工艺技术_金属工艺学之铁碳合金

成形工艺基础 材2 1 第二章铁碳合金 1纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 1 结晶由液态转变为固体晶体的过程 或 原子由不规则 无序 排列到有 序 规则排列过程 或 晶体结构形成的过程 如水 冰22 冷却曲线用热分析法测定时描述金属结晶过程的曲线 成形工艺基础 材2 2 曲线上有一段水平线 是实际结晶温度T1 又称结晶平台 是结晶时放出的热 潜热 造成的 虚线 理论结晶温度T0 3 过冷度 T T0 T1实际结晶温度低于理论结晶温度 此称 过冷 过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关冷却速度越快 结晶温度越低 过冷度越大 反之冷却速度慢 过冷度则小 成形工艺基础 材2 3 下图是金属结晶过程示意图主要结论 1 结晶过程实质 形核 成长 大 两者相继又并存 2 结晶终了 得多晶粒组织 晶界多 犬牙交错 晶粒愈细愈好 控制细晶措施有 成形工艺基础 材2 4 1 增大过冷度 2 变质处理 3 机械振动 4 热处理或压力加工 二 纯铁的晶体结构1 晶体与非晶体定义 原子按一定几何形状作有规律的重复排列的固体物质 称晶体 非晶体则反之 特点 晶体 有熔点 具有各向异性 成形工艺基础 材2 5 如 食盐 冰 金刚石 金属等 非晶体 无熔点 各向同性 如 玻璃 松香 沥青等 2 晶格为便于研究晶体中原子排列规律 人为将原子抽象化 将晶体中每一个原子看作一个点 用假想连线联接起来 形成晶格 晶格中一个基本几何单元叫做 晶胞 成形工艺基础 材2 6 晶胞棱边长度为 晶格常数 1 体心立方晶格body centeredcubiclattice bcc 特点 Rm 强度 较好 如 912 Fe Cr Mo V等 2 面心立方晶格face centeredcubiclattice fcc 特点 A Z 塑性 较好 912 Fe Cu Al等金属 成形工艺基础 材2 7 3 密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice hcp 特点 硬度高 脆性大 如 锌 Zn 镁 Mg 镉 Cd 等金属 三 纯铁的同素异构转变在固态下随温度发生变化 其晶格类型发生转变的现象 同素异构 晶 转变 广义上说同素异构转变也是结晶过程 遵循生核与长大两规律 成形工艺基础 材2 8 也需要一定的过冷度 有结晶热效应 又称 重结晶 二次结晶 由于晶格结构的转变 金属随之有体积的涨缩 金属内部产生应变 降温时 体积膨胀 体积收缩 转变式 Fe Fe Fe 成形工艺基础 材2 9 2铁碳合金的基本组织 1 合金alloy由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质 如 青铜 铸铁 铝合金等 2 组元constituent组成合金的最基本的独立的物质称组元 简称 元 如 黄铜Cu Zn 硬铝Al Cu等为二元合金 成形工艺基础 材2 10 3 相phase指同一化学成分 同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分 如固相 液相等 4 组织structure借助于放大镜 显微镜下观察到具有某种形态 形貌特征的组成部分 常见的合金的相结构有 固溶体 金属化合物和机械混合物三类型 成形工艺基础 材2 11 一 固溶体solidsolution 定义 溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体 如 糖水水 溶剂 糖 溶质 保持溶剂晶格 固溶体属于单相组织 分类 按溶质原子在溶剂中分布情况不同 分置换固溶体和间隙固溶体两类 成形工艺基础 材2 12 1 置换固溶体 溶质原子替换晶格上的原子 2 间隙固溶体 溶质原子溶入晶格原子间隙特征 晶格类型不变 化学成分有限 性能发生变化 结果 造成晶格畸变 强度 硬度上升 这种现象称固溶强化 工程中广泛应用 如锰钢 16Mn现称Q345 便为固溶结果 弱强化相 成形工艺基础 材2 13 碳可以溶入 Fe Fe等形成不同的固溶体 1 铁素体F铁素体是 铁中溶入一种或多种溶质元素构成的固溶体 727 时Wc 0 0218 室温时Wc 0 008 特点 塑性 韧性好 强度 硬度低 近似纯铁 其显微组织特征 成形工艺基础 材2 14 正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色 