金属工艺学之铁碳合金

成形工艺基础－材21第二章铁碳合金成形工艺基础－材22§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2

2.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23

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

ΔT＝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24

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25

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①有熔点；②具有各向异性。成形工艺基础－材26

如：食盐，冰，金刚石，金属等。非晶体:①无熔点；②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27

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28

(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29

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γ－α,体积膨胀；α－γ,体积收缩。转变式：α-Fe→γ-Fe→δ-Fe成形工艺基础－材210§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。成形工艺艺基础－－材2113.相phase指同一化化学成分分，同一一结构并并以界面面互相分分开的均均匀组成成部分。。如固固相、液液相等。。4.组织structure借助于放放大镜、、显微镜镜下观察察到具有有某种形形态、形形貌特征征的组成成部分。。常见的合合金的相相结构有有：固溶体、、金属化化合物和和机械混混合物三类型。。成形工艺艺基础－－材212一、固溶溶体solidsolution定义：溶质原子子溶入溶溶剂晶格格中所形形成的一一种均匀匀固体。如；糖水水水水—溶剂，糖糖—溶质。保持溶剂剂晶格；；固溶体属属于单相相组织。。分类：按按溶质质原子在在溶剂中中分布情情况不同同，分分置换固溶溶体和间隙固溶溶体两类成形工艺艺基础－－材213(1)置换固溶体—溶质原子子替换晶晶格上的的原子(2)间隙固溶体—溶质原子子溶入晶晶格原子子间隙特征：晶格类类型不变变，化学学成分有有限，性性能发生生变化。。结果：造成成晶格畸畸变，强强度、硬硬度上升升。这种现象象称固溶溶强化。。工程中中广泛应应用，如锰钢（（16Mn现称Q345)便为固溶结果果。（弱强化化相）成形工艺艺基础－－材214碳可以溶溶入α-Fe、γ-Fe等形成不不同的固固溶体。。1.铁素体F铁素体是是铁中溶入入一种或或多种溶溶质元素素构成的的固溶体体。727℃℃时Wc=0.0218%；室温时时Wc=0.008％.特点：塑性、韧韧性好，，强度、、硬度低低。（近似似纯铁））其显微组组织特征征：成形工艺艺基础－－材215正常浸蚀蚀后在显显微镜下下呈白亮亮色，在在钢中的的形态多多为不规规则的多多边形块块，在接接近共析析成分的的钢中，，往往呈呈网状或或断续网网状。2.奥氏体(A)【austenite英国金相相学家】奥氏体是是铁中溶入入碳和（或））其他元元素构成成的固溶溶体。其强度和和硬度比比铁素体体高,塑性、韧韧性也好好。因此此，钢材多数数加热到到奥氏体体状态进行锻造造。成形工艺艺基础－－材216在1148℃时Wc＝2.11％；在727℃℃时Wc＝0.77％高温显微微镜下(727℃以上)才能观察察到奥氏氏体组织织。其晶晶粒呈多多边形，，且晶界界较铁素素体平直直。二、金属属化合物物compound合金元素素之间发发生相互作用用而生成成的一种种具有金金属性质质的新相相。如Fe与C→Fe3C(渗碳体)是晶体结结构属于于正交系系，化学学式为Fe3C的金属化化合物,是钢和铸铸铁中成形工艺艺基础－－材217常见的固固相。其其硬度很很高(800HBW)，塑性、、韧性很很差，脆脆性很大大。渗碳体在在钢和铸铸铁中可可呈片状状、球状状和网状状分布，，主要起起强化作作用，它它的形态态、大小小、数量量和分布布对钢和和铸铁的的性能有有很大影影响。