分析45钢结晶过程及其组织转变

1、. 分析45钢结晶过程及其组织转变一、学习目标知识目标：了解铁碳合金相图的含义分清钢与铁的区别；熟悉铁碳合金基本相组织；明确铁碳合金相图的点、线、区域的含义；掌握典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；能力目标：能分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；能确定铁碳合金相图在零件选材、毛坯加工、热处理等方面的应用。二、任务引入铁碳合金在结晶时由于铁和碳的含量不同会结晶出不同的晶体，又由于铁有同素异晶转变，所以45钢结晶后在冷却过程中随温度变化晶体结构会发生变化。三、相关知识钢和铸铁是机械制造中应用最多的金属材料。钢铁的品种繁多，成分各不相同，但都是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金。含碳量wc2.

2、11的铁碳合金叫钢，含碳量wc2.11的铁碳合金叫铸铁。在铁碳合金中铁和碳可以生成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。由于含碳量高的Fe2C、FeC脆性大，无实用价值，因此一般只研究碳含量wc6.69%的铁碳合金，故铁碳合金相图也可以认为是相图。（一）铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁组成化合物，而化合物与固溶体还可结合成多相复合组织，因此铁碳合金中出现以下几种基本组织。 1.铁素体 碳溶于晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用F表示。是体心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较小，所以碳在中的溶解度也较小，在室温时接近于零，在

3、727溶解度最大为wc=0.0218%。由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的组织和性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。2.奥氏体 碳溶于晶格间隙中形成的间隙固溶体，为奥氏体，用A表示，如图1-17所示。是面心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较大，所以奥氏体的溶碳能力较强，在l148时，溶碳量可达2.11。由于奥氏体的溶碳量比铁素体多，因此奥氏体的强度和硬度较铁素体高，并且是单一的固溶体，所以其塑性较好，变形抗力较低。绝大多数钢，在进行压力加工和热处理时，都加热到奥氏体区域。 （a）奥氏体晶胞示意图 （b）奥氏体显微组织图图1-17 奥氏体3.渗碳体 渗碳体是含碳量为6.69

4、%的铁与碳形成的一种具有复杂的斜方晶体结构的金属化合物（图1-18），它的硬度很高，塑性和韧性很差，脆性大。渗碳体是铁碳合金中脆而硬的重要强化相，以不同的形状、大小以及不同的分布出现在钢组织中，对钢的性能很大的影响。 4.珠光体 铁素体和渗碳体组成的两相复合组织，称为珠光体（其显微组织如图1-19），用表示。珠光体的含碳量为0.77，其机械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。 图1-18 渗碳体（Fe3C）的晶胞示意图 图1-19 珠光体显微组织5.莱氏体 含碳量为4.3的铁碳合金，在1148时同时由液体中结晶出奥氏体和渗碳体后所形成的复合组织即高温莱氏体，用Ld表示

5、。由于奥氏体在727时转变为珠光体，所以在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成即低温莱氏体，用Ld表示。莱氏体的性能和渗碳体相近，硬度高、塑性差。（二）简化的FeFe3C相图相图是表示在极缓慢加热（或极缓慢冷却)条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度时所具有的状态或组织的图形。工业用铁碳合金的含碳量一般不超过5，因此，我们研究的铁碳合金只限于（wc6.69）范围内。图1-20 简化的Fe-Fe3C相图相图纵坐标表示温度，横坐标表示含碳量。横坐标左端（原点）为wc=0%，是纯铁；右端为wc=6.69%，是Fe3C。1.相图中特性点、线的含义相图中几个主要特性点的温度、含碳量及其物理含义见表1-1。

6、相图中特性线的意义见表1-2。表1-1 相图中的特性点点的符号温度（）含碳量（%）含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点， D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在中最大溶解度G9120纯铁的同素异晶转变点S7270.77共析点，表1-2 相图中的特性线特性线温度（）含义ACD15381227液相线。从液态合金中分别结晶出奥氏体（AC线）和一次渗碳体（CD线）AECF15381148固相线。奥氏体结晶终了并在ECF发生共晶转变，即GS（A3）9121148奥氏体转变为铁素体的开始线ES（Acm）1148727碳在中的溶解度曲线PSK（A1）727共析转变线相图上各区域的组