在钢中的形态多为不规则的多边形块 在接近共析成分的钢中 往往呈网状或断续网状 2 奥氏体 A austenite英国金相学家 奥氏体是 铁中溶入碳和 或 其他元素构成的固溶体 其强度和硬度比铁素体高 塑性 韧性也好 因此 钢材多数加热到奥氏体状态进行锻造 成形工艺基础 材2 15 在1148 时Wc 2 11 在727 时Wc 0 77 高温显微镜下 727 以上 才能观察到奥氏体组织 其晶粒呈多边形 且晶界较铁素体平直 二 金属化合物compound 合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属性质的新相 如Fe与C Fe3C 渗碳体 是晶体结构属于正交系 化学式为Fe3C的金属化合物 是钢和铸铁中 成形工艺基础 材2 16 常见的固相 其硬度很高 800HBW 塑性 韧性很差 脆性很大 渗碳体在钢和铸铁中可呈片状 球状和网状分布 主要起强化作用 它的形态 大小 数量和分布对钢和铸铁的性能有很大影响 相对固溶体 Fe3C属于强强化相 Fe3C在一定条件下可以分解 形成石墨 反应式 Fe3C3Fe C石墨 成形工艺基础 材2 17 三 机械混合物 两相按固定比例构成的组织 复合相 称机械混合物 各相保持自己的晶格类型 性能特点 如 混凝土 强度 硬度适中 目前钢铁材料中大部分是这种组织 如铁碳合金中珠光体 P 莱氏体 Ld 1 珠光体Ppearlite是F与Fe3C机械混合物 WC 0 77 成形工艺基础 材2 18 珠光体是铁素体薄层 片 与碳化物 包括渗碳体 薄层 片 交替重叠组成的共析组织 记住 层片相间 其性能介于铁素体和渗碳体之间 强度较高 硬度适中 有一定的塑性 2 莱氏体Ld分高温莱氏体和低温莱氏体A与Fe3C的机械混合物称高温莱氏体 用符号 Ld表示 成形工艺基础 材2 19 高温莱氏体冷却到727 以下时 转变为 P Fe3C称低温莱氏体 珠光体和渗碳体的复合物 又称 变态莱氏体 Ld 其力学性能与渗碳体相近 极为脆硬 平均含碳量为4 3 组织特征 白亮的渗碳体为基体 上面分布着许多粒状 条状或不规则形状的黑色珠光体 成形工艺基础 材2 20 3铁碳合金状态图 铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的多 含碳量不同的铁碳合金结晶过程差别很大 用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化 然后 使之极其缓慢的冷却 测出各成分的合金的冷却曲线 在横 成分 纵 温度 坐标图上连点描线 可得铁碳合金状态图 铁碳合金状态图的作用 成形工艺基础 材2 21 1 表达铁碳合金不同成分 温度下的组织状态 2 研究钢铁成分 组织和性能之间关系的工具 3 制定铸造 锻造 焊接和热处理工艺的依据 由于含碳大于6 69 的铁碳合金在工业上没有实用价值 又由于Fe3C的含碳量6 69 是一个稳定的化合物 视为一个组元 我们重点讨论的是 Fe Fe3C简化状态图 成形工艺基础 材2 22 成形工艺基础 材2 23 二 铁碳合金状态图的分析 1 四个基本相是指铁碳合金状态图中 液相 L 奥氏体相 A 铁素体相 F 渗碳体相 Fe3C 2 特性点在铁碳合金状态图中用字母标出的点都有其特定的意义 3 特性线 成形工艺基础 材2 24 1 ACD线 液相相 液体到此开始结晶 2 AECF线 固相线 合金至此全部结晶为固体 在液 固两线之间为液 固两相区 在C点产生共晶反应 其反应式 LcLd A Fe3C 3 GS线 自A中析出F线 以 A3线表示 4 ES线 C在A中的溶解度曲线 以 Acm表示 1148 成形工艺基础 材2 25 5 PSK线 共析反应线 常以 A1表示 6 PQ线 碳在铁素体中溶解度曲线 产生Fe3C 按含碳量不同 将铁碳合金分为 钢和铸铁两类钢 含碳量小于2 11 的铁碳合金 按室温组织又分为 亚共析钢 含碳量0 77 成形工艺基础 材2 26 铸铁 指生铁 白口生铁 含碳量为2 11 6 69 又分 亚共晶白口生铁 含碳量4 3 三 钢在结晶过程中的组织转变 下面以共析钢为例 分析铁碳合金在缓慢冷却过程中的组织转变规律 成形工艺基础 材2 27 A E G P Q S Fe L A L A F F A F P P P Fe3C A Fe3C 0 77 2 11 共析钢 1 2 3 P 亚共析钢 1 2 3 4 1 2 3 4 4 L L A A F A A P P 冷却曲线 过共析钢 成形工艺基础 材2 28 4工业用钢简介 钢以铁为主元素 含C 2 以下 