《金属工艺学》第一章.ppt

1、,1-2 铁碳合金及其状态图 铁碳合金的概念：是钢铁的统称，因钢铁的基本组员是铁和碳两种元素，故称铁碳合金。,合金的概念？是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼结合成具有金属特性的新材料。 例如，黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金，又称二元合金。硬铝，是由铝、铜、镁三种元素组成的合金，又称三元合金。,合金的应用：纯金属的强度、硬 度一般都较低，应用受到限制，工业上广泛使用的是金属合金。,一、碳素钢 是含碳量小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金，简称碳钢。 碳钢的知识：碳钢主要是由铁和碳两种元素组成，还含有少量的P、S、Si、Mn 等杂质元素，对钢的性能有重要的影响。,

2、1. 碳及杂质对碳钢性能的影响 碳 碳对钢的性能影响，见图1-5所示。,知识：含碳量增大，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。含碳量超过0.9%以后，钢的强度明显降低。, 工业用钢，必须有足够的强度和一定的塑性、韧性，故钢的含碳量一般不超过1.2%1.3%。, S、P的影响 S、P是钢中的有害杂质，是炼钢时由铁矿石、燃料带入钢中的，难以除尽，也不需除尽。,P 使钢的塑性、韧性降低，尤其是形成Fe3P（含P千分之几），使钢在室温下塑性、韧性恶化，低温时易发生脆性断裂，称作“冷脆”。,要点： “冷脆”对低温条件下工作的钢件具有严重的危害性。 钢中保留适量的P，可改善钢的切削加工性。 P可降低钢的焊

3、接性。,S 在钢中能与铁形成低熔点（9850C）、较脆的FeS，使钢在10000C以上热轧或锻造时，由于FeS的熔化而使钢件开裂，称作“热脆”。,要点： FeS的切削加工性好，适当的S含量可提高钢的切削加工性。如冶炼高碳钢、高合金钢。 对焊接性有不良影响。（热裂、气孔、疏松）, Si、Mn的影响 Si、Mn是钢中有益的杂质，是炼钢中特意加入硅铁和锰铁脱氧带入的。,要点： Mn可消耗S（ MnS ），降低钢的脆性，形成的MnS在11000C以上仍具有一定的塑性。 锰能熔解于铁素体（铁原子晶格）中形成固溶体，使钢得到强化。,如东风康明斯发动机的曲轴，用的是40MnCo钢。,Si也能熔于铁素体（铁原

4、子晶格）中形成固溶体，使钢得到强化，但会使钢的塑性、韧性下降（SiO2），故钢中硅含量规定不超过0.5%。,碳钢的分类、编号、性能和用途 碳钢的分类, 碳钢的牌号 a. 碳素结构钢 Q+数字-（A,B,C,D） “Q”“屈”字汉语拼音字首 数字表示屈服强度值 A,B,C,D钢的质量等级。,例如Q235，表示屈服强度值为235MPa的碳素结构钢。,碳素结构钢的性能：含碳量小于0.38%，焊接性、塑性、韧性好，常热轧成钢板、钢带、角钢、槽钢、钢筋、焊接管材等，能满足一般工程结构、建筑结构的使用要求。,应用： Q195、215、235 含碳量低，塑性、韧性好，焊接性能好，有一定强度。常轧制成薄板、钢

5、筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构件，还可制造普通铆钉、螺栓、螺母等零件。,Q255、275 含碳量比前几种略高，故其强度较高，塑性、韧性也较好，用作制造吊钩、机械连杆、齿轮、联轴器和销子等零件。,b.优质碳素结构钢 知识：是S、P杂质控制 化学成分稳定，热处理性能好的钢种。 牌号：用两位数字表示钢中平均碳质量分数的万分之几，如钢号45 。,钢号45，表示钢中平均碳质量分数为0.45%； 钢号08，表示钢中平均碳质量分数为0.08%。,应用： 08、08F、10、10F 含碳量低，塑性、韧性高，具有优良的冷冲压性能和焊接性能。主要用在冷轧成薄钢板，作为冷冲压件板材。,10、15、20、25号

