金屬材料與熱處理 教學(xué)PPT課件

金屬材料與熱處理 教學(xué)PPT課件,金屬材料與熱處理,教學(xué)PPT課件,金屬材料,熱處理,教學(xué),PPT,課件 金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理項(xiàng)目三項(xiàng)目三 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖項(xiàng)目導(dǎo)入項(xiàng)目導(dǎo)入碳鋼和鑄鐵都是鋼鐵材料，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍最廣的鐵碳合金。研究鐵碳合金的重要工具是鐵碳合金相圖，它是研究鐵碳合金的成分、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)。因此，了解與掌握鐵碳合金相圖，對(duì)于鋼鐵材料的研究和使用、各種熱加工工藝的制定等方面具有非常重要的指導(dǎo)意義。01目錄CONTENT二元合金相圖二元合金相圖鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織鋼的結(jié)晶過程鋼的結(jié)晶過程020403繪制繪制 Fe-FeFe-Fe3 3C C 相圖相圖CONTENT鐵的結(jié)晶過程鐵的結(jié)晶過程05Fe-FeFe-Fe3 3C C 相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用06任務(wù)一二元合金相圖二元合金相圖合金比純金屬結(jié)晶過程復(fù)雜，隨著合金中元素種類的變化，其組織和性能隨之變 化，這種變化規(guī)律可以借助于相圖認(rèn)識(shí)。合金相圖是生產(chǎn)中分析研制合金材料的理論 基礎(chǔ)，也是制定合金熔煉、鑄造、焊接、鍛造及熱處理工藝的重要依據(jù)。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會(huì)分析二元合金結(jié)晶過程中的相和組織變化。會(huì)繪制二元合金相圖。任務(wù)描述任務(wù)描述建立鉛銻合金相圖。理解二元相圖的建立過程。一、建立二元合金相圖相圖是表示合金的成分、溫度和組織之間關(guān)系的一個(gè)簡(jiǎn)明圖表，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。它是分析金相組織和制定鑄、鍛、焊接及熱處理工藝的重要依據(jù)。1.二元相圖的表示方法 二元合金相圖由成分和溫度兩個(gè)因素決定，用橫坐標(biāo)表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度。橫坐標(biāo)上任意一點(diǎn)均表示一種合金成分。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，成分有兩種表示方法:質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）和摩爾分?jǐn)?shù)（x）。多數(shù)是以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，在沒有特別注明，合金成分都是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。一、建立二元合金相圖2.二元合金相圖的建立方法 為了建立相圖，首先要測(cè)定合金系中一系列成分不同的相變溫度，即臨界點(diǎn)。然后，根據(jù)臨界點(diǎn)的數(shù)據(jù)，畫出各種線條，形成該合金系的相圖。測(cè)定二元合金相圖的具體步驟如下:（1）臨界點(diǎn)的測(cè)定方法 臨界點(diǎn)是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化臨界相變點(diǎn)。利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時(shí)，引起物理性能、力學(xué)性能及金相組織變化的特點(diǎn)來測(cè)定。臨界點(diǎn)的測(cè)定方法主要有:動(dòng)態(tài)法:熱分析法、硬度法、膨脹法、電阻法、磁性法;靜態(tài)法:金相法、X-ray衍射分析法。其中熱分析法是最常采用的方法。通常以熱分析法為主，其他方法配合使用。尤其對(duì)固態(tài)下轉(zhuǎn)變熱效應(yīng)很小的合金，常采用后幾種方法測(cè)定固態(tài)下相變臨界點(diǎn)。一、建立二元合金相圖（2）建立二元合金相圖 二元合金相圖的建立是通過試驗(yàn)方法建立起來的。現(xiàn)以鉛銻二元合金為例，說明測(cè)繪合金相圖的方法及步驟:配制若干組不同成分的鉛銻合金;分別用熱分析法作出各組合金的冷卻曲線;找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn);將臨界點(diǎn)標(biāo)在成分、溫度坐標(biāo)系的坐標(biāo)圖上，并連接各相同含義的臨界點(diǎn)，就得到圖所示的鉛銻二元合金相圖。二、鉛銻二元合金相圖的分析 圖是鉛銻二元合金的相圖。圖中 A 點(diǎn)是鉛的熔點(diǎn)（327）;B點(diǎn)是銻的熔點(diǎn)（631）;C點(diǎn)是共晶點(diǎn)，此點(diǎn)的成分是Sb 11%+Pb 89%，溫度是252。此點(diǎn)具有特殊含義:當(dāng)含Sb 11%的鉛銻合金液體冷卻到252 時(shí)，在恒溫下從一個(gè)液相中同時(shí)結(jié)晶出鉛和銻兩個(gè)固相。