3工程材料及機械制造基礎ppt

1、三、鐵碳合金 1、合金的晶體結(jié)構(gòu) 合金是工業(yè)上廣泛應用的金屬材料，如鋼鐵就是由Fe和C組成的合金。組成合金的元素叫組元，在Fe-C合金中，F(xiàn)e和C就是組元。合金的穩(wěn)定化合物（如Fe3C）也可以作為組元。 在金屬和合金的晶體組織中，凡化學成分、晶格結(jié)構(gòu)和物理性能相同，并與其他部分有界面分開的均勻組成部分叫相。 純金屬：固態(tài)時是一個相固相；液態(tài)時也是一個相液相；在熔化過程中，是固相和液相的兩相混合物。 在合金中，能找到幾種成分和結(jié)構(gòu)都相同的均勻部分，該合金就有幾個相組成。 液態(tài)下，大多數(shù)合金組元能互相溶解，成為一個均勻的液相。如果這種相互溶解的狀態(tài)在凝固后能保留下來，則可形成固溶體相。如果合金凝固

2、時組元之間相互反應，則形成具有金屬性質(zhì)的金屬化合物。固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)主要是固溶體、金屬化合物。 在不同條件下，同一組成物的相結(jié)構(gòu)其形狀、大小、和分布可發(fā)生變化，按顯微鏡下各相的形態(tài)特征，又可以分成不同的組織。固態(tài)合金的組織主要有固溶體、金屬化合物以及固溶體和金屬化合物組成的混合物組織。 固態(tài)合金的組織隨成分、溫度和冷卻速度而變化。 2、鐵碳合金的基本組織 在鐵碳合金中，碳常以三種形式存在：（1）石墨形態(tài)獨立存在 （2）固溶體（碳溶解于鐵的晶格中） （3）金屬化合物（碳和鐵形成化合物） 固溶體（1）固溶體 合金在固態(tài)下溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格而保持溶劑晶格類型的金屬晶體。 糖溶入水得到糖的水溶液 糖

3、水。水是溶劑，糖是溶質(zhì)。如糖水結(jié)成冰，則得到糖在水中的固溶體。(溶劑含量較多的元素，保持原晶格。溶質(zhì)無自身晶格，含量少)（2）固溶體是單相，它具有與溶劑金屬相同的晶格。其基本性能也同溶劑。（3）根據(jù)溶解的方式不同，固溶體可分為： 置換固溶體（下頁圖） 一部分溶劑晶格結(jié)點上的原子被溶質(zhì)原子所代替。在溶劑和溶質(zhì)原子直徑差別不大時易形成。晶格會發(fā)生畸變，塑性變形阻力增加，強度和硬度升高，這種溶質(zhì)原子使固溶體的強度和硬度升高的現(xiàn)象，叫固溶強化。提高合金機械性能的一個途徑。 間隙固溶體（下頁圖） 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格的間隙之中。在溶質(zhì)和溶劑原子直徑之比小于0.59時形成。 溶劑晶格間隙有限，溶質(zhì)溶解度不

4、大。也使晶格畸變，產(chǎn)生固溶強化。 (4) 大多數(shù)固溶體的溶解度都是有限的，其飽和溶解度都隨溫度的升降而增減。 金屬化合物 金屬化合物具有明顯的金屬性質(zhì)，如碳鋼中的Fe3C、黃銅中的CuZn等。而一般化合物沒有金屬性質(zhì)，如FeS、MnS等。 金屬化合物通常具有復雜的晶格結(jié)構(gòu)。 金屬化合物具有較高的熔點、較大的脆性和較高的硬度。合金中含金屬化合物時，將使合金的強度、硬度和耐磨性提高，而塑性降低。以金屬化合物作為強化相強化金屬的方法稱為第二相強化。鐵碳合金的基本組織 基本組織有以下四種： （1）鐵素體 F （2）奧氏體 A （3）滲碳體 Fe3C （4）珠光體 P （5）萊氏體 Le（1）鐵素體 F

