第4章-钢铁材料

金属材料导论材料科学与工程学院金属材料科学与工程系王刚

办公地址：8号楼216室

联系电话13128645270

电子信箱：msgwang@2课程目录第一章绪论第二章金属材料的结构与性能第三章金属材料的制备与加工第四章钢铁材料第五章有色金属材料第六章金属功能材料第七章新型金属材料及技术34.1钢的合金化基础4.2构件用钢4.3机器零件用钢4.4工具钢4.5不锈钢4.6耐热钢4.7铸铁第四章钢铁材料44.1钢的合金化基础FeC+合金元素：Si、Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B等钢铁材料杂质元素：S、P、N、O、H等纯Fe的冷却曲线：5Fe-C相图：61148℃4.32.11727℃0.770.0218奥氏体，A或γ铁素体，F或α渗碳体，Fe3C或Cm包晶反应：L+δ→γ1495℃共晶反应：L→γ+Fe3C共析反应：γ→α+Fe3C0.17（莱式体，Ld）（珠光体，P）GS线：又称A3线，冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线ES线：又叫Acm线，碳在奥氏体中的溶解度曲线PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线工业纯铁碳钢铸铁Fe-C相图相变线：7A1：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。Acm：碳在奥氏体中的溶解度曲线。Ac1：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。Accm：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。Ar3：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。高于平衡临界点低于平衡临界点奥氏体组织：8共析碳钢中珠光体转变为奥氏体的过程示意图碳在γ-Fe中可能的间隙位置奥氏体金相组织珠光体组织：9片状珠光体及珠光体团示意图片状珠光体转变过程示意图珠光体金相组织过冷奥氏体等温转变曲线：10共析碳钢等温转变曲线（TTT图或C曲线）C曲线鼻尖处孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最差。过冷奥氏体等温转变类型：（1）鼻尖以上的高温转变区：珠光体型转变（2）鼻尖至Ms之间中温转变区：贝氏体型转变（3）Ms以下的低温转变区：马氏体型转变过冷奥氏体连续冷却转变曲线：11共析碳钢连续冷却转变曲线（CCT图）（1）任何一种钢的CCT曲线都在其C曲线的右下方（连续冷却时孕育期更长）。（2）共析钢的CCT曲线只有高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。（3）合金钢连续冷却转变时组织多变，珠光体转变和贝氏体转变均可有可无或兼而有之，取决于合金元素种类与含量。钢的退火：12定义：将钢加热到适当的温度，经过保温后缓慢冷却，以降低硬度、改善组织、提高加工性的热处理工艺。分类：（1）完全退火：获得接近平衡组织（珠光体转变）（2）球化退火：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）（3）等温退火：缩短工艺周期，且组织较均匀（4）扩散退火（均匀化退火）：消除成分偏析和枝晶（5）低温退火（去应力退火）：消除残余应力（6）再结晶退火：消除加工硬化，提高塑性钢的正火：13定义：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，以得到细小珠光体组织的热处理工艺。特点：（1）正火的冷却速度比退火快，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，且珠光体较细，因此强度和硬度较高。（2）正火的目的主要是细化晶粒，消除组织不均匀，提高力学性能。（3）对于过共析钢，正火可以消除网状二次渗碳体，有利于球化退火的进行。钢的退火与正火比较：14退火与正火比较：（a）加热温度范围；（b）碳钢热处理后的硬度马氏体组织：15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板条马氏体金相组织透镜片状马氏体示意图马氏体组织：16薄片状马氏体金相组织蝶状马氏体金相组织Fe-Ni-C合金马氏体形貌与形成温度、碳含量的关系马氏体转变：17马氏体转变的主要特征：（1）切变共格和表面浮凸（2）无扩散性（3）具有特定的位向关系和惯习面（4）产生大量晶体缺陷，如位错、孪晶、层错等，形成马氏体亚结构（5）非恒温性和不完全性马氏体形成示意图马氏体晶体结构：马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，体心立方（bcc）点阵畸变为体心正方（bct）结构。马氏体性能特点：18（1）钢中马氏体最主要的特点是高的硬度和强度，这是由固溶强化、相变（亚结构）强化和时效强化等因素引起的。