分析45鋼結(jié)晶過程及其組織轉(zhuǎn)變

1、. 分析45鋼結(jié)晶過程及其組織轉(zhuǎn)變一、學習目標知識目標：了解鐵碳合金相圖的含義分清鋼與鐵的區(qū)別；熟悉鐵碳合金基本相組織；明確鐵碳合金相圖的點、線、區(qū)域的含義；掌握典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及其組織轉(zhuǎn)變；能力目標：能分析典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及其組織轉(zhuǎn)變；能確定鐵碳合金相圖在零件選材、毛坯加工、熱處理等方面的應用。二、任務引入鐵碳合金在結(jié)晶時由于鐵和碳的含量不同會結(jié)晶出不同的晶體，又由于鐵有同素異晶轉(zhuǎn)變，所以45鋼結(jié)晶后在冷卻過程中隨溫度變化晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。三、相關(guān)知識鋼和鑄鐵是機械制造中應用最多的金屬材料。鋼鐵的品種繁多，成分各不相同，但都是以鐵和碳兩種元素為主所組成的鐵碳合金。含碳量wc2.

2、11的鐵碳合金叫鋼，含碳量wc2.11的鐵碳合金叫鑄鐵。在鐵碳合金中鐵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，無實用價值，因此一般只研究碳含量wc6.69%的鐵碳合金，故鐵碳合金相圖也可以認為是相圖。（一）鐵碳合金的基本組織在鐵碳合金中，由于含碳量的不同，碳可以溶解在鐵中形成固溶體，也可以與鐵組成化合物，而化合物與固溶體還可結(jié)合成多相復合組織，因此鐵碳合金中出現(xiàn)以下幾種基本組織。 1.鐵素體 碳溶于晶格間隙中形成的間隙固溶體，稱為鐵素體，用F表示。是體心立方晶格，由于晶格原子之間的間隙較小，所以碳在中的溶解度也較小，在室溫時接近于零，在

3、727溶解度最大為wc=0.0218%。由于鐵素體的含碳量低，所以鐵素體的組織和性能與純鐵相似，即具有良好的塑性和韌性，而強度和硬度較低。2.奧氏體 碳溶于晶格間隙中形成的間隙固溶體，為奧氏體，用A表示，如圖1-17所示。是面心立方晶格，由于晶格原子之間的間隙較大，所以奧氏體的溶碳能力較強，在l148時，溶碳量可達2.11。由于奧氏體的溶碳量比鐵素體多，因此奧氏體的強度和硬度較鐵素體高，并且是單一的固溶體，所以其塑性較好，變形抗力較低。絕大多數(shù)鋼，在進行壓力加工和熱處理時，都加熱到奧氏體區(qū)域。 （a）奧氏體晶胞示意圖 （b）奧氏體顯微組織圖圖1-17 奧氏體3.滲碳體 滲碳體是含碳量為6.69

4、%的鐵與碳形成的一種具有復雜的斜方晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物（圖1-18），它的硬度很高，塑性和韌性很差，脆性大。滲碳體是鐵碳合金中脆而硬的重要強化相，以不同的形狀、大小以及不同的分布出現(xiàn)在鋼組織中，對鋼的性能很大的影響。 4.珠光體 鐵素體和滲碳體組成的兩相復合組織，稱為珠光體（其顯微組織如圖1-19），用表示。珠光體的含碳量為0.77，其機械性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度較高、硬度適中、有一定的塑性。 圖1-18 滲碳體（Fe3C）的晶胞示意圖 圖1-19 珠光體顯微組織5.萊氏體 含碳量為4.3的鐵碳合金，在1148時同時由液體中結(jié)晶出奧氏體和滲碳體后所形成的復合組織即高溫萊氏體，用Ld表示