6、钢 属低碳钢，冷冲压性和焊接性好，这类钢经渗碳淬火后，硬度可达60HRC以上，耐磨性好。 用途：制作冲压件、焊接件、强度要求不太高的机械零件及渗碳件，如焊接箱体、垫圈及渗碳凸轮、齿轮等。,如低碳合金结构钢产品：,30、35、40、45、50、55号钢 属中碳钢，强度、硬度较高，经淬火+高温回火后，可获得优良的综合力学性能。 用途：用来制造重要的机械零件，如轴类、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要的螺钉、螺母等。,如40、45钢，常用来制造汽车曲轴、连杆，机床的主轴、机床齿轮、普通机械的轴等。,60、65、70、75号钢 属高碳钢，经热处理后具有高的强度、硬度，特别是经淬火+中温回火后，获得高的弹

7、性极限。 用途：主要用做弹簧、发条、钢丝绳、汽车板弹簧等的材料。,c. 碳素工具钢 化学成分：是碳的质量分数 性能特点：淬火后硬度可在 60HRC以上。,用途：用来制造锻工、木工、钳工工具和量具，以及低速刀具、手动工具及冷冲模（带刃口）。,牌号：T+数字+字母A（优级） “T”“碳”的汉语拼音字首， 数字钢中平均碳质量分数的千分数。 例如T8、T10，分别表示钢中平均碳质量分数为0.8%和1.0%的碳素工具钢。,常用的碳素工具钢牌号及用途： T7、T8：回火后韧性最好，用来制造承受冲击的工具，如錾子、冲头、锤子等锻工工具。,T10、T10A：淬火后硬度高达 ，但仍具有一定的韧性，用来制造刃口锋

8、利的刀具如钢锯条、丝锥、钻头、冷冲模等。,T12、T13：淬火后硬度最高（ ），但韧性很低，主要用来制造不承受冲击的耐磨工具，如钢锉、刮刀、车刀、铣刀、量规（检验工件尺寸的量具）。,最后强调：碳素工具钢是用于制造要求高硬度、耐磨的工具和刃具的材料。但就工具钢本身是不具备这样的性能，必须要进行淬火+回火热处理后才具有高硬度60HRC以上。,d. 铸造碳钢的牌号 基本知识：铸造碳钢简称铸钢，是碳的质量分数在0.20%0.60%范围的铁碳合金，用于浇注铸件的熔炼钢水。,化学成分：碳的质量分数 这部分化学成分的熔炼钢水，其铸造性能最好，浇注出的铸钢件质量最好，铸造缺陷程度最轻。,铸钢的牌号：“ZG”后

9、跟两组数字，如ZG 200-400。 “ZG”“铸钢”两字汉语拼音的字首。两组数字分别表示屈服强度和抗拉强度。,应用：用作制造受力复杂，尺寸大、形体复杂的机械零件毛坯。,二、纯铁的晶体结构和结晶过程 说明：本节理论是学习合金钢、铸造和锻造工艺，热处理工艺的基础，也是认识、理解金属材料力学性能指标本质的基础。,1. 金属的晶体结构 见图1-6。金属中原子呈空间规律排列特征，称作晶体结构。,知识点： 凡原子规则堆积的晶体，都具有一定的熔点、硬度、塑性和导电性。 金属在液态下，原子呈不规则堆积。,（1）晶格与晶胞理论 意义：金属内部晶体结构特征是用晶格、晶胞示意，它是分析金属结构与性能关系的工具。,

10、晶格 见图1-6 b）。是按晶体原子排列的特征，把原子抽象成点，以假想直线连接，所构成的空间格子。,晶胞 是晶格中的最小几何单元，它最清楚反映出晶体内部原子排列的特征。,（2）金属晶格的类型 研究证明，大多数金属都属于下面三种晶格： 1）体心立方晶格 晶胞的八个顶角和中心各排列一个原子。,属于体心立方晶格类型的金属： Cr、V、W、钼（Mo）等。 性能：具有较高的强度和塑性。,2）面心立方晶格 晶胞的6个面上各排列有一个原子，原子间隙、原子排列密度比体心立方晶格的大。,属于面心立方晶格类型的金属： Cu、Pb、AI、Ni、Au（金）等。 性能：硬度低、有一定的塑性。,重要知识：纯铁在不同温度下

