光体。两相的重量比两相的厚度比8:1 。,相组成物:,24,3.3 亚共析钢(0.0218%C0.77%),组织组成物 ? 相组成 ?,相转变过程,25,含0.4%C的亚共析钢的组织组成物为和P, 它们的质量分数为:,钢的组成相为和Fe3C, 它们的质量分数为:,(以上计算为室温条件下),26,0.20%C,0.40%C,0.60%C,随着含碳量的增加,组织中的珠光体量增加,27,3.4 过共析钢(0.77%C2.11%
9、),相转变过程,28,说明:脆性的渗碳体以网分隔了材料,所以材料的性能特点很脆,工程中使用并不希望出现这种组织。,含1.2%C的过共析钢的组织组成物为Fe3CII和P。,相组成物为和Fe3C,29,在过共析钢中,二次渗碳体的数量随钢中含碳量的增加而增加,当含碳量较多时,除了沿奥氏体晶界呈网状分布外,还在晶内呈针状分布。 当含碳量达到2.11%时,二次渗碳体的数量达到最大值,其含量可用杠杆定律求得:,30,3.5 共晶白口铁(C%=4.3%),共晶温度:1148 共晶反应:,高温莱氏体Ld,727时,奥氏体发生共析转变,高温莱氏体转变为变态莱氏体 (珠光体、共晶渗碳体),31,珠光体:黑色斑点或
10、条块状 Fe3C基体:白色,变态莱氏体的组织特征是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上。,组织组成物为:,相组成物:、Fe3C、,32,3.6 亚共晶白口铁(C%=2.114.3%),组织转变:,33,室温平衡组织:,黑色带树枝状特征的是P,分布在P周围的白色网是Fe3C,具有黑白斑点状特征的是变态莱氏体。,3.0%C铸铁的组织组成物中初生奥氏体的含量为:,莱氏体含量:,从奥氏体中析出二次渗碳体的含量:,34,3.7 过共晶白口铁(C%=4.36.69%),组织转变:,35,白色条状特征的是一次Fe3C,具有黑白点条状特征的是,组织组成物:,相组成物:、Fe3C,36,第四节 碳对铁碳合金平衡组织和
11、性能的影响,4.1 对平衡组织的影响,37,组织特征、组织组成物、相组成物,38,4.2 对力学性能的影响,硬度 、强度 、塑性 、韧性,HB:取决于相及相对量,含碳量性能,强度:C%,0.9%,塑性、韧性: C%塑性、韧性,39,4.2 对工艺性能的影响,(1) 切削加工性能,切削加工性能的评价:允许的切削速度、切削力、表面粗糙度。,材料的硬度太软,容易粘刀,切削热大,影响表面粗糙度; 材料的硬度太硬,刀具磨损严重。钢的硬度在250HBw左右时,切削加工性最好。 奥氏体钢的导热性差,切削加工性差。 晶粒尺寸,粗晶易断屑,切削加工性较好。 渗碳体的形态,过共析钢为片状珠光体+二次渗碳体,加工性
12、能很差,若组织为粒状珠光体,则可改善切削加工性。,40,对可锻性而言,低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时,塑性好、强度低,便于塑性变形,所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度,始轧和始锻温度不能过高,以免产生过烧;始轧和始锻温度也不能过低,以免产生裂纹。,(2) 可锻性,金属的可锻性是指金属压力加工时,能改变形状而不产生裂纹的性能。,41,(3) 可焊性,钢中含碳量越高,其可焊性越差,故焊接用钢主要是低碳钢和低碳合金钢。,金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的倾向性为其技术判断指标。,42,(4) 铸造性能,金属的铸造性包括,金属的流动性
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- 蔡启舟 工程 材料 ii 第四
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