5、。由于奧氏體在727時轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以在室溫時，萊氏體由珠光體和滲碳體組成即低溫萊氏體，用Ld表示。萊氏體的性能和滲碳體相近，硬度高、塑性差。（二）簡化的FeFe3C相圖相圖是表示在極緩慢加熱（或極緩慢冷卻)條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同溫度時所具有的狀態(tài)或組織的圖形。工業(yè)用鐵碳合金的含碳量一般不超過5，因此，我們研究的鐵碳合金只限于（wc6.69）范圍內(nèi)。圖1-20 簡化的Fe-Fe3C相圖相圖縱坐標表示溫度，橫坐標表示含碳量。橫坐標左端（原點）為wc=0%，是純鐵；右端為wc=6.69%，是Fe3C。1.相圖中特性點、線的含義相圖中幾個主要特性點的溫度、含碳量及其物理含義見表1-1。

6、相圖中特性線的意義見表1-2。表1-1 相圖中的特性點點的符號溫度（）含碳量（%）含義A15380純鐵的熔點C11484.3共晶點， D12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在中最大溶解度G9120純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點S7270.77共析點，表1-2 相圖中的特性線特性線溫度（）含義ACD15381227液相線。從液態(tài)合金中分別結(jié)晶出奧氏體（AC線）和一次滲碳體（CD線）AECF15381148固相線。奧氏體結(jié)晶終了并在ECF發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，即GS（A3）9121148奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開始線ES（Acm）1148727碳在中的溶解度曲線PSK（A1）727共析轉(zhuǎn)變線相圖上各區(qū)域的組

7、織如圖1-20所示。2.鐵碳合金的分類 根據(jù)含碳量、組織轉(zhuǎn)變的特點及室溫組織，鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三大類：工業(yè)純鐵，含碳量小于0.0218的鐵碳合金。 鋼，含碳量為0.02182.11的鐵碳合金。根據(jù)其含碳量及室溫組織的不同，以S點為界分為三類：共析鋼，含碳量0.77；亞共析鋼，含碳量0.02180.77；過共析鋼，含碳量0.772.11。白口鑄鐵，含碳量為2.116.69的鐵碳合金。根據(jù)白口鑄鐵室溫組織的特點，以C點圖1-21 典型鐵碳合金在相圖中的位置為界分為三類：共晶白口鑄鐵，含碳量4.3；亞共晶白口鑄鐵，含碳量2.114.3；過共晶白口鑄鐵，含碳量4.36.69。3.典型

8、鐵碳合金的結(jié)晶過程及其組織轉(zhuǎn)變（1）共析鋼（含碳量為0.77） 圖1-21中合金為共析鋼。共析鋼在高溫時是液體狀態(tài)，當降溫至1點時，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體，l-2點間是液體和奧氏體晶體。當冷至2點時，液體全部結(jié)晶為奧氏體，2-3點區(qū)間沒有組織和成分的變化。當合金冷至3點（即S點）時，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：即生成鐵素體和滲碳體的兩相復合組織珠光體。溫度繼續(xù)下降，珠光體不再發(fā)生變化。共析鋼在室溫時的組織是珠光體，呈層片狀。（2）亞共析鋼（含碳量小于0.77） 圖1-21中合金是亞共析鋼，其含碳量為0.45，該液態(tài)合金冷卻到1點時，開始結(jié)晶出奧氏體，至2點結(jié)晶結(jié)束。23點區(qū)間為單一奧氏體。當冷卻到3

9、點時，奧氏體中開始析出鐵素體，隨著溫度下降，析出鐵素體的量增多，3-4點區(qū)間為鐵素體和奧氏體兩相。當冷卻到4點時，剩余的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。4點以下至室溫，合金組織不發(fā)生變化。亞共析鋼的室溫組織為珠光體和鐵素體，其顯微組織如圖1-22所示。（3）過共析鋼（含碳量0.772.11） 圖1-21中合金是含碳1.2的過共析鋼。當液態(tài)合金冷到1點時，開始結(jié)晶出奧氏體，到2點結(jié)晶結(jié)束，2-3點之間是單一的奧氏體。當冷卻到3點時，奧氏體含碳量達到飽和，繼續(xù)冷卻，過剩的碳便以二次滲碳體(Fe3C)形式析出。析出的二次滲碳體一般沿奧氏體晶界分布，呈網(wǎng)狀。在3-4點區(qū)間，合金的組織是奧氏體和二次滲

