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1第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图一、组元的特性1.铁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。2工业纯铁的机械性能特点：强度低、硬度低、塑性好。抗拉强度σb180～230MPa屈服极限σ0.2100～170MPa延伸率δ30~50%断面收缩率ψ70~80%冲击韧性ak(1.6~2)×106J/m2硬度50~80HBS主要机械性能如下：32.碳游离的碳有石墨和金刚石两种晶体结构，在铁碳合金中的游离态是石墨。石墨(Graphite)具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合,间距0.142nm结合力较强，两层晶面的间距为0.34nm，结合力弱。C在Fe-C合金中的存在形式有三种：①C溶入Fe的不同晶格中形成固溶体；②C与Fe形成金属化合物，渗碳体(Fe3C)；③C以游离态石墨存在于合金中。4石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。渗碳体(cementite)在铁碳合金中是一种亚稳定相，在长时间高温下可分解为铁和石墨：Fe3C→Fe+C二、铁碳合金中的基本相α相：C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为F(Ferrite)或α。5γ相：C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为A(Austenite)或γ。δ相：C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。Fe3C相：铁和碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂斜方晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm(Cementite)。6渗碳体的机械性能特点是硬而脆,大致性能如下：抗拉强度极限σb延伸率，δ断面收缩率ψ冲击韧性，ak硬度30MPa000800HB渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态,对铁碳合金的机械性能有很大影响。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。L相碳在高温下熔入液体，相图中标记L。7三、Fe－Fe3C合金相图1、相图形式8符号温度,℃碳含量ω(C)%含义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点Lc→AE+Fe3CD12276.69Fe3C的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120α-Fe→γ-Fe同素异构转变点(A3)H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点LB+δH→AJK7276.69Fe3C的成分N13940γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点(A4)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点(A1)As→FP+Fe3CQ室温0.0008室温时碳在α-Fe中的溶解度2.Fe-Fe3C相图特性点和特性线9Fe-C相图中的主要相区1011相图中的特性线：ABCD线为液相线，AHJECF线为固相线。HJB为包晶反应线ECF为共晶反应线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123.铁碳合金三相平衡转变这是一包晶反应，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。14950.530.090.17L℃共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体，记录Ld(Ledeburite)11484.32.113LFeC℃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)7270.770.02183FeC℃134.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：HJB线L＋＋ECF线L＋＋Fe3CPSK线＋＋Fe3C14第二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%0.02%)钢(C%2.11%)亚共析钢共析钢过共析钢白口铸铁(C%2.11%)亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁1516一、共析钢(C%≈0.77%)相转变过程）（PCFeL3利用杠杆定律计算出来F和Fe3C两相的含量？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力学性能介于铁素体与渗碳体之间，即强度较高，硬度适中，有一定塑性17二、亚共析钢(0.0218%C0.77%)33FeLFCLeCⅢ组织组成物？相组成？18含0.4%C的亚共析钢的组织组成物为F和P,它们的质量分数为：钢的组成相为F和Fe3C,它们的质量分数为：6.690.4(%)100%94%6.69F3(%)194%6%FeC19三、过共析钢(0.77%C≤2.11%)L→L＋A→A→A＋Fe3CII→P＋Fe3CII含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe3C；组织组成物为Fe3CII和P,它们的质量分数为:31.20.77(%)100%7%6.690.77FeC(%)17%93%P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。