第4章--钢铁材料

1、2课程目录课程目录第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能第三章第三章 金属材料的制备与加工金属材料的制备与加工第四章第四章 钢铁材料钢铁材料第五章第五章 有色金属材料有色金属材料第六章第六章 金属功能材料金属功能材料第七章第七章 新型金属材料及技术新型金属材料及技术34.1 钢的合金化基础钢的合金化基础4.2 构件用钢构件用钢4.3 机器零件用钢机器零件用钢4.4 工具钢工具钢4.5 不锈钢不锈钢4.6 耐热钢耐热钢4.7 铸铁铸铁第第四四章章 钢铁材料钢铁材料44.1 钢的合金化基础钢的合金化基础FeC+合金元素：合金元素：Si、Mn、Cr、W、Mo、V

2、、Ti、Nb、Al、Cu、B等等钢铁材料钢铁材料杂质元素：杂质元素：S、P、N、O、H等等纯纯Fe的冷却曲线：的冷却曲线：5Fe-C相图：相图：611484.32.117270.770.0218奥氏体，奥氏体，A或或铁素体，铁素体，F或或渗碳体，渗碳体，Fe3C或或Cm包晶反应：包晶反应：L+1495共晶反应：共晶反应：L+Fe3C共析反应：共析反应： +Fe3C0.17（莱式体，（莱式体，Ld）（珠光体，（珠光体，P）pGS线：线：又称又称A3线，冷却过程中由奥氏线，冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线体析出铁素体的开始线pES线：线：又叫又叫Acm线，碳在奥氏体中的线，碳在奥氏体中的溶解度

3、曲线溶解度曲线pPQ线：线：碳在铁素体中的溶解度曲线碳在铁素体中的溶解度曲线工业纯铁工业纯铁碳钢碳钢铸铁铸铁Fe-C相图相变线：相图相变线：7A1：共析转变线，即奥氏体转变为珠光体。：共析转变线，即奥氏体转变为珠光体。A3：奥氏体析出铁素体的开始线。：奥氏体析出铁素体的开始线。Acm：碳在奥氏体中的溶解度曲线。：碳在奥氏体中的溶解度曲线。Ac1：加热时的实际共析转变线。：加热时的实际共析转变线。Ac3：加热时奥氏体析出铁素体的开始线。：加热时奥氏体析出铁素体的开始线。Accm：加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。：加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。Ar1：冷却时的实际共析转变线。：冷却时的实际共析转

4、变线。Ar3：冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。：冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。Arcm：冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。：冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。高于平衡高于平衡临界点临界点低于平衡低于平衡临界点临界点奥氏体组织：奥氏体组织：8共析碳钢中珠光体转变为奥氏体的过程示意图共析碳钢中珠光体转变为奥氏体的过程示意图碳在碳在-Fe中可能的间隙位置中可能的间隙位置奥氏体金相组织奥氏体金相组织珠光体组织：珠光体组织：9片状珠光体及珠光体团示意图片状珠光体及珠光体团示意图片状珠光体转变过程示意图片状珠光体转变过程示意图珠光体金相组织珠光体金相组织过冷奥氏体等温转变曲线：过冷奥氏体等温转变曲线：10共

5、析碳钢等温转变曲线共析碳钢等温转变曲线（TTT图或图或C曲线）曲线）C曲线鼻尖处孕育期最短，过冷曲线鼻尖处孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最差。奥氏体稳定性最差。过冷奥氏体等温转变类型：过冷奥氏体等温转变类型：（1）鼻尖以上的高温转变区：）鼻尖以上的高温转变区：珠光体型转变珠光体型转变（2）鼻尖至）鼻尖至Ms之间中温转变区：之间中温转变区：贝氏体型转变贝氏体型转变（3）Ms以下的低温转变区：以下的低温转变区：马氏体型转变马氏体型转变过冷奥氏体连续冷却转变曲线：过冷奥氏体连续冷却转变曲线：11共析碳钢连续冷却转变共析碳钢连续冷却转变曲线（曲线（CCT图）图）（1）任何一种钢的）任何一种钢的CCT曲线