10、碳體。到達4點時，奧氏體就發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，變成為珠光體。4點以下直至室溫，合金組織不再發(fā)生轉(zhuǎn)變。過共析鋼的室溫組織是珠光體和二次滲碳體（顯微組織如圖1-23），隨著含碳量的增加，二次滲碳體的數(shù)量也愈多。 圖1-22 亞共析鋼的顯微組織500 圖1-23 過共析鋼的顯微組織（4）共晶白口鑄鐵(含碳量為4.3) 圖1-21中的合金是共晶白口鑄鐵。在高溫時處于液態(tài)，冷至l點時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：即液態(tài)合金中同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體，生成高溫萊氏體。L-2點間，萊氏體中的奧氏體要析出二次滲碳體，溫度冷至2點時，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。繼續(xù)冷卻，組織不發(fā)生變化。共晶白口鑄鐵的室溫組織是珠光體二次滲碳體

11、共晶滲碳體，即為萊氏體，顯微組織如圖1-24。 圖1-24 共晶白口鑄鐵的顯微組織圖1-25 亞共晶白口鑄鐵的顯微組織圖1-26 過共晶白口鑄鐵的顯微組織亞共晶白口鑄鐵(含碳量在2.114.3) 和過共晶白口鑄鐵(含碳量4.36.69)的結(jié)晶過程，從共晶轉(zhuǎn)變開始到室溫，基本上和共晶白口鑄鐵相類似。所不同的是從液相線（AC、CD ）到共晶轉(zhuǎn)變線（ECF）之間，亞共晶白口鑄鐵先從金屬液中結(jié)晶出奧氏體，過共晶白口鑄鐵先從金屬液中結(jié)晶出一次滲碳體。亞共晶白口鑄鐵在室溫時的組織為珠光體二次滲碳體低溫萊氏體，顯微組織如圖1-25。過共晶白口鑄鐵的室溫組織為一次滲碳體低溫萊氏體，顯微組織如圖1-26。四、任

12、務實施根據(jù)鐵碳合金相圖分析可知：45鋼（wc=0.45%）結(jié)晶后得到單相奧氏體，隨著溫度降低，鐵發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，奧氏體一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，此時鋼組織為A+F，溫度繼續(xù)下降到727時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，此時組織為P+F，一直到室溫組織不再變化。五、能力訓練分析T8鋼的室溫組織及性能T8為含碳量wc=0.8%的鐵碳合金，根據(jù)鐵碳合金相圖分析可知其室溫組織為P+ Fe3C。因為滲碳體組織硬而脆，所以T8鋼硬度高，有一定塑韌性，故經(jīng)常制作手工刃具。六、經(jīng)驗交流鐵碳合金相圖的應用在常壓下，相圖是材料狀態(tài)與成分、溫度之間關(guān)系的圖解。所以，相圖反映了不同材料結(jié)晶的特點；相圖還可以看作一定溫度

13、下材料的成分與其組織之間的關(guān)系，而材料的組織及其相對含量又與材料的性能密切相關(guān)。因此，相圖與材料的成分、材料性能之間存在一定的聯(lián)系。對于金屬材料，相圖是研究合金的重要工具，利用它可以大致判斷合金的組織、力學性能、熱處理工藝性、鑄造性能及其他性能等，為材料的選用及工藝制定提供依據(jù)。1.在選材方面的應用鐵碳合金在室溫的組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成。隨著含碳量的增加，鐵素體的量逐漸減少，滲碳體的量則有所增加，合金的組織按下列順序發(fā)生變化：由此可知：含碳量越高，鋼中的硬脆相越多，鋼的強度和硬度越高，而塑性和韌性越低。但含碳量超過0.9時，由于網(wǎng)狀滲碳體的出現(xiàn)，使鋼的強度明顯降低，當含碳量達1.3%