7、织如图1-20所示。2.铁碳合金的分类 根据含碳量、组织转变的特点及室温组织，铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类：工业纯铁，含碳量小于0.0218的铁碳合金。 钢，含碳量为0.02182.11的铁碳合金。根据其含碳量及室温组织的不同，以S点为界分为三类：共析钢，含碳量0.77；亚共析钢，含碳量0.02180.77；过共析钢，含碳量0.772.11。白口铸铁，含碳量为2.116.69的铁碳合金。根据白口铸铁室温组织的特点，以C点图1-21 典型铁碳合金在相图中的位置为界分为三类：共晶白口铸铁，含碳量4.3；亚共晶白口铸铁，含碳量2.114.3；过共晶白口铸铁，含碳量4.36.69。3.典型

8、铁碳合金的结晶过程及其组织转变（1）共析钢（含碳量为0.77） 图1-21中合金为共析钢。共析钢在高温时是液体状态，当降温至1点时，开始从液体中结晶出奥氏体，l-2点间是液体和奥氏体晶体。当冷至2点时，液体全部结晶为奥氏体，2-3点区间没有组织和成分的变化。当合金冷至3点（即S点）时，奥氏体发生共析转变：即生成铁素体和渗碳体的两相复合组织珠光体。温度继续下降，珠光体不再发生变化。共析钢在室温时的组织是珠光体，呈层片状。（2）亚共析钢（含碳量小于0.77） 图1-21中合金是亚共析钢，其含碳量为0.45，该液态合金冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，至2点结晶结束。23点区间为单一奥氏体。当冷却到3

9、点时，奥氏体中开始析出铁素体，随着温度下降，析出铁素体的量增多，3-4点区间为铁素体和奥氏体两相。当冷却到4点时，剩余的奥氏体发生共析转变，转变为珠光体。4点以下至室温，合金组织不发生变化。亚共析钢的室温组织为珠光体和铁素体，其显微组织如图1-22所示。（3）过共析钢（含碳量0.772.11） 图1-21中合金是含碳1.2的过共析钢。当液态合金冷到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点结晶结束，2-3点之间是单一的奥氏体。当冷却到3点时，奥氏体含碳量达到饱和，继续冷却，过剩的碳便以二次渗碳体(Fe3C)形式析出。析出的二次渗碳体一般沿奥氏体晶界分布，呈网状。在3-4点区间，合金的组织是奥氏体和二次渗

10、碳体。到达4点时，奥氏体就发生共析转变，变成为珠光体。4点以下直至室温，合金组织不再发生转变。过共析钢的室温组织是珠光体和二次渗碳体（显微组织如图1-23），随着含碳量的增加，二次渗碳体的数量也愈多。 图1-22 亚共析钢的显微组织500 图1-23 过共析钢的显微组织（4）共晶白口铸铁(含碳量为4.3) 图1-21中的合金是共晶白口铸铁。在高温时处于液态，冷至l点时发生共晶转变：即液态合金中同时结晶出奥氏体和渗碳体，生成高温莱氏体。L-2点间，莱氏体中的奥氏体要析出二次渗碳体，温度冷至2点时，奥氏体发生共析转变，转变为珠光体。继续冷却，组织不发生变化。共晶白口铸铁的室温组织是珠光体二次渗碳体

11、共晶渗碳体，即为莱氏体，显微组织如图1-24。 图1-24 共晶白口铸铁的显微组织图1-25 亚共晶白口铸铁的显微组织图1-26 过共晶白口铸铁的显微组织亚共晶白口铸铁(含碳量在2.114.3) 和过共晶白口铸铁(含碳量4.36.69)的结晶过程，从共晶转变开始到室温，基本上和共晶白口铸铁相类似。所不同的是从液相线（AC、CD ）到共晶转变线（ECF）之间，亚共晶白口铸铁先从金属液中结晶出奥氏体，过共晶白口铸铁先从金属液中结晶出一次渗碳体。亚共晶白口铸铁在室温时的组织为珠光体二次渗碳体低温莱氏体，显微组织如图1-25。过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体低温莱氏体，显微组织如图1-26。四、任