5、 碳溶解于Fe中的間隙固溶體。（保持Fe的體心立方晶格） 碳原子的溶入引起晶格畸變，、HB，、ak F的溶碳能力很小，727時最大也只能固溶0.02%的碳。（室溫時，0.0008%C） F的性能接近純鐵，、HB低，、ak很好。（低碳鋼中F較多）=3050%，b =180280MPa ，HB=80 在顯微鏡下為均勻明亮的多邊形晶粒。（2）奧氏體 A 碳溶解于Fe中的間隙固溶體。 （保持Fe的面心立方晶格）A溶解碳的能力較大，在1148時可最大達2.11%的碳，隨著溫度的下降，在727為0.77%的碳。 A屬高溫組織（727以下不存在），故、HB不高，很好。（無磁性） 性能：塑性很好、硬度不高。=

6、4050%，HBS =170220。是鋼在高溫進行壓力加工所要求的組織。顯微鏡下晶粒為多邊形，晶界比F平直。（3）滲碳體 Fe3C Fe3C是鐵和碳形成的金屬化合物。 （具有復雜的晶格） Fe3C中的碳的含量為6.69%，其性能HB高，低，很差，硬而脆。、ak 0，熔點1600，硬度800HB 在鋼中與其他組織共存時，可呈片狀、網(wǎng)狀或粒狀。 Fe3C的形狀、大小、分布和數(shù)量對鋼的性能有極大的影響。 Fe3C在一定條件下可分解成鐵和石墨。（4）珠光體 P 含碳量為0.77%的A同時析出F和Fe3C的機械混合物。（共析反應）P是軟的F片和硬的Fe3C片相間的機械混合物。性能介于兩者之間：=2025

7、%，b =600800MPa，HBS=170230（5）萊氏體 Le由A和Fe3C 組成的機械混合物，只在727度以上存在。在727度以下是P和Fe3C組成的機械混合物。機械性能與Fe3C類似，硬度很高（HB700）,塑性極差。F、A、Fe3C、P、Le組織的性能見下頁表。室溫平衡狀態(tài)下鐵碳合金組織中基本組成物的機械性能名稱符號結(jié)合類型 b (Mpa) HB (%) ak (J)鐵素體F或C在-Fe中的固溶體 230 80 50 160滲碳體Fe3CFe和C的化合物 30 8000 0珠光體PF和Fe3C的層片狀機械混合物 750的塑性和韌性最好,硬度最低;P的強度最

8、高,塑性和韌性介于F和Fe3C之間。3、鐵碳合金狀態(tài)圖及其分析 鐵碳合金狀態(tài)圖是研究鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的組織隨溫度和成分變化的圖形。 （1）鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖（實際上是FeFe3C狀態(tài)圖）（由于含碳量大于6.69%的鐵碳合金在工業(yè)上已無實用價值，因此實用的鐵碳狀態(tài)圖只研究含碳量由06.69%的部分，即FeFe3C狀態(tài)圖）。研究綱和鐵的成分、溫度和組織結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的工具。4個基本相：L、A、F、Fe3C重要特性點 P19 表1-4主要線 P19 面（區(qū)域） 重要特性點 P19 B1-4 特性點溫度含碳量 含義 A15380純鐵熔點 C11484.3%共晶點 D12276.69%Fe3

9、C熔點 E11482.11%C在A中最大溶解度 F11486.69%Fe3C成分 G9120Fe Fe轉(zhuǎn)變點 K7276.69%Fe3C成分 P7270.0218%C在F中最大溶解度 S7270.77%共析點 Q6000.006%C在F中溶解度主要線 P19 特性線 含 義 AC液相線，液態(tài)合金開始結(jié)晶出A CD液相脫溶線，液相開始脫溶出Fe3C AE固相線，A結(jié)晶終了線 GSA轉(zhuǎn)變?yōu)镕開始線，A3 GPA轉(zhuǎn)變?yōu)镕終了線 ES脫溶線，A脫溶出Fe3C，Acm線 PQ脫溶線，A脫溶出Fe3C ECF共晶轉(zhuǎn)變線，Lc-E+ Fe3C PSK共析轉(zhuǎn)變線， s- p+ Fe3C主要線二條平行線（ECF