6、都曲线都在其在其C曲线的右下方（连续冷却曲线的右下方（连续冷却时孕育期更长）。时孕育期更长）。（2）共析钢的）共析钢的CCT曲线只有高曲线只有高温的珠光体和低温的马氏体转变温的珠光体和低温的马氏体转变区，没有中温的贝氏体转变区。区，没有中温的贝氏体转变区。（3 3）合金钢连续冷却转变时组）合金钢连续冷却转变时组织多变，珠光体转变和贝氏体转织多变，珠光体转变和贝氏体转变均可有可无或兼而有之，取决变均可有可无或兼而有之，取决于合金元素种类与含量。于合金元素种类与含量。钢的退火：钢的退火：12p 定义：定义：将钢加热到适当的温度，经过保温后缓慢冷却，将钢加热到适当的温度，经过保温后缓慢冷却，以以降低

7、硬度降低硬度、改善组织改善组织、提高加工性提高加工性的热处理工艺。的热处理工艺。p 分类：分类：（1）完全退火：）完全退火：获得接近平衡组织（珠光体转变）获得接近平衡组织（珠光体转变）（2）球化退火：）球化退火：使渗碳体球化，降低硬度，改善切削使渗碳体球化，降低硬度，改善切削性能，提高组织均匀性（球状珠光体）性能，提高组织均匀性（球状珠光体）（3）等温退火：）等温退火：缩短工艺周期，且组织较均匀缩短工艺周期，且组织较均匀（4）扩散退火（均匀化退火）：）扩散退火（均匀化退火）：消除成分偏析和枝晶消除成分偏析和枝晶（5）低温退火（去应力退火）：）低温退火（去应力退火）：消除残余应力消除残余应力（6

8、）再结晶退火：）再结晶退火：消除加工硬化，提高塑性消除加工硬化，提高塑性钢的正火：钢的正火：13p 定义：定义：将钢加热到奥氏体区保温，使其完全奥氏体化后将钢加热到奥氏体区保温，使其完全奥氏体化后在空气中冷却，以得到在空气中冷却，以得到细小珠光体组织细小珠光体组织的热处理工艺。的热处理工艺。p 特点：特点：（1）正火的冷却速度比退火快正火的冷却速度比退火快，过冷度较大，奥氏体，过冷度较大，奥氏体转变温度较低，使组织中珠光体数量增多，且珠光转变温度较低，使组织中珠光体数量增多，且珠光体较细，因此体较细，因此强度和硬度较高强度和硬度较高。（2）正火的目的主要是细化晶粒，消除组织不均匀，正火的目的主

9、要是细化晶粒，消除组织不均匀，提高力学性能提高力学性能。（3）对于过共析钢，正火）对于过共析钢，正火可以消除网状二次渗碳体可以消除网状二次渗碳体，有利于球化退火的进行。有利于球化退火的进行。钢的退火与正火比较：钢的退火与正火比较：14退火与正火比较：退火与正火比较：（a）加热温度范围；（）加热温度范围；（b）碳钢热处理后的硬度）碳钢热处理后的硬度马氏体组织：马氏体组织：15板条马氏体显微组织特征示意图板条马氏体显微组织特征示意图透镜片状马氏体金相组织透镜片状马氏体金相组织板条马氏体金相组织板条马氏体金相组织透镜片状马氏体示意图透镜片状马氏体示意图马氏体组织：马氏体组织：16薄片状马氏体金相组织

10、薄片状马氏体金相组织蝶状马氏体金相组织蝶状马氏体金相组织Fe-Ni-C合金马氏体形貌与合金马氏体形貌与形成温度、碳含量的关系形成温度、碳含量的关系马氏体转变：马氏体转变：17p 马氏体转变的主要特征：马氏体转变的主要特征：（1）切变共格切变共格和表面浮凸和表面浮凸（2）无扩散性无扩散性（3）具有特定的位向关系和）具有特定的位向关系和惯习面惯习面（4）产生大量晶体缺陷，如）产生大量晶体缺陷，如位错、孪晶、层错等，形位错、孪晶、层错等，形成马氏体亚结构成马氏体亚结构（5）非恒温性和不完全性）非恒温性和不完全性马氏体形成示意图马氏体形成示意图p 马氏体晶体结构：马氏体晶体结构：马氏体是碳在马氏体是碳