20四、共晶白口铁(C%≈4.3%)共晶温度：1148℃共晶反应：1148(4.3%)(2.11%)3(6.69%)()CCC℃高温莱氏体Ld727℃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、二次渗碳体）'dL珠光体：黑色斑点或条块状Fe3C基体：白色21五、亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)组织转变：3'dddLLALALAAFeCAPLLⅡ室温平衡组织：'3dPFeCLⅡ黑色带树枝状特征的是P，分布在P周围的白色网是Fe3CⅡ，具有黑白斑点状特征的是变态莱氏体。22七、过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)组织转变：33'dddLLFeCLLFeCLLⅠⅠ白色条状特征的是一次Fe3C，具有黑白点条状特征的是'dL23第三节碳对铁碳合金的影响一、碳对室温平衡组织的影响2425一.C对平衡组织的影响1.引起相组成物中F、Fe3C相对量的变化：C％↑——F％↓、Fe3C％↑2.引起组织组成物的变化C％↑—室温组织F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld’→Ld’→Fe3CⅠ+Ld’→Fe3CⅠ3.引起组织形态的变化：例Fe3CⅡ：C％↑—不连续→连续网状26二、碳对力学性能的影响硬度、强度、塑性、韧性27二.C对力学性能的影响1.原因：1)室温组织类型、相组成和组织组成物相对量不同2)组织的形态与分布不同（尤其应注意Fe3CⅡ的分布）2.影响：对钢的影响：（如图3.17所示）C％↑—硬度↑，塑、韧性↓强度：先升后降（当C％＞1.0％时，Fe3CⅡ呈连续网状）对白口铁的影响：脆性很大，强度很低,硬度、耐磨性很高28一、切削加工性钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响。低C％，塑性韧性好，容易粘刀。高碳钢硬度高，严重磨损刀具。二、可锻性低碳钢的可锻性较好，随着C％增加，可锻性逐渐变差。三、铸造性1、流动性主要受化学成分和浇注温度的影响2、收缩性主要受化学成分和浇注温度的影响三、对工艺性能的影响29三、Fe-Fe3C相图的应用1.在钢铁材料选用方面的应用；2.在铸造工艺方面的应用；3.在热锻、热轧工艺方面的应用；4.在热处理工艺方面的应用。在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点：①Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态,如含有其它元素,相图将发生变化。②Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态,若冷却或加热速度较快时,其组织转变就不能只用相图来分析了。30第四节钢中杂质元素对组织性能的影响一.Si脱氧剂，（且强化F,提高淬透性）但SiO2易成为非金属夹杂,∴Si%0.5%Si+O2→SiO2二.Mn脱氧剂，除硫剂，（且强化F,提高淬透性），但MnO、MnS易成为非金属夹杂物,∴Mn%0.8%Mn+o→MnOMn+S→MnS31三.S有害元素：引起热脆,S％0.050%.原因：FeS（Tm=1190℃）；(Fe+FeS)（Tm=989℃）；(Fe+FeS+FeO)（Tm=940℃）;锻造温度：1150-1250℃有利作用：提高切削加工性四.P不利作用：引起冷脆,P％0.045%。（原因：固溶于F→钢强硬度↑，塑韧性↓↓）有利作用：提高切削加工性,使弹片易碎等32五.N、H、O1.一般情况下均是有害元素N——时效形成氮化铁→脆化H——氢脆，白点→塑韧性↓↓O——形成氧化物→非金属夹杂2.控制方法：N——加入Al→AlNH——冶金时防止进入，去氢退火O——加脱氧剂Si,Mn等33第九章钢的热处理原理热处理是改变材料性能的一种加工工艺热处理的作用:1、强化金属材料，充分发挥材料的潜力2、热处理可以消除热加工工艺过程中的缺陷3、是机械零件加工工艺过程中的重要工序4、使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能34热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。2.什么是热处理?351.特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸2.目的:获得所需性能3.依赖于材料组织结构的改变4.固态金属在一定介质中加热、保温、冷却36热处理的条件(1)有固态相变(2)加热时溶解度显著变化的合金α+LL+βα+βαLLL+γγα+γγ+βα+βL+β(只有固态相变的合金才能进行热处理)37金属固态相变概论一、概念固态金属及合金在温度、压力改变时，内部相结构发生相互转变的现象。固态相变中的变化：晶体结构，化学成分，组织形貌和性能的变化。固态相变驱动力：新相与母相的自由能差二、意义掌握金属的成分、组织结构、性能三者之间的变化规律，就可以控制相变过程，以便获得预期的组织结构，从而使之赋予预期的性能。38固态相变的特点固态相变中由于母相为固体，原晶体有固定的排列和取向，并不能随意改变其形状，转变过程和产物有如下共同特点：1.相变阻力大。新相形成除增加界面能外，由于存在体积变化造成应变能，相变阻力比液体凝固大，转变要求较大驱动力，相变发生在较大的过冷度下。固态相变时自由能的变化ΔG=ΔG相变+ΔG界面+ΔG畸新旧相之间的界面能：两个相的成分或结构不相同，二者之间存在相界面分隔，界面处的原子在很小的区间内的平衡位置为从一个相到另一相的过渡状态，这样能量较低，但还是高于在各自相区内部平衡态，高出部分组成了它们的界面能。39新相形成时的体积应变能：由于成分或结构的差别，新旧两相的比容不同，即比体积也不同，因此在新相形成和长大时必然要发生体积的变化。又因为母相是固体，不象液体那样可以因流动来容纳这个变化，受母相的约束，新相和母相都将产生弹性应变，例如相变时体积要是膨胀，则新相就承受压应力而压缩变形，母相承受拉应力而发生拉伸变形，弹性应变将带来弹性应变能的增加。新相的形状是相变产生的总应变能与总表面能综合影响的结果。在体积相同的情况下，新相成针状时，应变能较低，界面能较高；新相呈球状时，应变能最高，界面能最低。402.新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系。一方面新旧之间以原子排列相互接近的晶面为界面，单位面积的能量可降低；另一方面当以切变方式转变时，按这种特定关系原子的切变量较小，易于实现。为保持这种关系，转变往往在母相的一定晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面。所以新相的组织对母相有一定的遗传性