10、、PSK）表示恒溫反應： ECF：1148 發(fā)生共晶反應 Lc - AE + Fe3C PSK: 727 發(fā)生共析反應 As - FP + Fe3CES線（Acm線）:C在A中的固溶線。 1148 ：C在A中最大溶解度2.11% 727 : C在A中最大溶解度0.77% 凡含碳量大于0.77%的Fe-C合金從1148 冷到 727 ，均從A晶界析出二次滲碳體（ Fe3C ）。PQ線： C在F中的固溶線。（727 ：0.02%,室溫：0.0008%）。 一般Fe-C合金從727 冷卻到室溫，均從F晶界析出三次滲碳體（FeC） 補充：共晶轉(zhuǎn)變 液態(tài)到固態(tài)的過程即結(jié)晶過程。 含碳量大于2.11%的鐵

11、碳合金冷卻到1148均發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 共晶轉(zhuǎn)變是在1148的恒溫下，從含碳4.3%的液態(tài)合金中同時結(jié)晶出A和Fe3C晶體的機械混合物。（即高溫萊氏體Ld，反應的產(chǎn)物是在共晶滲碳體的基體上分布著粒狀奧氏體的機械混合物） 所謂共晶是指合金在一定的條件（溫度、成份）下，由液態(tài)合金中同時結(jié)晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊構(gòu)造的共晶體組織的轉(zhuǎn)變。 共晶反應（轉(zhuǎn)變）： 共晶轉(zhuǎn)變?nèi)缤冭F的結(jié)晶一樣是在恒溫下進行的。 共析反應:含碳量為0.77%的A，冷卻到727發(fā)生共析反應。 其反應是在恒溫下進行，產(chǎn)物是片狀P。 鐵碳合金相圖上的各種合金，按含碳量和組織的不同，分為以下三類： （1）工業(yè)純鐵（C0.02%

12、） (2) 鋼（0.02-2.11%C）: 亞共析鋼（0.77%C) (3) 白口鑄鐵(2.11-6.69%): 亞共晶白口鑄鐵（4.3%)三.典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析鐵碳合金分類工業(yè)純鐵 ( ingot iron )共析鋼 ( eutectoid steel )亞共析鋼 ( hypoeutectoid steel )過共析鋼 ( hypereutectoid steel )共晶白口鐵 ( eutectoid white iron )亞共晶白口鐵( hypoeutectoid white iron )過共晶白口鐵( hypereutectoid white iron1.工業(yè)純鐵 ( Wc V

13、水V油 * 冷卻速度V的快慢與水冷、油冷有關(guān)。如同樣用水淬，小件V很大，而大件V小。 * V油要比V水好，主要是變形小，不易開裂。（故合金鋼用油淬）。 M是一種不穩(wěn)定的組織，在一定條件下經(jīng)過一定時間，它們有可能分解向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變。這將會引起工件變形甚至開裂。所以淬火后的工件要及時進行回火處理。 四、回火 將淬火鋼加熱到AC1線以下某一溫度，保溫后再冷卻。（一般在空氣中冷卻）四、回火* 調(diào)質(zhì)處理淬火高溫回火。 低溫回火得：回火馬氏體 M(=M+彌散碳化物，此時 M含量 ，但仍為片狀)中溫回火得：回火屈氏體 T(=F+Fe3C細粒)高溫回火體：回火索氏體 S(=F+Fe3C粗粒)四、回火P （F+Fe3C 片狀，小于500倍顯微鏡下可分辨片狀）S（ F+Fe3C 細片狀，500-1500倍顯微鏡下可分辨細片狀）T（ F+Fe3C 極細片狀，5000倍以上電子顯微鏡下可分辨極細片狀）五、鋼的表面熱處理 只改變零件表面組織和性能，而不改變表層 化學成份。表面淬火。 同時改變表層的化學成份和組織。滲碳、滲 氮、碳氮共滲等。問：某廠用T10A鋼制造冷作模具，經(jīng)淬火及低溫回火使用；用45鋼制造齒輪，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。若它們兩種材料搞混了，經(jīng)熱處理后會怎樣？問：亞共析鋼的淬火溫度為Ac3以上3050 ，若淬火溫度過高或過低有什么不好