12、务实施根据铁碳合金相图分析可知：45钢（wc=0.45%）结晶后得到单相奥氏体，随着温度降低，铁发生同素异晶转变，奥氏体一部分转变为铁素体，此时钢组织为A+F，温度继续下降到727时发生共析转变，奥氏体转变为珠光体，此时组织为P+F，一直到室温组织不再变化。五、能力训练分析T8钢的室温组织及性能T8为含碳量wc=0.8%的铁碳合金，根据铁碳合金相图分析可知其室温组织为P+ Fe3C。因为渗碳体组织硬而脆，所以T8钢硬度高，有一定塑韧性，故经常制作手工刃具。六、经验交流铁碳合金相图的应用在常压下，相图是材料状态与成分、温度之间关系的图解。所以，相图反映了不同材料结晶的特点；相图还可以看作一定温度

13、下材料的成分与其组织之间的关系，而材料的组织及其相对含量又与材料的性能密切相关。因此，相图与材料的成分、材料性能之间存在一定的联系。对于金属材料，相图是研究合金的重要工具，利用它可以大致判断合金的组织、力学性能、热处理工艺性、铸造性能及其他性能等，为材料的选用及工艺制定提供依据。1.在选材方面的应用铁碳合金在室温的组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，铁素体的量逐渐减少，渗碳体的量则有所增加，合金的组织按下列顺序发生变化：由此可知：含碳量越高，钢中的硬脆相越多，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。但含碳量超过0.9时，由于网状渗碳体的出现，使钢的强度明显降低，当含碳量达1.3%

14、1.4%时，已不能保证工程使用。根据铁碳合金的组织随成分变化的规律，可以大致判断出合金的力学性能，从而合理的选材。例如，要求塑韧性好的各种型材和建筑结构，应选用碳含量小于0.25%的钢制作；对于工作中承受冲击载荷，以及要求较高强度、塑韧性的机器零件，应选用含碳量为0.25%0.55%的钢；对于要求耐磨性好、硬度高的各种工模具，应选用碳含量大于0.55%的钢；对于形状复杂、不受冲击、要求耐磨的铸件应选用白口铸铁。2.在铸造方面的应用合金的铸造性能主要表现为液态合金的流动性、缩孔、热裂倾向等性能，它主要取决于相图上液相线与固相线之间垂直距离，即结晶的温度间隔。相图上的温度间隔越大，合金的流动性越差

15、，分散缩孔也多，凝固后的枝晶偏析也越严重，因此合金的铸造性差。对于共晶成分合金的熔点低，且凝固在恒温下进行，流动性最好，分散缩孔少，热裂倾向也小，所以，铸造合金一般选用接近共晶成分的合金。同时，按铁碳合金相图可确定合适的浇注温度，一般在液相线以上50100。3.在热处理方面的应用相图是制定热处理工艺的重要依据。由相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，故钢和铸铁可以进行退火、正火、淬火和回火等热处理。另外，碳和其他合金元素可以溶解于奥氏体中，溶解度随温度升高而增加，这就是钢可以进行渗碳处理和其它化学热处理的原因。这方面的应用将在第二章中详细介绍。4.在锻造方面的应用室温时碳钢是由

16、渗碳体和铁素体组成的双相组织，塑性差，变形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态，才具有较好的塑性，易于塑性变形。温度愈高，塑性愈好，愈易产生塑性变形。因此，钢材在进行锻造和轧制时，要将坯料加热到单相奥氏体温度。一般始锻温度控制在固相线以下100200范围内；终锻温度，对于亚共析钢应控制在稍高于GS线以上；对于过共析钢应控制在稍高于PSK线以上。问题讨论1.什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示?2.什么是硬度，HBS、HBW、HRC各代表用什么方法测出的硬度?各种硬度测试方法的特点有何不同？3.简述各力学性能指标是在什么载荷作用下测试的？4.试对晶体、晶格、晶胞、单晶体和多晶体作简单解释。5.常见金属晶格类型有哪几种?试绘图说明。6.晶体的各向异性是如何产生的？为何实际晶体一般都显示不出各向异性？7.实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？对性能有何影响？8.什么是过冷度？过冷度和冷却速度有何关系？9.晶粒大小对力学性能有何影响，控制晶粒大小的途径有哪些？10.什么是固溶体、金属化合物和多相复合组织？它们在晶体结构上有什么特点?11.解释下列概念，并说明其性能和显微组织特征：铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，莱氏体。12.根相图，确定下列三种钢在给定温度时的组织。