11、在-Fe中的过饱和固溶体，中的过饱和固溶体，体心立方（体心立方（bcc）点阵畸变为体心正方（）点阵畸变为体心正方（bct）结构。）结构。马氏体性能特点：马氏体性能特点：18（1）钢中马氏体最主要的特点是）钢中马氏体最主要的特点是高的硬度和强度高的硬度和强度，这是由，这是由固溶强化、相变（亚结构）强化和时效强化等因素引起固溶强化、相变（亚结构）强化和时效强化等因素引起的。的。（2）马氏体一般硬而脆，）马氏体一般硬而脆，韧性很低韧性很低。（3）马氏体相变过程中屈服强度显著下降，塑性显著增加，）马氏体相变过程中屈服强度显著下降，塑性显著增加，这称为这称为相变诱发塑性相变诱发塑性。（4）钢中马氏体具有

12、）钢中马氏体具有铁磁性铁磁性和高的矫顽力。和高的矫顽力。（5）透镜片状马氏体会产生）透镜片状马氏体会产生显微裂纹显微裂纹，是淬火钢开裂的重，是淬火钢开裂的重要原因之一。要原因之一。钢的淬火：钢的淬火：19p 定义：定义：将钢加热保温使其奥氏体化后，以大于临界冷却将钢加热保温使其奥氏体化后，以大于临界冷却速度冷却而速度冷却而获得马氏体组织获得马氏体组织的热处理工艺。的热处理工艺。p 分类：分类：（1）单液淬火法：）单液淬火法：水淬或油淬水淬或油淬（2）双液淬火法：）双液淬火法：碳钢的水淬碳钢的水淬油冷法，合金钢的油淬空冷油冷法，合金钢的油淬空冷法法（3）分级淬火法：）分级淬火法：盐浴或碱浴盐浴或

13、碱浴淬火淬火+缓冷缓冷（4）深冷处理：）深冷处理：冷却至冷却至-80 -70，甚至更低温度，甚至更低温度淬火方法示意图淬火方法示意图钢的回火：钢的回火：20p 定义：定义：将钢件淬火后，再加热到将钢件淬火后，再加热到Ac1以下的某一温度保以下的某一温度保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。p 目的：目的：（1）降低脆性降低脆性，减小或消除内应力，防止工件变形和，减小或消除内应力，防止工件变形和开裂开裂（2）稳定组织稳定组织，避免工件在使用时因发生组织转变导，避免工件在使用时因发生组织转变导致性能、尺寸和形状变化致性能、尺寸和形状变化（3）调整淬火后钢

14、件的组织，）调整淬火后钢件的组织，获得所需性能获得所需性能p 组织转变：组织转变： 马氏体分解，残余奥氏体转变，碳化物析出与转变，马氏体分解，残余奥氏体转变，碳化物析出与转变，铁素体回复再结晶及碳化物聚集长大铁素体回复再结晶及碳化物聚集长大钢的回火种类：钢的回火种类：21（1）低温回火：）低温回火：150250，回火马氏体回火马氏体，降低淬火内应，降低淬火内应力和脆性，保持高硬度（一般力和脆性，保持高硬度（一般HRC5564）和耐磨性）和耐磨性（2）中温回火：）中温回火：350500，细粒状渗碳体分布在针状铁，细粒状渗碳体分布在针状铁素体基体上（素体基体上（回火托氏体回火托氏体），具有高的屈服

15、极限、弹性），具有高的屈服极限、弹性极限和较高的韧性，硬度一般为极限和较高的韧性，硬度一般为HRC3550（3）高温回火：）高温回火：500600，极细小的粒状渗碳体与等轴，极细小的粒状渗碳体与等轴状铁素体的混合物（状铁素体的混合物（回火索氏体回火索氏体），获得强度、塑性、），获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能，硬度一般为韧性都较好的综合力学性能，硬度一般为HRC2535淬火淬火+高温回火高温回火=调质处理调质处理，常作为最终热处理。，常作为最终热处理。淬火钢在淬火钢在250400之间回火会产生不易消除的之间回火会产生不易消除的低温回火脆性低温回火脆性，应避免在此温度区间回火。，应避免在