（相对固固溶体，，Fe3C属于强强化相相。）Fe3C在一定条条件下可可以分解解，形成成石墨。。反应式：：Fe3C3Fe＋C石墨成形工艺艺基础－－材218三、机械械混合物物两相按固固定比例例构成的的组织（（复合相），称机机械混合合物。各相保持持自己的的晶格类类型、性性能特点点.(如:混凝土)强度、硬硬度适中中。目前钢铁铁材料中中大部分分是这种种组织。。如铁碳碳合金中中珠光体体(P)；莱氏体体(Ld)。1.珠光体Ppearlite是F与Fe3C机械混合合物，WC=0.77%成形工艺艺基础－－材219珠光体是是铁素体体薄层（（片）与与碳化物物（包括括渗碳体体）薄层层（片））交替重重叠组成成的共析析组织。。（记住：：层片相间间）其性能介介于铁素素体和渗渗碳体之之间，强强度较高高，硬度度适中，，有一定定的塑性性。2.莱氏体Ld分高温莱莱氏体和和低温莱莱氏体A与Fe3C的机械混混合物称称高温温莱氏体体，用符符号：Ld表示；成形工艺艺基础－－材220高温莱氏氏体冷却却到727℃℃以下时，转变变为：P+Fe3C称低温莱氏体体；珠光体和渗碳碳体的复合物物，又称“变态莱氏体”(Ld′)。其力学性能与与渗碳体相近近,极为脆硬！平均含碳量为为4.3％。组织特征：白白亮的渗碳体体为基体，上上面分布着许许多粒状、条条状或不规则则形状的黑色色珠光体。成形工艺基础础－材221§3铁碳合金状态态图铁碳合金的结结晶过程比纯纯铁复杂的多多。含碳量不同的的铁碳合金结结晶过程差别别很大。用热分析法将将不同成分的的铁碳合金加加以熔化；然然后，使之极极其缓慢的冷冷却，测出各各成分的合金金的冷却曲线线；在横(成分)－纵(温度)坐标图上连点点描线，可得得铁碳合金状状态图。铁碳合金状态态图的作用：：成形工艺基础础－材2221.表达铁碳合金金不同成分、温温度下的组织织状态.2.研究钢铁成分、组织和和性能之间关系的工具.3.制定铸造、锻锻造、焊接和和热处理工艺的依据.由于含碳大于于6.69％的铁碳合金金在工业上没没有实用价值值，又由于Fe3C的含碳量6.69％，是一个稳稳定的化合物物，视为一个个组元；我们们重点讨论的的是：Fe—Fe3C简化状态图成形工艺基础础－材223成形工艺基础础－材224二、铁碳合金金状态图的分分析1.四个基本相是是指指铁碳合金金状态图中：：液相(L)、奥奥氏体体相(A)、铁素体相(F)、渗碳体相(Fe3C)。2.特性点在铁碳合金状状态图中用字字母标出的点点都有其特定定的意义。3.特性线成形工艺基础础－材2251）ACD线—液相相；液体体到此开始结结晶。2）AECF线—固相线；合金金至此全部结结晶为固体。。在液—固两线之间为为液—固两相区。在C点产生共晶反反应，其反应应式：LcLd(A+Fe3C)3）GS线—自A中析出F线。以：A3线表示。4）ES线—C在A中的溶解度曲曲线.以：Acm表示。1148℃成形工艺基础础－材2265）PSK线—共析反应线，，常以：A1表示。6）PQ线—碳在铁素体中中溶解度曲线线。产生Fe3CⅢ按含碳量不同同，将铁碳合合金分为：钢和铸铁两类钢—含碳量小于2.11％的铁碳合金金，按室温组组织又分为：：亚共析钢—含碳量<0.77%；共析钢—含碳量0.77％过共析钢—含碳量>0.77％成形工艺基础础－材227铸铁—指生铁(白口生铁)含碳量为2.11～6.69％，又分：亚共晶白口生生铁—含碳量<4.3%共晶白口生铁铁—含碳量4.3％过共晶白口生生铁—含碳量>4.3%三、钢在结晶晶过程中的组组织转变.下面以共析钢钢为例，分析析铁碳合金在在缓慢冷却过过程中的组织织转变规律。。成形工艺基础础－材228AEGPQSFeLAL+AFF+AF+PPP+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ0.772.11Ⅰ.共析钢Ⅰ●1●2●3PⅡ.亚共析钢Ⅱ●1●2●3●41●●2●3●4●4'LL+AAF+AA→PP冷却曲曲线过共析析钢成形工工艺基基础－－材229§4工业用用钢简简介钢以以铁为为主元元素，，含C％＜2％以下下，并并含有有其它它元素素的材材料。。钢：可可形变变加工工的铁铁碳合合金。。一、碳碳钢分分类（掌握内内容）钢从不不同角角度可可以有有不同同分类类：二、碳碳素钢钢简称：：碳钢钢carbon-steel常存元元素对对碳钢钢性能能的影影响(了解)成形工工艺基基础－－材2301.碳(C)作用碳对碳碳钢的的组织织和性性能影影响很很大。。