一定成分的液態(tài)合金，在某一恒溫下，同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為共晶體（Sb+Pb），C點(diǎn)為共晶點(diǎn)。圖中 ACB線是合金液體開始結(jié)晶溫度的連線，稱為液相線。在此線以上的合金 全部為液相。DCE線是液態(tài)合金結(jié)晶終止溫度的連線，稱為固相線。在此線以下的合金全部為固相。一、建立二元合金相圖圖中的合金，其成分為Sb 11%+Pb 89%。在 C點(diǎn)以上，合金處于液體狀態(tài)，當(dāng)緩慢冷卻到 C點(diǎn)時(shí)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，在恒溫下從液相中同時(shí)結(jié)晶出Sb和Pb的混合物（共晶體）。繼續(xù)冷卻，共晶體不再發(fā)生變化。這一合金稱為共晶合金。它的轉(zhuǎn)變過程如圖所示，并可用下式表示:一、建立二元合金相圖凡是成分在 C點(diǎn)以左（Sb11%）的合金稱為過共晶合金，如圖中的合金。亞共晶和過共晶合金的結(jié)晶過程不同的是:從液相線到共晶轉(zhuǎn)變溫度之間，亞共晶合金要先結(jié)晶出Pb晶體，過共晶合金要先結(jié)晶出Sb晶體，因而它們的室溫組織分別為Pb+（Sb+Pb）和Sb+（Sb+Pb）。任務(wù)二鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 在鐵碳合金中，由于鐵和碳的相互作用，碳能溶在鐵的晶格（-Fe和-Fe）中形成兩 種間隙固溶體，當(dāng)碳含量超過鐵的的溶解度時(shí)，多出來的碳便會(huì)與鐵形成金屬化合物 Fe3C。隨著碳在鐵中含量的變化，鐵碳合金會(huì)生成不同的相，本任務(wù)將介紹鐵碳合金中常見的幾種基本相。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)理解鐵碳合金的基本相和組織的含義。掌握基本相和組織的性能。任務(wù)描述任務(wù)描述分析鐵碳合金的基本組織和性能。一、純鐵工業(yè)純鐵，wFe=99.899.9%，雜質(zhì)主要是碳，力學(xué)性能因晶粒大小和純度不同大致范圍:屈服強(qiáng)度 ReL:98166 MPa;抗拉強(qiáng)度 Rm:176274 MPa;硬度（HBS）:5080 HBS;延伸率 A:3050%;斷面收縮率 Z:7080%;沖擊韌性 ak :160200 J/cm2。工業(yè)純鐵具有很好的塑性和韌性，但其強(qiáng)度和硬度很低，很少用作工程結(jié)構(gòu)及零件?？捎糜谝筌洿判缘膱?chǎng)合，如各種儀器儀表的鐵芯等。二、鐵素體 鐵素體是碳溶于-Fe形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)F表示。鐵素體是體心立方晶格，排列不如-Fe緊密，晶格空隙分散，幾乎不能溶解碳原子。鐵素體的溶碳能力非常低，在727 時(shí)碳在-Fe中最大溶解量為0.0218%，隨著溫度的降低，碳原子的溶解度減小，室溫時(shí)碳在-Fe中的溶解度只有0.0008%，所以其性能與純鐵相似，其強(qiáng)度硬度較低，但具有良好的塑性和韌性。三、奧氏體 碳溶解于-Fe形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。雖然-Fe晶格的原子排列較緊密，但空隙比較集中，因此面心立方結(jié)構(gòu)的-Fe可以溶解較多的碳，在1148 時(shí)，最多可以溶解2.11%的碳，隨著溫度的下降，奧氏體溶解碳的能力減小，到727 時(shí)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到0.77%。奧氏體的強(qiáng)度和硬度不高，但具有良好的塑性，是大多數(shù)鋼在高溫進(jìn)行鍛造和軋制時(shí)所要求的組織，故在軋鋼和鍛造時(shí)，常把鋼加熱到高溫呈奧氏體狀態(tài)，奧氏體沒有磁性。四、滲碳體滲碳體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%的鐵和碳的金屬化合物，其分子式為Fe3C，常用符號(hào)Cm表示。滲碳體具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。它與鐵和碳的晶格結(jié)構(gòu)完全不同。滲碳體熔點(diǎn)為1227，不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。滲碳體的硬度很高，約為1000 HV，塑性很差，延伸率接近于零，是一個(gè)硬而脆的組織。在低溫下具有一定鐵磁性，但在230 以上消失，所以，230 是滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度。滲碳體在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀、粒狀、網(wǎng)狀和板條狀，是鋼鐵材料中的主要強(qiáng)化相，它的形狀、大小與分布對(duì)鋼的性能有很大影響。滲碳體中碳和鐵可以被其他元素替代形成以滲碳體為基的固溶體。如Fe被Cr、Mn等金屬原子置換，形成以滲碳體為基的固溶體，稱為合金滲碳體。四、滲碳體隨著溫度的降低，滲碳體會(huì)從不同的相中析出，通常把鐵碳合金中的滲碳體分為:（1）一次滲碳體，由液體金屬中直接結(jié)晶出來;（2）二次滲碳體，由奧氏體中析出;（3）三次滲碳體，由鐵素體中析出;（4）共晶滲碳體，在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)形成;（5）共析滲碳體，在共析轉(zhuǎn)變時(shí)形成。