16、此温度区间回火。钢的回火组织：钢的回火组织：22回火马氏体组织回火马氏体组织回火托氏体组织回火托氏体组织回火索氏体组织回火索氏体组织贝氏体组织：贝氏体组织：23上贝氏体组织（上贝氏体组织（a）及示意图（及示意图（b）下贝氏体组织（下贝氏体组织（a）及示意图（及示意图（b）粒状贝氏体组织粒状贝氏体组织无碳化物贝氏体组织无碳化物贝氏体组织羽毛状羽毛状黑针状黑针状贝氏体转变：贝氏体转变：24p 定义：定义：钢经奥氏体化后钢经奥氏体化后过冷到珠光体相变与马氏体相变之过冷到珠光体相变与马氏体相变之间的中温区间的中温区时，将发生贝氏体相变，亦称为时，将发生贝氏体相变，亦称为中温转变中温转变。在。在此温度范

17、围内，铁原子已难以扩散，而碳原子尚能扩散，此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原子尚能扩散，其相变产物一般为其相变产物一般为铁素体基体加渗碳体的非层状组织铁素体基体加渗碳体的非层状组织。p 特点：特点：（1）转变有上、下限温度）转变有上、下限温度（2）转变产物为非层片状）转变产物为非层片状（3）转变通过形核和长大方式进行）转变通过形核和长大方式进行（4）转变是扩散性相变（碳原子的扩散）转变是扩散性相变（碳原子的扩散）（5）存在表面浮凸，贝氏体中的铁素体与母相奥氏体之）存在表面浮凸，贝氏体中的铁素体与母相奥氏体之间存在一定的惯习面和位向关系间存在一定的惯习面和位向关系贝氏体转变表现出从扩散贝氏体

18、转变表现出从扩散性转变（珠光体转变）到性转变（珠光体转变）到无扩散性转变（马氏体转无扩散性转变（马氏体转变）的过渡性和交叉性！变）的过渡性和交叉性！贝氏体的形成：贝氏体的形成：25（1）上贝氏体：）上贝氏体：在较高温度区域形成，在较高温度区域形成，350550（2）下贝氏体：）下贝氏体：在较低温度区域形成，在较低温度区域形成，Ms350（3）粒状贝氏体：）粒状贝氏体：以一定速度连续冷却或在上贝氏体相变以一定速度连续冷却或在上贝氏体相变区高温范围内等温保温可形成区高温范围内等温保温可形成（4）无碳化物贝氏体：）无碳化物贝氏体：一般形成于低碳钢，在贝氏体相变一般形成于低碳钢，在贝氏体相变区最高温度

19、范围内形成区最高温度范围内形成钢的等温淬火：钢的等温淬火： 将加热工件在稍高于将加热工件在稍高于Ms点的盐浴或碱浴中冷却并保温点的盐浴或碱浴中冷却并保温足够的时间，而获得足够的时间，而获得下贝氏体下贝氏体的淬火方法。的淬火方法。贝氏体的力学性能：贝氏体的力学性能：26（1）贝氏体的强度和硬度随形成温度的降低而提高，故）贝氏体的强度和硬度随形成温度的降低而提高，故下下贝氏体强度高于上贝氏体贝氏体强度高于上贝氏体。（2）下贝氏体的冲击韧性优于上贝氏体下贝氏体的冲击韧性优于上贝氏体；在较高强度水平；在较高强度水平下，强度相同时下，强度相同时下贝氏体的韧性往往高于调质钢下贝氏体的韧性往往高于调质钢。（

20、3）同一种钢在热处理获得相同硬度后，获得的贝氏体组）同一种钢在热处理获得相同硬度后，获得的贝氏体组织较淬火回火组织具有织较淬火回火组织具有更高的疲劳性能更高的疲劳性能。合金元素的影响：合金元素的影响：27铁基二元合金相图的类型铁基二元合金相图的类型（a）无限扩大）无限扩大相区：相区：Ni、Mn（b）有限扩大）有限扩大相区：相区：C、N、Cu、Zn、Au（c）封闭）封闭相区、扩大相区、扩大相区：相区：Si、Al、Ti、V、Mo、W、Cr（d）缩小）缩小相区：相区：B、Nb、Zr、Ta合金元素的影响：合金元素的影响：28合金元素对共析成分的影响合金元素对共析成分的影响合金元素对共析合金元素对共析温度温度 的影响的影响合金元素的影响：合金元素的影响：29含碳量对奥氏体晶粒长大的影响含碳量对奥氏体晶粒长大的影响（保温时间均为（保温时间均为3h）合金元素的影响：合金元素的影响：30含碳量对含碳量对C曲线形状和位置的影响曲线形状和位置的影响（a）亚共