并含有其它元素的材料 钢 可形变加工的铁碳合金 一 碳钢分类 掌握内容 钢从不同角度可以有不同分类 二 碳素钢简称 碳钢carbon steel常存元素对碳钢性能的影响 了解 成形工艺基础 材2 29 1 碳 C 作用碳对碳钢的组织和性能影响很大 如图示总趋势是 状态图中自左向右 含碳量增加 Fe3C增加 硬度直线上升 塑韧性急速下降 强度先升后降 2 锰 Mn 作用脱氧 FeO还原Fe 与S作用 MnS降低热脆性 提高强度 硬度 属有益元素 3 硅 Si 作用 成形工艺基础 材2 30 与钢液中FeO生成炉渣 提高钢质量 溶于F中 固溶强化 有益元素 4 硫S作用 形成FeS 熔点1190 在晶界处 在1100 1200 时 压力加工 产生脆裂 热脆 有害元素 5 磷P作用 全部溶于F中 固溶强化 Rm HB 在低温下引起脆断 冷脆 有害元素 成形工艺基础 材2 31 碳钢一般分为 1 碳素结构钢GB700 1988牌号由代表屈服点的字母Q 屈服点数值 质量等级符号 脱氧方法四部分组成 其中质量等级分别用A B C D表示 A的S P量高 D的S P量最低 且质量最好 如 Q235 A FQ 屈 字汉语拼音字首 读 屈 成形工艺基础 材2 32 235 Rm b 235MPaA 质量等级A级F 脱氧方法 指 沸腾钢 一般不标 牌号 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五类 用途 用于制作螺钉 螺栓 螺母 角钢 垫圈 焊接钢管等 2 优质碳素结构钢S P含量较低 用于重要零件 成形工艺基础 材2 33 GB 牌号用两位数字表示 表示含碳量万分之几 十 如 08F 10 15 20 25 为低碳钢 塑性好 耐冲 好焊 30 35 40 45 50 55 中碳钢含P多 强硬适中 多做重要件 60 65 70 75 高碳钢 多需淬火 回火 制作弹性耐磨件 20Mn 65Mn等称含锰量较高的优质碳素结构钢 成形工艺基础 材2 34 3 碳素工具钢 牌号用 碳 字汉语拼音字首 T 数字表示Wc的千分之几 如 T7 T8 T9 T10 T10A T12等 如T10钢WC 1 T10A中的 A 表示为高级优质碳素工具钢 适用各类高级优质钢 其中 T7钢 WC 0 7 主要用于制造手钳 剪刀 凿子 手锤等 成形工艺基础 材2 35 T10钢 WC 1 用于制作手用钢锯条 简单冷作模具 手工钻头 等 T12钢用于制作铰刀 锉刀 量具等 主参考书P24表1 4为碳钢成分和性能三 合金钢为了提高钢的力学性能 工艺性能 物理性能 化学性能 淬透性等 在碳钢的基础上加入某些合金元素 称为合金钢 按用途分合金结构钢 合金工具钢和特殊性能钢 成形工艺基础 材2 36 1 合金结构钢钢号 数字 元素符号 数字 平均百分数 如20CrMnTi 40Cr 60Si2Mn 38CrMoAlA等 用于制造机械零件和工程构件 主参考书P24中16Mn应归类于 低合金 高强度结构钢 新号 Q345 GB T1591 94 低合金高强度结构钢在碳素结构钢基础上加入少量锰 硅等合元制成的 通常在热轧 正火状态下使用 产品同时保证力学性能和化学成份 成形工艺基础 材2 37 牌号表达同碳素结构钢 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近 但性能有较大的提高 在工程结构中应用极为广泛 旧牌号 16Mn 09MnV2等等 2 合金工具钢用于制造刃具 模具 量具等工具 如9SiCr Cr12 CrMn GCr15等 其中GCr15有专用名称 滚动轴承钢 实为 名专用途广 成形工艺基础 材2 38 高速钢又称 锋钢 白钢 特点是高热硬性 耐磨性 淬透性 常用牌号 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2等 制造形状复杂的高速切削工具 如 麻花钻 铣刀 拉刀 齿轮刀具和其他成形刀具 3 特殊性能钢不锈钢 不锈钢又多为耐热钢 1 铬不锈钢 马氏体型不锈钢 其牌号有 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 成形工艺基础 材2 39 2 铬镍不锈钢 奥氏体型不锈钢 其牌号 1Cr18Ni9 Ti 0Cr18Ni93 铁素体不锈钢 1Cr17 容器 日用品 耐磨钢GB5680 98又称 高锰钢 强烈冲击力作用下发生硬化现象如牌号 ZGMn13 1 ZGMn13 2等 应用铁道叉 履带板 颚板 铲斗 保险箱等 磁钢 略 成形工艺基础 材2 40 5零件选材的一般原则 1