14、1.4%時，已不能保證工程使用。根據(jù)鐵碳合金的組織隨成分變化的規(guī)律，可以大致判斷出合金的力學性能，從而合理的選材。例如，要求塑韌性好的各種型材和建筑結(jié)構(gòu)，應選用碳含量小于0.25%的鋼制作；對于工作中承受沖擊載荷，以及要求較高強度、塑韌性的機器零件，應選用含碳量為0.25%0.55%的鋼；對于要求耐磨性好、硬度高的各種工模具，應選用碳含量大于0.55%的鋼；對于形狀復雜、不受沖擊、要求耐磨的鑄件應選用白口鑄鐵。2.在鑄造方面的應用合金的鑄造性能主要表現(xiàn)為液態(tài)合金的流動性、縮孔、熱裂傾向等性能，它主要取決于相圖上液相線與固相線之間垂直距離，即結(jié)晶的溫度間隔。相圖上的溫度間隔越大，合金的流動性越差

15、，分散縮孔也多，凝固后的枝晶偏析也越嚴重，因此合金的鑄造性差。對于共晶成分合金的熔點低，且凝固在恒溫下進行，流動性最好，分散縮孔少，熱裂傾向也小，所以，鑄造合金一般選用接近共晶成分的合金。同時，按鐵碳合金相圖可確定合適的澆注溫度，一般在液相線以上50100。3.在熱處理方面的應用相圖是制定熱處理工藝的重要依據(jù)。由相圖可知，鐵碳合金在固態(tài)加熱或冷卻過程中均有相的變化，故鋼和鑄鐵可以進行退火、正火、淬火和回火等熱處理。另外，碳和其他合金元素可以溶解于奧氏體中，溶解度隨溫度升高而增加，這就是鋼可以進行滲碳處理和其它化學熱處理的原因。這方面的應用將在第二章中詳細介紹。4.在鍛造方面的應用室溫時碳鋼是由

16、滲碳體和鐵素體組成的雙相組織，塑性差，變形困難，只有將其加熱到單相奧氏體狀態(tài)，才具有較好的塑性，易于塑性變形。溫度愈高，塑性愈好，愈易產(chǎn)生塑性變形。因此，鋼材在進行鍛造和軋制時，要將坯料加熱到單相奧氏體溫度。一般始鍛溫度控制在固相線以下100200范圍內(nèi)；終鍛溫度，對于亞共析鋼應控制在稍高于GS線以上；對于過共析鋼應控制在稍高于PSK線以上。問題討論1.什么是強度？什么是塑性？衡量這兩種性能的指標有哪些？各用什么符號表示?2.什么是硬度，HBS、HBW、HRC各代表用什么方法測出的硬度?各種硬度測試方法的特點有何不同？3.簡述各力學性能指標是在什么載荷作用下測試的？4.試對晶體、晶格、晶胞、單晶體和多晶體作簡單解釋。5.常見金屬晶格類型有哪幾種?試繪圖說明。6.晶體的各向異性是如何產(chǎn)生的？為何實際晶體一般都顯示不出各向異性？7.實際金屬晶體中存在哪些晶體缺陷？對性能有何影響？8.什么是過冷度？過冷度和冷卻速度有何關(guān)系？9.晶粒大小對力學性能有何影響，控制晶粒大小的途徑有哪些？10.什么是固溶體、金屬化合物和多相復合組織？它們在晶體結(jié)構(gòu)上有什么特點?11.解釋下列概念，并說明其性能和顯微組織特征：鐵素體，奧氏體，滲碳體，珠光體，萊氏體。12.根相圖，確定下列三種鋼在給定溫度時的組織。