机械加工工艺基础：第二章 铁碳合金

1、 什么是铁碳合金？什么是铁碳合金？ 以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于95%。 学习内容学习内容 1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 2.铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 3.铁碳合金状态图铁碳合金状态图 4.工业用钢工业用钢【重点内容】1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素。其影响因素。2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及细过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及细化晶粒的办法。化晶粒的办法。 3.纯铁的晶体结构。纯铁的晶体结构。4.

2、纯铁同素异晶转变。纯铁同素异晶转变。 什么是金属的结晶？什么是金属的结晶？ 液态金属冷却凝液态金属冷却凝固转变为固态晶体的固转变为固态晶体的过程过程 结晶的过程可用（温结晶的过程可用（温度度时间的曲线）时间的曲线）冷冷却曲线却曲线来表示。来表示。 过冷现象：过冷现象：金属实际金属实际结晶温度结晶温度低于低于理论结理论结晶温度（或金属熔晶温度（或金属熔点）。点）。纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线C LT0T1S0T0：理论结晶：理论结晶温度温度T1：实际结晶：实际结晶温度温度 T=T0-T1（过冷度）（过冷度） 过冷度过冷度理论结晶温度（或熔点）与实际结晶理论结晶温度（或熔点）与实际结晶温度之差

3、。即温度之差。即T=T0-T1 。 过冷度的大小与冷却速度的关系过冷度的大小与冷却速度的关系:冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷度越大冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷度越大。 结晶过程：结晶过程：形核形核+长大长大 自发形核（均质形核）自发形核（均质形核）u 晶核的形成晶核的形成 非自发形核（异质形核）（为主）非自发形核（异质形核）（为主）u 晶核的长大：树枝状长大、平面状生长。晶核的长大：树枝状长大、平面状生长。u 晶粒：每个晶核长成的晶体。晶粒：每个晶核长成的晶体。u 晶界：晶粒之间的接触面。晶界：晶粒之间的接触面。细化晶粒的方法细化晶粒的方法(1)(1)增加冷却速度，增大过冷度；增

4、加冷却速度，增大过冷度；(2)(2)进行变质处理，增加外来晶核进行变质处理，增加外来晶核; ;(3)(3)采用机械、超声波振动、电磁搅拌等采用机械、超声波振动、电磁搅拌等。晶粒大小对金属或合金力学性能的影响晶粒大小对金属或合金力学性能的影响 晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。晶体中原子在几何空间的排列形式晶体中原子在几何空间的排列形式，可用，可用晶格晶格来表示。来表示。表征晶格特征的最小几何单元表征晶格特征的最小几何单元叫叫晶胞晶胞。 根据对晶胞的分析，最常见的晶格类型有根据对晶胞的分析，最常见的晶格类型有体心立方晶体心立方晶格格(bcc) 、面

5、心立方晶格、面心立方晶格(fcc)、密排六方晶格、密排六方晶格(hcp)。原子数18(1/8)=2典型金属：-Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb性能特点：强度很高，塑性较好强度很高，塑性较好致密度：68（原子占有晶胞体积的百分数）（原子占有晶胞体积的百分数）原子数 (1/2) 6 (1/8) 8=4典型金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag性能特点：塑性极好塑性极好致密度：74 同素异晶转变同素异晶转变：金属在结晶之后，在不同：金属在结晶之后，在不同温度范围内将呈现出不同的晶格。这种随温度范围内将呈现出不同的晶格。这种随着温度的改变，固态金属的晶格随之改变着温度的改变，固态金属的晶格随之改

6、变的现象。的现象。 同素异晶转变时，由于晶格结构的转变，同素异晶转变时，由于晶格结构的转变，原子排列的密度也随之改变原子排列的密度也随之改变第一水平台（第一水平台（1538C）纯铁由液态纯铁由液态 固态固态晶格为体心立方晶格为体心立方1394C-912C发生同素异晶转变发生同素异晶转变晶格为面心立方晶格为面心立方912C发生同素异晶转变发生同素异晶转变晶格为体心立方晶格为体心立方 基本概念：基本概念： 1.合金合金：由由两种或两种以上两种或两种以上的金属元素或金属与非金属的金属元素或金属与非金属通过通过熔炼熔炼后所获得的具有后所获得的具有金属特性金属特性新的物质新的物质。 2.组元组元：组成合

7、金的最基本单元组成合金的最基本单元。通常是指组成该合金的元素或某些化合物， 3.相相：凡是成分相同成分相同、结构相同结构相同并与其他部分有界面分与其他部分有界面分开的均匀组成部分开的均匀组成部分。 4.在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形貌、图象称为组织组织，合金又可分为不同的组织。 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织可分为固溶体固溶体、金属化合金属化合物物和机械混合物机械混合物三种类型。固溶体：固溶体：（或（或F）、）、（或（或A）金属化合物：金属化合物：Fe3C （渗碳体）（渗碳体）机械混合物：机械混合物：P（珠光体）、（珠光体）、Ld（莱氏体）（莱氏体） 某些合金的组元在固态时，具有

8、一定的互相溶解能力。 溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体型的金属晶体，称固溶体固溶体。 根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体间隙固溶体和置换固溶体置换固溶体两类。 铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体间隙固溶体 间隙固溶体间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置。 固溶体固溶体 置换固溶体置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子。 通过溶入某

9、种溶质元素形成通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象度升高的现象称为固溶强化固溶强化。 固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大的缘故。因此固溶强化是材料的一种固溶强化是材料的一种主要的强化途径主要的强化途径。o当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。o随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变。其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等下降等。 1、铁素体（铸铁）、铁素体（铸