11、，有两种晶格结构，如图1-10所示。,3）密排六方晶格 晶胞是一个六方柱体，在每个顶角上和上下底面的中心各排列一个原子，在晶胞的中间还排列着三个原子。,属于此晶格类型的金属：Mg、Zn等。 性能：具有一定的硬度。,2. 纯铁的结晶过程和同素异构转变 意义：本节内容是指导铸造生产和热处理工艺的理论基础。,（1）纯铁的结晶过程 结晶：原子由不规则堆积的液态转变为规则排列的固态的过程，称作结晶。 纯铁结晶过程：见图1-9。,冷却到一定温度 形核（极小晶体，称作晶核）晶核不断凝聚液体中的原子呈规则排列 晶核长大，形成不规则的晶粒，同时不断产生新晶核继续凝聚液态中的金属原子 不断消耗金属液，直到各个晶粒

12、相互接触，液体耗尽。,晶核：是合金液达到一定过冷时，很少量的原子会在过冷度最大的方向上聚集排列，形成的小晶体。,纯铁结晶的特征： 如图1-8。,金属液冷却到一定程度才开始结晶，如图中a点温度，称凝固点或熔点。,结晶是在恒温下进行，有一个过程，故曲线中有一水平线段。（结晶时金属要释放出热量）,图中T0温度，是在极缓慢冷却实验条件下的结晶温度，称作理论结晶温度。,铸造、炼钢过程的冷却条件是做不到极缓慢，合金液的实际结晶温度总是低于理论结晶温度T0，把Tn 称作实际结晶温度。,铸件、连铸坯 的结晶温度,过冷度,的意义： 金属液冷却速度越快，则过冷度越大，金属的实际结晶温度就越低，形核数目就越多，结晶

13、出的晶粒愈细小，铸件的力学性能愈高。,影响过冷度 大小的因素： 铸造生产表明：过冷度大小与冷却速度有关。冷却速度越快，过冷度就越大。,细晶组织与金属性能的关系： 结晶时形核数目越多，晶粒愈细小，金属的机械性能愈高，其热处理工艺性能也愈好；,生产中细化晶粒的方法： 增大过冷度 可以增加形核数目。 增大过冷度的措施：控制铸件、连铸坯的壁厚或断面尺寸；铸件的湿砂造型；连续铸造中，对铜制结晶器和铸钢坯采用快速进入空冷或水冷区。,变质处理 向金属液中加入孕育剂（难熔的微细颗粒），以增加外来晶核的数目。,硅铁、硅钙孕育剂,（2）同素异构转变如图1-10：纯铁晶格结构会随温度变化而改变，这种现象称作同素异构

14、转变。,意义：纯铁的同素异构转变，表明对钢可通过再加热温度的控制，得到所需晶格类型，发展了钢制零件热处理工艺。,同素异构转变，金属体积要发生膨胀或收缩，即零件尺寸要发生变化。,三、铁碳合金状态图 如图1-11。状态图是反映合金成分、组织与温度间关系的图解。,意义：是铸造合金成分、锻造温度的制定和热处理加热温度制定的理论依据，也是学习铸造和锻造生产内容的基础。,1. 铁碳合金的基本组织 （1）铁素体（F） 是碳原子在9120C以下溶解在 晶格中形成的间隙固溶体。,铁素体的性能：和其它组织相比F的塑性最好，强度低，但比纯铁（ ）高。,提问1 为什么铁素体的强度比纯铁（ ）的高？ 说明： 纯金属晶格

15、（如 ）特征及性能,如图示：纯金属晶格整齐，受外力作用时某一晶面很容易产生相对滑移（变形），故纯金属的强度很低。,固溶体晶格（如F）及特征 如图，由于在基体金属（ ）晶格中溶入其它金属原子或非金属原子（如C、Si），使其晶格发生了畸变（歪扭），,当受外力作用，晶格不容易出现相对滑移，即产生了变形抗力，表现出固溶体晶格比纯金属晶格高的强度。,固溶体,纯金属受力变形的实质 如图示，是晶格内部很容易产生沿某一晶面发生相对滑移（变形）。,而固溶体晶格（歪扭晶格），受外力作用时，晶面的相对滑移变得困难，即固溶体晶格变形抗力大，表现出其强度比纯金属的高。,固溶体理论的意义：是合金钢冶炼的理论基础。在冶炼合