（2）马氏体一般硬而脆，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，这称为相变诱发塑性。（4）钢中马氏体具有铁磁性和高的矫顽力。（5）透镜片状马氏体会产生显微裂纹，是淬火钢开裂的重要原因之一。钢的淬火：19定义：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获得马氏体组织的热处理工艺。分类：（1）单液淬火法：水淬或油淬（2）双液淬火法：碳钢的水淬油冷法，合金钢的油淬空冷法（3）分级淬火法：盐浴或碱浴淬火+缓冷（4）深冷处理：冷却至-80℃~-70℃，甚至更低温度淬火方法示意图钢的回火：20定义：将钢件淬火后，再加热到Ac1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。目的：（1）降低脆性，减小或消除内应力，防止工件变形和开裂（2）稳定组织，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（3）调整淬火后钢件的组织，获得所需性能组织转变：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钢的回火种类：21（1）低温回火：150~250℃，回火马氏体，降低淬火内应力和脆性，保持高硬度（一般HRC55~64）和耐磨性（2）中温回火：350~500℃，细粒状渗碳体分布在针状铁素体基体上（回火托氏体），具有高的屈服极限、弹性极限和较高的韧性，硬度一般为HRC35~50（3）高温回火：500~600℃，极细小的粒状渗碳体与等轴状铁素体的混合物（回火索氏体），获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能，硬度一般为HRC25~35淬火+高温回火=调质处理，常作为最终热处理。淬火钢在250~400℃之间回火会产生不易消除的低温回火脆性，应避免在此温度区间回火。钢的回火组织：22回火马氏体组织回火托氏体组织回火索氏体组织贝氏体组织：23上贝氏体组织（a）及示意图（b）下贝氏体组织（a）及示意图（b）粒状贝氏体组织无碳化物贝氏体组织羽毛状黑针状贝氏体转变：24定义：钢经奥氏体化后过冷到珠光体相变与马氏体相变之间的中温区时，将发生贝氏体相变，亦称为中温转变。在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原子尚能扩散，其相变产物一般为铁素体基体加渗碳体的非层状组织。特点：（1）转变有上、下限温度（2）转变产物为非层片状（3）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）（5）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贝氏体转变表现出从扩散性转变（珠光体转变）到无扩散性转变（马氏体转变）的过渡性和交叉性！贝氏体的形成：25（1）上贝氏体：在较高温度区域形成，350~550℃（2）下贝氏体：在较低温度区域形成，Ms~350℃（3）粒状贝氏体：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（4）无碳化物贝氏体：一般形成于低碳钢，在贝氏体相变区最高温度范围内形成钢的等温淬火：将加热工件在稍高于Ms点的盐浴或碱浴中冷却并保温足够的时间，而获得下贝氏体的淬火方法。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，故下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；在较高强度水平下，强度相同时下贝氏体的韧性往往高于调质钢。（3）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更高的疲劳性能。合金元素的影响：27铁基二元合金相图的类型（a）无限扩大γ相区：Ni、Mn（b）有限扩大γ相区：C、N、Cu、Zn、Au（c）封闭γ相区、扩大α相区：Si、Al、Ti、V、Mo、W、Cr（d）缩小γ相区：B、Nb、Zr、Ta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温度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（保温时间均为3h）合金元素的影响：30含碳量对C曲线形状和位置的影响（a）亚共析钢；（b）共析钢；（c）过共析钢合金元素的影响：31钢中合金元素对C曲线的影响杂质元素的影响：32（1）S和P：两者在钢中都是有害元素。S常以FeS的形式存在，FeS与Fe易在晶界上形成低熔点的共晶体，导致钢材在热加工时脆性开裂（即热脆）。通常加入Mn以形成MnS，从而避免热脆。P虽然可提高强度、硬度，但显著降低钢的塑性和韧性，造成冷脆，因此需严格控制其含量。（2）气体元素：H——引起氢脆，形成白点或发裂（微裂纹）N——使钢的强度硬度升高，但塑性韧性下降（时效脆化