五、珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，用P表示。珠光體多為層片狀組織，白色片狀為鐵素體，黑色片狀為滲碳體。珠光體的平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，其力學(xué)性能取決于鐵素體和滲碳體的性能，大體是兩者性能的平均值，故珠光體的強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性和韌性，是一種性能較好的組織，也是共析鋼中常見組織。共析鋼的組織為珠光體，其綜合力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度 Rm=750 MPa;硬度（HBS）180 HBS;延伸率 A=20%25%。六、萊氏體 萊氏體是鐵碳合金中的共晶混合物，其是平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%的液態(tài)鐵碳合金。在1148 時(shí)從液相中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為高溫萊氏體，用 Ld 表示。滲碳體是連續(xù)分布的相，奧氏體呈短棒狀（或顆粒狀）分布在滲碳體的基體上。由于奧氏體在727 時(shí)還將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以在室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，這種混合物叫低溫萊氏體，用Ld表示。萊氏體的性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性、韌性很差。任務(wù)三繪制繪制Fe-FeFe-Fe3 3C C 相圖相圖 鐵和碳是鐵碳合金中的兩種主要元素。鐵碳合金在加熱和緩慢冷卻的條件下，不 同成分的鐵碳合金，隨溫度的變化，其狀態(tài)或組織也隨之發(fā)生改變。為了便于同學(xué)們了解和學(xué)習(xí)鐵碳合金在平衡狀態(tài)下組織、成分與溫度之間的關(guān)系，有必要建立一種學(xué)習(xí)工 具Fe-Fe3C相圖。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)能熟練繪制鐵碳合金相圖。默填鐵碳合金相圖各區(qū)域組織。任務(wù)描述任務(wù)描述建立鐵碳合金相圖。理解各點(diǎn)、線和區(qū)域組織含義。一、一、Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖的認(rèn)識(shí)相圖的認(rèn)識(shí) Fe-Fe3C 相圖是表示液態(tài)鐵碳合金在緩慢冷卻（或緩慢加熱）的條件下，不同成分的鐵碳合金的狀態(tài)或組織隨溫度變化的圖形。圖中縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。二、Fe-Fe3C 相圖分析1.相圖中的特性點(diǎn)、線 （1）特性點(diǎn) 狀態(tài)圖中具有特殊意義的點(diǎn)稱為特性點(diǎn)，F(xiàn)e-Fe3C 相圖中的主要點(diǎn)及其意義見表所示。二、Fe-Fe3C 相圖分析（2）特性線 液相線（ACD線）:此線以上區(qū)域全部為液相，用L表示。金屬液冷卻到此線開始結(jié)晶，在AC線以下從液相中結(jié)晶出奧氏體，在CD線以下結(jié)晶出滲碳體。固相線（AECF線）:結(jié)晶時(shí)固相的成分變化線，金屬液冷卻到此線全部結(jié)晶為固態(tài)，此線以下為固相。共晶線（ECF線）:在共晶線上金屬液冷卻到此線時(shí)，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，從金屬液中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的混合物，即萊氏體。共晶轉(zhuǎn)變是在恒溫下進(jìn)行的，溫度為1148。共析線（PSK線）:又稱A1線，當(dāng)鐵碳合金冷卻到此線時(shí)，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，從奧氏體中同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的混合物。共析反應(yīng)的產(chǎn)物是珠光體。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218%6.69%之間的鐵碳合金冷卻至727 時(shí)必將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體。二、Fe-Fe3C 相圖分析（3）三條重要的特性曲線 GS線:又稱A3線，它是冷卻過程中由奧氏體中析出鐵素體的開始線，或者說在加熱過程中鐵素體溶入奧氏體的終了線。事實(shí)上GS線是由G點(diǎn)（A3點(diǎn)）演變而來，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，奧氏體向鐵素體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度逐漸下降，A3點(diǎn)也隨之變化便形成了A3線。ES線:是碳在奧氏體中的溶解度曲線，用Acm表示。在1148 時(shí)碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%（相當(dāng)于E點(diǎn)），在727 時(shí)便降低到0.77%（相當(dāng)于S點(diǎn)）。