16、金钢时，要特意加入某些合金元素如Mn、Si、Ni、Cr等，使 铁晶格变成固溶体晶格而得到的新钢种-合金钢。,深刻理解铁素体组织与铁素体是一种间隙固溶体两种说法 说明：把在金相显微镜下观察到的铁素体晶粒的形貌、数量及分布的特征称作铁素体组织。而把铁素体晶粒内部原子排列特征（或晶格特征）称作固溶体。,（2）奥氏体（A） 是碳溶解在 中形成的间隙固溶体。,要点：奥氏体 晶格间隙较大，溶碳能力比铁素体强，故奥氏体晶格畸变程度比铁素体的大，意味着。, A只存在7270C14950C，属高温组织。,奥氏体的力学性能：其强度比铁素体高得多，塑性也好，是热锻、热轧工艺必备的组织。,坯料要加热到奥氏体A温度下进

17、行锻造,（3）渗碳体 把碳与铁形成的具有复杂晶格的金属化合物称为渗碳体，用化学式Fe3C表示。,渗碳体的形成：铁晶格的溶碳能力有限，多余的碳原子就会与铁原子结合成渗碳体Fe3C。,渗碳体Fe3C的性能：熔点高，约12270C，硬度高（约800HBW），比玻璃硬，塑性极差、脆性大（ ）。,（4）珠光体（P） 是铁素体和渗碳体晶粒互相混合组成的机械混合物。,珠光体的形成：,珠光体的性能：介于铁素体与渗碳体性能之间，具有一定的强度、硬度和塑性。,（5）莱氏体 是碳质量分数为4.3%的铁碳合金液冷却到11480C时，从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。,最后要求掌握好教材表1-5

18、内容。,2. 铁碳合金状态图及其分析 （1）状态图中的特性点及含义 图中用字母标出的点都表示一定的特性，称为特性点，见表1-6。,（2）图中的特性线及其含义ACD线液相线。在此线以上合金是液态，当冷却到该线温度时开始结晶。,AECF线固相线。此线以下为固相区，即合金冷却到该线温度时全部结晶为固体。,GS线是奥氏体和铁素体的相互转变线，又称A3线。（也是铁的同素异构转变温度线）,含义：w(c)=00.77%成分的铁碳合金，缓冷至GS线温度时，由奥氏体中开始析出铁素体。,ES线是碳在奥氏体中的溶解度线，用符号Acm表示。,要点：在11480C时，碳在奥氏体中的溶解度为2.11%（E点），在7270

19、C时降到0.77%（S点）。,由11480C缓冷至7270C过程中，碳在奥氏体中的溶解度减小，多余的碳从奥氏体中析出并与铁结合成渗碳体 ，称作二次渗碳体 。,ECF线共晶线。含义：成分在E、F点间的铁碳合金，缓冷至11480C时发生共晶转变，即从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体组成的混合物莱氏体Ld。,例如 C点成分合金液的共晶转变：,PSK线共析线，又称A1线。 含义：P点右侧所有成分的合金缓冷至7270C时，均要发生共析转变：从奥氏体固相中同时析出铁素体和渗碳体组成的机械混合物珠光体。,例如，S点成分的奥氏体相冷却到7270C时，发生共析转变：,（3）碳钢的结晶过程分析 碳钢与铸铁 在Fe-Fe3C图中，碳的质量分数小于E点成分的铁碳合金称作碳钢，而大于E点成分的铁碳合金称作铸铁。,碳钢的分类 根据碳钢在室温下平衡组织的特点，在Fe-Fe3C图中将碳钢分成三类：,什么是室温下平衡组织？ 说明：在极缓慢冷却条件下，冷却到 7270C以下所得到的组织称为平衡组织。,典型碳钢结晶过程分析 共析钢,亚共析钢,过共析钢 见教材P14及图1-12。,要点：过共析钢组织中的渗碳体，呈网状结构，使钢的性能硬而脆，韧性降低。,3. Fe-Fe3C图在生产中的作用 （1）铸造生产中的作用 1）合金铸造性能的预测 由状态图可知：共晶成分合金的熔