機(jī)械制造基礎(chǔ)課題二-鋼的熱處理

課題一鋼的熱處理熟悉鋼的熱處理工藝知識(shí)掌握金屬中常見(jiàn)的晶格類(lèi)型和金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)掌握鋼在熱處理時(shí)的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律學(xué)習(xí)目標(biāo)金屬的組織結(jié)構(gòu)決定其性能不同金屬材料具有不同性能——不同材料的化學(xué)成分與組織結(jié)構(gòu)不同相同材料熱加工或熱處理工藝不同性能也不同相關(guān)知識(shí)加熱保溫冷卻內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)改變性能改變機(jī)械設(shè)備中重要的零件及各類(lèi)工具幾乎都需要經(jīng)過(guò)熱處理才能正常使用學(xué)習(xí)情境一金屬的晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)原子排列晶體

非晶體原子呈周期性規(guī)那么排列，具有固定的熔點(diǎn)和各向異性的特征原子排列無(wú)規(guī)那么，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，具有各向同性的特征晶體的特點(diǎn)是：①原子在三維空間呈有規(guī)那么的周期性重復(fù)排列。②具有一定的熔點(diǎn)，如鐵的熔點(diǎn)為1538℃，銅的熔點(diǎn)為1083℃。③晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性。非晶體的特點(diǎn)是：①原子在三維空間呈不規(guī)那么的排列。②沒(méi)有固定熔點(diǎn)，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變?yōu)橛忻黠@流動(dòng)性的液體。如塑料、玻璃、瀝青等。③各個(gè)方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。一、常見(jiàn)的晶格類(lèi)型晶體由原子規(guī)那么排列組成將原子抽象為點(diǎn)，用線(xiàn)連接構(gòu)成晶格組成晶格的最小幾何單元稱(chēng)為晶胞1、體心立方晶格每個(gè)晶胞原子數(shù)n=8×1/8+1=2(個(gè))屬于體心立方晶格類(lèi)型的金屬有α-Fe〔912℃以下的鈍鐵〕、鉻、鉬、鎢、釩等2、面心立方晶格每個(gè)晶胞中的原子數(shù)為n=8×1/8+6×1/2=4(個(gè))屬于面心立方晶格類(lèi)型的金屬有γ-Fe〔1394－912℃的鈍鐵〕、鋁、銅、銀、鎳、鉛等。3、密排六方晶格密排六方晶胞中的原子數(shù)n=12×1/6+2×1/2＋3=6(個(gè))屬于面心立方晶格類(lèi)型的金屬有鎂、鋅、鈹、鎘等二、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)單晶體

