浙江XX学院第七章黑色金属材料

page§7黑色金属材料1浙江XX学院汽车机械基础教案NO.7授课班级授课日期编制人日期检查人日期抽查人日期王增乐教学内容分析课题§7黑色金属材料重点难点熟悉黑色金属的组织结构和合金相图了解典型的材料热处理方法学情分析铁碳合金是最常见的金属材料，在金属工艺学部分的学习中中，铁碳合金及其热处理是本书的重要内容。教学目标设计1，学会根据铁碳合金相图判断合金性能2，学会根据各种铁碳合金的不同特点选择相应材料的能力教学准备教案，教本，教师手册教学方法讲授、学生练习相结合。教学过程设计摘要占用时间教学组织师生问候、考勤复习金属的工艺性能导入铁碳合金在当今社会的广泛应用讲授新课第一节铁碳合金的基本组织和合金相图第二节钢的热处理第三节碳素钢第四节合金钢第五节铸铁课堂练习P40T1回答P40T2回答布置作业P40T2小结回顾本节课学习的内容page§7黑色金属材料2讲授内容以及师生活动课堂常规一、组织教学检查学生出勤，并记录二、复习提问金属的工艺性能三、导入新课金属材料。四、讲授新课§7-1铁碳合金的基本组织和合金相图一基本概念合金，是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。中国是世界上最早研究和生产合金的国家之一，在商朝(距今3000多年前)青铜(铜锡合金)工艺就已非常发达；公元前6世纪左右(春秋晚期)已锻打(还进行过热处理)出锋利的剑(钢制品)。我们常将两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质叫做合金。但合金可能只含有一种金属元素，如钢。（钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.04%之间的铁合金的统称）这里我们需要注意，尽管常见是合金一般是混合物，但是合金可以是纯净物，例如金属互化物组元，组成合金的独立的、最基本的单元称为组元，组元可以是组成合金的元素或稳定的化合物。有两个组元组成的合金是二元合金；有三个组元组成的合金是三元合金；有三个以上组元组成的合金为多元合金。如普通黄铜就是由铜和锌两种组元组成的我们叫二元合金,；硬铝是由铝,铜,镁三组元组成的我们就叫三元合金。合金相：当一种(或多种)元素加入到金属中组成合金时，随着各组元相对含合金相量、晶体结构类型、电化学性质、原子相对尺寸、电子浓度和合金的温度等因素的不同，可以得到不同的结构或原子排列方式。这些不同结构和不同原子排列方式的相统称为合金相。绝大多数实用的金属材料都是由一种或几种合金相所构成的合金。合金相的结构和性质以及各相的相对含量，各相的晶粒大小、形状和分布对合金的性能起着决定性的作用。固溶体是金属结构中最常见的合金相类型。绝大多数金属材料或是由固溶体组成，或是以固溶体为基，其中分布一定的金属间化合物。在固溶体点阵中，原子之间的结合基本上合金相是金属键。和固态纯金属一样，固溶体内存在着各种各样的晶体缺陷，如空位、离位原子、位错、亚晶界和晶粒间界等等；这些缺陷引起固溶体点阵的畸变。此外，由于异类原子的溶入也造成点阵的畸变。这些畸变对金属的性能产生重大影响，如提高合金的强度和电阻率等。代位固溶体固溶体中如果溶质原子半径和溶剂原子半径相近，则固溶原子将取代溶剂原子分布在后者的位置上形成代位固溶体金属互化物当形成合金的元素其电子层结构、原子半径和晶体类型相差较大时，易形成金属化合物（又称金属互化物）。金属化合物的晶体类型不同于它的分组金属，自成新相。金属化合物合金的结构类型丰富多样，有20000种以上，不胜枚举，有的结构可找到离子晶体或共价晶体的相关型，有的则是独特的结构类型，如NaTl晶胞是CsCl晶胞的8倍超构，同型化合物Nb3Ge实用于高分辨核磁共振仪；MoAl12是具有复杂配位结构的例子。机械混合物，学生自学二铁碳合金的基本组织一、铁碳合金中的基本相铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。1,铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号F(或α)表示,体心立方晶格;虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.page§7黑色金属材料3铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好，而强度，硬度低：.δ=30%~50%，AKU=128~160J，σb=180~280Mpa，50~80HBS，铁素体的显微组织与纯铁相同。2,奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号A(或γ)表示,面心立方晶格;虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.在一般情况下,奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高。另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件。奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在.3,渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式Fe3C表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃,质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响.4.珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc=0.77%。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。5.莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。分为高温莱氏体和低温莱氏体两种。6马氏体对固态的铁基合金(钢铁及其他铁基合金)以及非铁金属及合金而言，是无扩散的共格切变型相转变，即马氏体转变的产物。就铁基合金而言，是过冷奥氏体发生无扩散的共格切变型相转变即马氏体转变所形成的产物。铁基合金中常见的马氏体，就其本质而言，是碳和(或)合金元素在α铁中的过饱和固溶体。就铁-碳二元合金而言，是碳在α铁中的过饱和固溶体。在铁碳合金中主要有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的.铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为Fe-Fe3C相图,此时相图的组元为Fe和Fe3C._由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图.三铁碳合金状态图图3-1以相组成物标注的铁碳合金相图（一）、铁碳合金相图的分析Fe-Fe3C相图如图所示。可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相，铁素体相，奥氏体相和渗碳体相Fe3C。这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+、L+Fe3C、δ+、+Fe3C、+和+Fe3C。在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。相图中各特征点的温度、成分及其含义如下示。Fe-Fe3C相图中有三条水平线（三相区）：HJB水平线（1495C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53+0.090.17（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。ECF水平线（1148C）为共晶线，与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.32.11+Fe3C。转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号“Le”表示。莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。PSK水平线（727C）为共析线，与该线成分（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：0.770.0218+Fe3C。转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。共析线又称为A1线。此外，Fe-Fe3C相图中还有六条固态转变线：GS、GP为⇄固溶体转变线，HN、JN为δ⇄固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。GS线又称为A3线，JN线又称为A4线。ES线为碳在-Fe中的固溶线。在1148C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727C时溶解度只有0.77%。所以含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148C冷至727C时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为Fe3CII。二次渗碳体通常沿奥氏体晶界呈网状分布。ES线又称为page§7黑色金属材料4Acm线。PQ线为碳在-Fe中的固溶线。在727C，碳的溶解度最大，为0.0218%，随温度降低，溶解度下降，到室温时溶解度仅为0.0008%。所以铁碳合金自727C向室温冷却的过程中，将从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，标记为Fe3CIII。因其析出量极少，在含碳量较高的合金中不予以考虑，但是对于工业纯铁和低碳钢，因其以不连续网状或片状分布于铁素体晶界，会降低塑性，所以对于Fe3CIII的数量和分布还是要加以控制。综上所述可见，铁碳合金中的渗碳体根据形成条件不同可分为一次渗碳体Fe3CⅠ（由液相直接析出的渗碳体）、二次渗碳体Fe3CⅡ、三次渗碳体Fe3CⅢ、共晶渗碳体和共析渗碳体五种。它们分属于不同的组织组成物，区别仅在于形态和分布不同，但都同属于一个相。由于它们的形态和分布不同，所以对铁碳合金性能的影响也不相同。另外，Fe-Fe3C相图中还有两条物理性能转变线：MO线（770C）是铁素体磁性转变温度。在770C以上，铁素体为顺磁性物质，在770C以下，铁素体转变为铁磁性物质。此线又称为A2线；UV线（230C）是渗碳体磁性转变温度，又称为A0线。铁碳合金相图中的特性点（特性点的符号是国际通用的，不能随便更换）符号温度/℃WC（%）说明符号温度/℃WC（%）说明A15380纯铁的熔点J14950.17包晶点B14590.53包晶转变时液态合金的成分F7276.69渗碳体的成分C11484.3共晶点M7700纯铁的磁性转变点D11486.69渗碳体的熔点N13940δ-Fe、γ-Fe的转变温度E11482.11渗碳体的成分P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度G9120α-Fe、γ-Fe转变温度（A3）S7270.77共析点（A1）H14950.09碳在中δ-Fe的最大溶解度Q6000.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度page§7黑色金属材料5相图中的线、区及其意义区域意义区域意义ABCD以上液相区（L）AHNAδ固溶体区（δ）NJESGN奥氏体区（γ或A）GP