10、铁） 碳溶解于碳溶解于 中形成的固溶体称为铁中形成的固溶体称为铁素体，晶格为体心立方晶格，用素体，晶格为体心立方晶格，用F表示。表示。性能：性能：溶碳极少固溶强化作用甚微溶碳极少固溶强化作用甚微与纯铁相似与纯铁相似 强度、硬度低强度、硬度低 塑性、韧性好塑性、韧性好 600C- 727Cb 250MPa 80HBS伸长率伸长率 45-50%铁素体铁素体多边形晶粒，晶界曲折多边形晶粒，晶界曲折eF 2、奥氏体（钢）奥氏体（钢） 碳溶解于碳溶解于 中形成的固溶体称为奥中形成的固溶体称为奥氏体，晶格为面心立方晶格，用氏体，晶格为面心立方晶格，用A表示。表示。eF性能：属高温组织性能：属高温组织溶碳能

11、力较铁素体高溶碳能力较铁素体高 强度、硬度低强度、硬度低 塑性优良塑性优良 727C0.77% 1148C2.11%160-200HBS伸长率伸长率 40-45% 奥氏体奥氏体多边形晶粒，晶界平直多边形晶粒，晶界平直 合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质，称为金属化合物金属化合物。 金属化合物性能金属化合物性能：熔点高，硬度高，脆性大熔点高，硬度高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相。 铁碳合金中的渗碳体渗碳体（Fe3C）属金属化合物，硬度很高，塑性、韧性几乎为零硬度很高，塑性、韧性几乎为零。 渗碳体是钢铁中的强化渗碳体是钢铁中的强化相，组织可呈片状、球相，组织可呈片状、球

12、状、网状等不同形状。状、网状等不同形状。其形状、数量、分布对其形状、数量、分布对钢的性能影响很大。钢的性能影响很大。Fe3C 3Fe+C 定义：定义：两种或两种以上的相按一定质量百分数两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物质组成的物质。 混合物各相保持其原有晶格。混合物各相保持其原有晶格。 混合物的性能：混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小它们分布的形态、数量及大小。 铁碳合金中的机械混合物有铁碳合金中的机械混合物有珠光体珠光体和和莱氏体莱氏体。 珠光体珠光体 定义：铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用定义：铁素体和渗碳体组成的机械混合

13、物，用P或或F+Fe3C表示。表示。 性能：含碳性能：含碳0.77%，抗拉强度（，抗拉强度（b b =750MPa=750MPa）高、高、硬度高（硬度高（180HBS）、有一定的塑性和韧性）、有一定的塑性和韧性（ =20=2025% a25% ak k=30=3040J/cm240J/cm2）。）。珠光体呈层片状特珠光体呈层片状特征征,白色基体为铁白色基体为铁素体，黑色层片为素体，黑色层片为渗碳体。渗碳体。 莱氏体：莱氏体：高温莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，高温莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用用Ld 或（或（A+Fe3C）表示）表示。属高温组织，仅存属高温组织，仅存727C

14、以上。以上。低温莱氏体：珠光体和渗碳体的机械混合物，用低温莱氏体：珠光体和渗碳体的机械混合物，用Ld表示。表示。 性能：性能：与渗碳体相近，与渗碳体相近，极硬脆。极硬脆。铁碳合金基本组织力学性能铁碳合金基本组织力学性能【基本要求】：【基本要求】： 1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的含熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的含义。义。 2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利用熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利用状态图对典型合金的结晶过程进行分析。状态图对典型合金的结晶过程进行分析。 3. 掌握碳钢的牌号及用途；掌握碳钢的牌号及用途； 铁碳合金状态图是研究在平衡条件下，铁碳合金的成分

15、、组织和性能之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它以温度为纵坐标、合金成分（ Fe3C或含碳量）为横坐标的图形。它是说明合金成分、温度和组织三者关系的图形。简化图简化图1538Q Fe-Fe3C状态图wC/%温度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe1. 组元和相组元和相（1）组元：）组元： 铁石墨相图：铁石墨相图：Fe,C; 铁渗碳体相图：铁渗碳体相图： Fe，Fe3C。（2）相（）相（4个

16、相区）：个相区）： L, A(), F(), Fe3C(K)。1538Q Fe-Fe3C状态图wC/%温度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe特性点：特性点： A、C、D、E、F、G、S、P、Q特性点的特性点的符号符号温度温度t/ 含碳量含碳量wc%含义含义ACDEGPSQ 1538 1148 1227 1148 912 727 727 60004.36.692.1100.020.770.006纯铁的熔点纯

17、铁的熔点共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度-Fe -Fe同素异晶转变点同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度共析点共析点600碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度 根据含碳量的不同，铁碳合金分为根据含碳量的不同，铁碳合金分为 工业纯铁：工业纯铁：C0.0218% 钢：指含碳量小于钢：指含碳量小于2.11%的铁碳合金的铁碳合金共析钢：共析钢：C=0.77%（P）亚共析钢：亚共析钢：0.0218%C0.77%（F+P）过共析钢：过共析钢：0.77%C=2.11%（P+Fe3C ） 铸铁：指含碳量铸铁：指含碳量2.11%-6.69%的铁碳合金的铁碳合金共晶铸铁：共晶铸铁：C=4.3%亚共晶铸铁：亚共晶铸铁：2.11%C4.3%过共晶铸铁：过共晶铸铁：4.3%C6.69% 共析钢共析钢 合金合金 I1点以上：液态点以上：液态L1点点-2点：点：L+A2点点-3点：点：A3点点-室温：室温：P 亚共析钢亚共析钢 合金合金II(45钢钢)1点以上：液态点以上：液态L1点点-2点：点：L+A2点点-3点：点：A3点点-4点：点：A+F4点点-室