如图图示总趋势势是：：状态态图中中自左左向右右，含含碳量量增加加，Fe3C增加，，硬度度直线线上升升，塑塑韧性性急速速下降降，强强度先先升后后降。。2.锰(Mn)作用脱氧，，FeO还原Fe；与S作用→→MnS降低热热脆性性；提提高强强度、、硬度度。属属有益益元素素。3.硅(Si)作用成形工工艺基基础－－材231与钢液液中FeO生成炉炉渣，，提高高钢质质量；；溶于于F中，固固溶强强化。。有益益元素素。4.硫S作用：：形成FeS(熔点1190℃℃），在在晶界界处处，在在1100℃℃——1200℃℃时，压压力加加工，，产生生脆裂裂。“热脆”。有害害元素素。5.磷P作用：全部溶溶于F中，固固溶强强化；；Rm、HB↑↑↑，在低低温下下引起起脆断断—“冷脆”。有害害元素素。成形工工艺基基础－－材232碳钢一一般分分为：：1.碳素结结构钢钢GB700—1988牌号由由代表表屈服服点的的字母母Q、屈屈服点点数值值、质量等等级符符号、、脱脱氧方方法四四部分分组成成。其中质质量等等级分分别用用A、B、C、D表示。。A的S、P量高，，D的S、P量最低低，且且质量量最好好。如：Q235——A.FQ—““屈”字汉语语拼音音字首首，读读“屈”。成形工工艺基基础－－材233235—Rm(σb)≥235MPaA—质量等等级A级F—脱氧方方法，，指“沸腾钢钢”，一般般不标标。牌号：：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类.用途：：用于于制作作螺钉钉、螺螺栓、、螺母母、角角钢、、垫圈圈、焊焊接钢钢管等等。2.优质碳碳素结结构钢钢S、P含量较较低，，用于于重要要零件件成形工工艺基基础－－材234GB：牌号用用两位位数字字表示示，表表示含含碳量量万分分之几几（十十）。如：08F、10、15、20、25，为低碳钢钢，塑性性好，，耐冲冲、好好焊；；30、35、40、45、50、55，中碳钢钢含P多，强强硬适适中，，多做做重要要件；；60、65、70、75，高碳钢钢。多需需淬火火＋回回火，，制作作弹性性耐磨磨件。。20Mn、65Mn等称含含锰锰量较较高的的优质碳碳素结结构钢钢。成形工工艺基基础－－材2353.碳素工工具钢钢。牌号用用“碳”字汉语语拼音音字首首“T”+数字表表示Wc的千分分之几几。如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为为高级级优质质碳素素工具具钢(适用各各类高高级优优质钢钢）。。其中：：T7钢（WC=0.7%）主要要用于于制造造手钳钳、剪剪刀、、凿子子、手手锤等等；成形工工艺基基础－－材236T10钢（WC=1%）用于于制作作手用用钢锯锯条、、简单单冷作作模具具、（（手工工钻头头）等等；T12钢用于于制作作铰刀刀、锉锉刀、、量具具等。。主参考考书P24表1－4为碳钢钢成分分和性性能三、合合金钢钢为了提提高钢钢的力力学性性能、、工艺艺性能能、物物理性性能、、化学学性能能、淬淬透性性等，，在碳碳钢的的基础础上加加入某某些合合金元元素，，称为为合金金钢。。按用用途途分分合金金结结构构钢钢、、合合金金工工具具钢钢和和特特殊殊性性能能钢钢。。成形形工工艺艺基基础础－－材材2371.合金金结结构构钢钢钢号号:数字字＋＋元元素素符符号号＋＋数数字字(平均均百百分分数数)如20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、38CrMoAlA等；；用于于制制造造机机械械零零件件和和工工程程构构件件。。主参参考考书书P24中16Mn应归归类类于于(低合合金金)高强强度度结结构构钢钢,新号号:Q345（GB/T1591-94）低合合金金高高强强度度结结构构钢钢在碳碳素素结结构构钢钢基基础础上上加加入入少少量量锰锰、、硅硅等等合合元元制制成成的的。。通通常常在在热热轧轧、、正正火火状状态态下下使使用用，，产产品品同同时时保保证证力力学学性性能能和和化化学学成成份份。。成形形工工艺艺基基础础－－材材238牌号号表表达达同同碳碳素素结结构构钢钢，，Q295、Q345、Q390、Q420、Q460.低合合金金高高强强度度结结构构钢钢成成本本与与碳碳素素结结构构钢钢相相近近，，但但性性能能有有较较大大的的提提高高，，在在工工程程结结构构中中应应用用极极为为广广泛泛。。（（旧旧牌牌号号:16Mn、09MnV2等等等））2.合金金工工具具钢钢用于于制制造造刃刃具具、、模模具具、、量量具具等等工工具具.