當(dāng)溫度低于此曲線時(shí)，要從奧氏體中析出次生滲碳體，通常稱之為二次滲碳體，用Fe3C表示，因此該曲線又是二次滲碳體的開始析出曲線。ES線也叫Acm線。PQ線:是碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵素體中碳的最大溶解度，在727 時(shí)達(dá)到最大值為0.0218%。隨著溫度降低，鐵素體溶碳量逐漸降低，在300 以下，溶碳量小于0.001%。因此，當(dāng)鐵素體從727 冷卻時(shí)，要從鐵素體中以滲碳體形式析出多余的碳，稱為三次滲碳體，通常用Fe3C表示。二、Fe-Fe3C 相圖分析2.相圖中的相區(qū) 在Fe-Fe3C 相圖中主要有四個(gè)單相區(qū)、四個(gè)雙相區(qū)，四個(gè)雙相區(qū)分別存在于兩個(gè)單相區(qū)之間。（1）單相區(qū) 液相區(qū)（L）ACD以上區(qū)域;奧氏體區(qū)（A）AESGA;鐵素體區(qū)（F）GPQG;滲碳體區(qū)（Fe3C）DFK。（2）雙相區(qū) L+AAECA;L+Fe3CDCFD;A+FGPSG;A+Fe3CESKFCE三、鐵碳合金的分類 Fe-Fe3C 相圖中不同成分的鐵碳合金，具有不同的顯微組織，通常根據(jù)相圖中P點(diǎn)和E點(diǎn)，可將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三類。1.工業(yè)純鐵 成分為P點(diǎn)左邊（wc0.0218%）的鐵碳合金，其室溫組織為鐵素體。2.鋼 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.0218%2.11%（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在P、E點(diǎn)之間）的鐵碳合金稱為鋼。根據(jù)其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及室溫組織的不同，又可分為:（1）共析鋼 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%;（2）亞共析鋼 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%0.77%;（3）過共析鋼 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%2.11%。三、鐵碳合金的分類 3.白口鑄鐵 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%6.69%（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在E點(diǎn)右邊）的鐵碳合金稱為白口鑄鐵。根據(jù)其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及室溫組織的不同又可分為:（1）共晶白口鑄鐵 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%;（2）亞共晶白口鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%4.3%;（3）過共晶白口鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%6.69%。任務(wù)四鋼的結(jié)晶過程鋼的結(jié)晶過程由Fe-Fe3C 相圖可見，所有碳鋼從液態(tài)結(jié)晶完畢時(shí)都得到單相奧氏體組織。當(dāng)溫度繼續(xù)下降到一定程度時(shí)，奧氏體最終將變成鐵素體和滲碳體兩相的機(jī)械混合物。其轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶過程與鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會(huì)分析三種典型鋼的結(jié)晶過程。了解三類典型鋼室溫下的組織結(jié)構(gòu)。任務(wù)描述任務(wù)描述分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) wc=0.77%、wc=0.40%、wc=1.2%的結(jié)晶過程。討論共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼的結(jié)晶過程。一、共析鋼共析鋼為 wc=0.77%，如圖中的合金。在1點(diǎn)以上時(shí)，合金為液相狀態(tài)。溫度降低到1點(diǎn)時(shí)，液態(tài)合金中結(jié)晶出奧氏體。隨著溫度的下降奧氏體數(shù)量不斷增加。到2點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶結(jié)束，合金為單相奧氏體組織。當(dāng)?shù)竭_(dá)23點(diǎn)時(shí)合金組織不發(fā)生變化。當(dāng)溫度降至3點(diǎn)時(shí)合金發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成片層狀鐵素體與滲碳體組成的機(jī)械混合物，即珠光體。在3點(diǎn)以下，組織不發(fā)生變化，全部為珠光體。共析鋼的顯微組織，白色為片層狀鐵素體，黑色線條為滲碳體。共析鋼結(jié)晶過程為:LL+AAP 在727 時(shí)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A（F+Fe3C）或（珠光體P），繼續(xù)冷卻從鐵素體中析出Fe3C依附于共析產(chǎn)物中難以分辨。