如9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等；；其中中GCr15有专专用用名名称称：：“滚动动轴轴承承钢钢”，实实为为“名专专用用途途广广”。成形形工工艺艺基基础础－－材材239高速速钢钢又又称称：：锋锋钢钢、、白白钢钢。。特点点是是高高热热硬硬性性、、耐耐磨磨性性、、淬淬透透性性，，常常用用牌牌号号：：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，，制制造造形形状状复复杂杂的的高高速速切切削削工工具具，，如如：：麻麻花花钻钻、、铣铣刀刀、、拉拉刀刀、、齿齿轮轮刀刀具具和和其其他他成成形形刀刀具具。。3.特殊殊性性能能钢钢不锈锈钢钢（不不锈锈钢钢又又多多为为耐耐热热钢钢！！））1)铬不不锈锈钢钢：：马马氏氏体体型型不不锈锈钢钢，，其其牌牌号号有有：：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13成形形工工艺艺基基础础－－材材2402)铬镍镍不不锈锈钢钢：：奥奥氏氏体体型型不不锈锈钢钢，，其其牌牌号号：：1Cr18Ni9（Ti）、、0Cr18Ni93)铁素素体体不不锈锈钢钢：：1Cr17——容器，日日用品。。耐磨钢GB5680——98又称“高锰钢”，强烈冲冲击力作作用下发发生硬化化现象如牌号：：ZGMn13——1、ZGMn13——2等，应用用铁道道叉、履履带板、、颚板、、铲斗、、保险箱箱等。磁钢（略略）成形工艺艺基础－－材241§5零件选材材的一般般原则1.满足工作作要求是是关键；含有受力力状态、、工作条条件等等等。2.满足工艺艺要求是是效益；在熟悉各各种工艺艺方法的的基础上上，选择择材料；；如:机床上的的复杂箱箱体一般般选铸铁铁，因为为复杂零零件只能能铸造成成形。3.性价比分分析促竞竞争力；4.立足国内内，讲符符合国标标.成形工艺艺基础－－材242成形工艺艺基础－－材243成形工艺艺基础－－材244成形工艺艺基础－－材245成形工艺艺基础－－材246成形工艺艺基础－－材247成形工艺艺基础－－材248成形工艺艺基础－－材249成形工艺艺基础－－材250渗碳体莱氏体成形工艺艺基础－－材251成形工艺艺基础－－材2529、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。21:56:4621:56:4621:5612/28/20229:56:46PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2221:56:4621:56Dec-2228-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。21:56:4621:56:4621:56Wednesday,December28,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2221:56:4621:56:46December28,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。28十二二月20229:56:46下下午21:56:4612月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月229:56下午午12月-2221:56December28,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2821:56:4621:56:4628December202217、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。9:56:46下下午午9:56下下午午21:56:4612月月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。21:56:4621:56:4621:5612/28/20229:56:46PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2221:56:4621:56Dec-2228-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。21:56:4721:56:4721:56Wednesday,December28,