一、共析鋼二、亞共析鋼 亞共析鋼是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218%0.77%之間的鐵碳合金。圖合金為亞共析鋼，其結(jié)晶過程如圖所示。金屬在1點(diǎn)以上是液態(tài)，當(dāng)金屬液冷卻 到1點(diǎn)時(shí)從液相中開始結(jié)晶出奧氏體，到2點(diǎn)結(jié)晶完畢，2點(diǎn)到3點(diǎn)間為單相奧氏體組織，當(dāng)冷卻到與GS線相交的3點(diǎn)時(shí)從奧氏體中開始析出鐵素體。由于-Fe只能溶解很少的碳，所以合金中大部分碳留在奧氏體中而使其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。隨著溫度的降低，析出的鐵素體量增多，剩余的奧氏體量減少，而奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿GS線增加。當(dāng)溫度降至與PS線相交于4點(diǎn)時(shí)，奧氏體含碳量達(dá)到0.77%，此時(shí)剩余的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成珠光體。4點(diǎn)以下至室溫，合金組織不再發(fā)生變化。亞共析鋼結(jié)晶過程為:LL+AAF+AF+P 二、亞共析鋼三、過共析鋼 過共析鋼是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.77%2.11%之間的鐵碳合金。圖中的合金為過共析鋼。過共析鋼從1點(diǎn)冷卻到3點(diǎn)的過程與共析鋼和亞共析鋼相似，為奧氏體的結(jié)晶形成與冷卻。當(dāng)合金冷卻與ES線相交的3點(diǎn)時(shí)，奧氏體中的溶碳量達(dá)到飽和，當(dāng)溫度下降時(shí)，碳以二次滲碳體的形式析出，沿著奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布，繼續(xù)冷卻，二次滲碳體量不斷增多，奧氏體量不斷減少，剩余奧氏體的成分沿ES線變化，冷卻至與共析線PS相交的4點(diǎn)時(shí)，剩余的奧氏體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)正好達(dá)到共析鋼成分，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體組織。之后隨著溫度降低，鐵碳合金的組織基本不變。因此過共析鋼的室溫平衡組織為珠光體和二次滲碳體。過共析鋼結(jié)晶過程為:LL+AAFe3C+AP+Fe3C三、過共析鋼任務(wù)五鐵的結(jié)晶過程鐵的結(jié)晶過程古時(shí)使用的鐵器大部分是鑄鐵材料。在現(xiàn)代的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鑄鐵材料同樣占有重要的地位，因此，了解鑄鐵的結(jié)晶過程及室溫下的組織結(jié)構(gòu)是非常有必要的。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會(huì)分析三種典型鑄鐵的結(jié)晶過程。了解三類典型鑄鐵室溫下的組織結(jié)構(gòu)。任務(wù)描述任務(wù)描述分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc=4.3%、wc=3.0%、wc=5.0%的結(jié)晶過程。掌握共晶白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵及過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程。一、共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵是 wc=4.3%的鐵碳合金，合金為共晶白口鑄鐵。在1點(diǎn)以上合金為液相狀態(tài)，溫度降到1點(diǎn)時(shí)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物高溫萊氏體。當(dāng)冷至1點(diǎn)以下時(shí)，碳在奧氏體中的溶解度不斷下降，因此從共晶奧氏體中不斷析出二次滲碳體，由于它依附在共晶滲碳體析出并長(zhǎng)大，所以難以分辨。當(dāng)溫度降到2點(diǎn)（727）時(shí)，共晶奧氏體的含碳量降至0.77%，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，即共晶奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)降低，共晶組織不再變化。因此，共晶白口鑄鐵的室溫組織是滲碳體和珠光體組成的機(jī)械混合物，稱為低溫萊氏體Ld。共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程為:LLdLd 一、共晶白口鑄鐵 共晶轉(zhuǎn)變后繼續(xù)冷卻過程中，碳在奧氏體中溶解度下降，F(xiàn)e3C析出將從奧氏體中析出，奧氏體成分沿 ES線變化。由于共晶奧氏體顆粒較細(xì)小且被Fe3C包圍，因此Fe3C往往依附于共晶Fe3C上，直到727，奧氏體含碳量降到0.77%。奧氏體在727 轉(zhuǎn)變?yōu)镻，即變成Ld，形成了共晶Fe3C、Fe3C和P的混合物，但Fe3C與共晶Fe3C顯微鏡下難以分辨，且保留了高溫共晶產(chǎn)物的特征，組織為L(zhǎng)d。一、共晶白口鑄鐵二、亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%4.3%之間的鐵碳合金。合金為亞共晶白口鑄鐵。亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程比較復(fù)雜，1點(diǎn)以上為液相，溫度降到1點(diǎn)時(shí)，液相中開始析出初晶（先共晶）奧氏體，隨著溫度的降低，奧氏體數(shù)量逐漸增多，奧氏體的成分沿 BE線變化，而液相成分沿著 BC線變化。當(dāng)溫度降至2點(diǎn)時(shí)液相成分達(dá)到共晶點(diǎn) C點(diǎn)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成萊氏體。當(dāng)溫度降到23點(diǎn)之間時(shí)，從奧氏體中析出二次滲碳體。隨著二次滲碳體的不斷析出，奧氏體的成分線沿著ES線不斷降低，當(dāng)溫度到達(dá)3點(diǎn)（727）時(shí)，奧氏體的成分也達(dá)到了S點(diǎn)，在恒溫下發(fā)生了共析轉(zhuǎn)變，剩下的奧氏體全部轉(zhuǎn)變成珠光體。亞共晶白口鑄鐵的室溫組織為:P+Fe3C+Ld。亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程:LL+AL+AA+Fe3C+LdA+Fe3C+LdFe3C+Ld+P 二、亞共晶白口鑄鐵三、過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%6.69%之間的鐵碳合金。合金為過共晶白口鑄鐵。過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程和亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程相似，在結(jié)晶過程中，在12點(diǎn)溫度區(qū)間從液體中結(jié)晶出粗大的先共晶滲碳體，稱為一次滲碳體，用Fe3C表示。隨著一次滲碳體數(shù)量的增多，液相成分沿著DC線變化。當(dāng)溫度降至2點(diǎn)時(shí)，液相成分達(dá)到 wc=4.3%，在恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成萊氏體。隨著溫度繼續(xù)下降，共晶奧氏體先析出二次滲碳體。當(dāng)溫度降低到3點(diǎn)（727）時(shí)，恒溫發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。因此，過共晶白口鑄鐵的組織為一次滲碳體和低溫萊氏體。過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程:LL+Fe3CFe3C+LdFe3C+Ld 二、亞共晶白口鑄鐵任務(wù)六Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖是研究鐵碳合金在平衡條件下的成分溫度組織性能之間關(guān)系和變化規(guī)律的工具，對(duì)于鋼鐵材料的研究、合金的選用，零件的加工及制定各種熱加工工藝都有十分重要的指導(dǎo)意義。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)會(huì)分析碳含量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響。會(huì)利用Fe-Fe3C相圖合理選擇鋼鐵材料。了解在使用Fe-Fe3C相圖時(shí)，應(yīng)注意的問題。任務(wù)描述任務(wù)描述分別分析碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合金平衡組織、力學(xué)性能的影響。利用Fe-Fe3C相圖分析其在選材、鑄、鍛及熱處理方面的應(yīng)用。一、碳含量對(duì)平衡組織的影響根據(jù)任務(wù)三和任務(wù)四對(duì)典型鐵碳合金平衡結(jié)晶過程的分析，可以將Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)按組織組成物加以標(biāo)注。不同成分的液態(tài)鐵碳合金在冷卻過程中發(fā)生的組織變化是不同的，最后得到的組織也不同。一、碳含量對(duì)平衡組織的影響 由Fe-Fe3C相圖可知，鐵碳合金在室溫的組織都是由珠光體和滲碳體兩相組成，隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵素體的量逐漸減少，而滲碳體的量有所增加，這是由于成分的變化，引起不同性質(zhì)的結(jié)晶過程，從而使相發(fā)生變化而造成的。鐵碳合金的室溫組織 變化順序?yàn)?F+PPP+Fe3CP+Fe3C+LdLdLd+Fe3C 二、碳含量對(duì)力學(xué)性能的影響鐵碳合金的組織變化，必然引起性能的變化。1.硬度 硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于硬度對(duì)組織形態(tài)不敏感，所以隨著鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，高硬度的滲碳體增加，低硬度的鐵素體減少，故鋼的硬度呈直線增加，而塑性、韌性不斷下降。由全部為鐵素體硬度約80 HBS增大到全部為Fe3C時(shí)約800 HBS。二、碳含量對(duì)力學(xué)性能的影響2.強(qiáng)度 由于強(qiáng)度對(duì)組織形態(tài)很敏感。在亞共析鋼中，隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，強(qiáng)度高的珠光體增加。強(qiáng)度低的鐵素體減少，因此強(qiáng)度隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高。當(dāng)碳的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為0.77%時(shí)，鋼的組織全部為珠光體。珠光體的強(qiáng)度比較高，大小與細(xì)密程度有關(guān)，越細(xì)越高，所以共析鋼的強(qiáng)度較高。但當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%wc0.9%時(shí)，F(xiàn)e3C數(shù)量增加且呈網(wǎng)狀分布在晶界處，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度明顯下降。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加時(shí)，強(qiáng)度不斷下降。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.11%后，出現(xiàn)了Ld，此時(shí)強(qiáng)度降到最低值。再增加碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，由于基體都為脆性很高的Fe3C，趨于Fe3C的強(qiáng)度（約2030MPa）。二、碳含量對(duì)力學(xué)性能的影響3.塑性 Fe3C是極脆的相，沒有塑性。因此，鋼的塑性和韌性完全由鐵素體來提供，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，使鐵素體量不斷減少，塑性和韌性顯著下降，當(dāng)基體為Fe3C后，塑性就降低到接近于零。為保證鋼有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性配合，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過1.31.4%。平衡組織亞共析鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下的估算:硬度（HBS）80w鐵素體+180wP 或硬度（HBS）80w鐵素體+800w滲碳體 強(qiáng)度（Rm）230w鐵素體+770wP（MPa）延伸率（A）50w鐵素體+20wP（%）四、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1.在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用 建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，選用碳含量較低的鋼材。機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。工具要用硬度高和耐磨性好的材料，選擇碳含量高的鋼種。純鐵強(qiáng)度低，不宜用做結(jié)構(gòu)材料，但由于其導(dǎo)磁率高，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵芯等。白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)磨球等。四、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用2.在鑄造工藝方面的應(yīng)用 根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50100。從Fe-Fe3C相圖上可以看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好，它們的凝固溫度區(qū)間最小，因而流動(dòng)性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%0.6%之間，因?yàn)檫@個(gè)范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。四、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用3.在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用 鋼處于奧氏體狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較低、塑性好，因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)進(jìn)行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100200，約為11501250。終鍛溫度為750850。4.在熱處理工藝方面的應(yīng)用 Fe-Fe3C相圖對(duì)于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe-Fe3C相圖確定的。五、應(yīng)用Fe-Fe3C相圖應(yīng)注意的問題（1）鐵碳合金相圖不能表示快速加熱或冷卻時(shí)鐵碳合金組織的變化規(guī)律。（2）可參考鐵碳合金相圖來分析快速冷卻和加熱的問題，但還應(yīng)借助于其他理論知識(shí)。（3）鐵碳合金相圖可以表示鐵碳合金可能進(jìn)行的相變，但不能看出相變過程所經(jīng)過的時(shí)間。相圖反映的是平衡相的概念，而不是組織的概念。（4）鐵碳合金相圖是用極純的Fe和C配制合金測(cè)定的，而實(shí)際的鋼鐵材料中還含有或有意加入許多其他元素。其中某些元素對(duì)臨界點(diǎn)和相的成分都可能有很大的影響，此時(shí)必須借助于三元或多元相圖來分析和研究。謝謝