多晶體單晶體即原子排列得非常整齊，晶格位向完全一致，且無(wú)任何缺陷存在，具有各向異性的特征多晶體即由許多位向不同的晶體組成，且其內(nèi)部還存在著多種晶體缺陷晶粒：外形不規(guī)那么的微小單晶體晶界：各晶粒之間的界面晶粒內(nèi)部晶格位向根本上是一致的，但各個(gè)晶粒彼此之間的位向卻不同三、金屬的晶體缺陷面缺陷點(diǎn)缺陷線(xiàn)缺陷定義：晶體內(nèi)部原子排列受到干擾〔熱運(yùn)動(dòng)、雜質(zhì)〕而出現(xiàn)不規(guī)那么的區(qū)域1、點(diǎn)缺陷起因：某些原子，某種原因〔熱振動(dòng)、偶然偏差〕，脫離本應(yīng)該在的位置常見(jiàn)的：晶格空位和間隙原子影響：晶格空位和間隙原子導(dǎo)致晶格畸變改變晶體的各項(xiàng)性能置換原子：原有的原子被其它原子替換2、線(xiàn)缺陷定義：晶體的某一平面上沿著某一方向伸展的呈線(xiàn)狀分布的缺陷與點(diǎn)缺陷的區(qū)別：不是某幾個(gè)原子的錯(cuò)位，而是某一列或假設(shè)干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象常見(jiàn)類(lèi)型：刃型位錯(cuò)、螺旋位錯(cuò)極大的影響金屬的力學(xué)性能3、面缺陷一個(gè)晶粒過(guò)渡到另一個(gè)晶粒時(shí)，晶界處出現(xiàn)的一個(gè)原子排列不規(guī)那么的過(guò)渡層實(shí)際金屬的晶粒又由許多小晶塊構(gòu)成，小晶塊稱(chēng)為亞晶粒，亞晶粒的交界面稱(chēng)為亞晶界定義：主要由晶界和亞晶界引起，呈界面狀分布的缺陷晶界、亞晶界處的原子有更強(qiáng)的活動(dòng)能力，易被腐蝕，加熱時(shí)首先熔化，有著較高的強(qiáng)度和硬度四、金屬的結(jié)晶液態(tài)固態(tài)原子不規(guī)則排列規(guī)則排列非晶體狀態(tài)晶體狀態(tài)明確：工業(yè)使用最多的是合金而不是純金屬金屬的晶體結(jié)構(gòu)在結(jié)晶過(guò)程中逐步形成1、純金屬的結(jié)晶前提：純金屬有固定的熔點(diǎn)，說(shuō)明什么？隨著時(shí)間增加，液態(tài)金屬溫度逐漸降低，但在某個(gè)溫度下時(shí)間增加溫度卻不降低，這個(gè)時(shí)候金屬開(kāi)始結(jié)晶，由于結(jié)晶所釋放的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了散失在空氣中的熱量，所以溫度不變，這個(gè)溫度即為金屬的結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度：無(wú)限緩慢的冷卻條件即平衡條件下的結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度：實(shí)際結(jié)晶過(guò)程中，冷卻速度都較快，實(shí)際結(jié)晶溫度小于理論溫度，過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷度：過(guò)冷度恒定嗎，與什么有關(guān)？2、純金屬的結(jié)晶過(guò)程純金屬的結(jié)晶過(guò)程形核（晶核）自發(fā)形核非自發(fā)形核（主導(dǎo)優(yōu)先）長(zhǎng)大平面長(zhǎng)大樹(shù)枝狀長(zhǎng)大自發(fā)形核

非自發(fā)形核

自發(fā)生核和非自發(fā)生核在金屬結(jié)晶過(guò)程中是同時(shí)存在的，在實(shí)際金屬和合金中，非自發(fā)生核比自發(fā)生核更重要，往往起優(yōu)先的、主導(dǎo)的作用。結(jié)晶時(shí)，晶核生成以后，隨即是晶核的長(zhǎng)大。晶核的長(zhǎng)大實(shí)質(zhì)上就是原子由液體向固體外表的轉(zhuǎn)移。3、金屬結(jié)晶后的晶粒大小晶粒越小金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌度、越好獲得細(xì)晶粒組織的方式：增大過(guò)冷度、變質(zhì)處理、附加振動(dòng)、降低澆注速度表示方式：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的晶粒數(shù)目、單位截面上的晶粒數(shù)目、晶粒的平均直徑〔1〕增大過(guò)冷度(理論根底或原理)晶粒的大小決定于生核速率N和長(zhǎng)大速度G,而生核速率N和長(zhǎng)大速度G又取決于過(guò)冷度，所以晶粒大小可通過(guò)調(diào)整過(guò)冷度來(lái)控制。增大過(guò)冷度的主要方法是提高液體金屬的冷卻速度。(工藝實(shí)現(xiàn))在鑄造生產(chǎn)中，為了提高鑄件的冷卻速度，可以用金屬型代替砂型；增大金屬型的厚度；降低金屬型的預(yù)熱溫度；減少涂料層的厚度，等等。

〔2〕變質(zhì)處理金屬的體積較大時(shí)，獲得大的過(guò)冷度是困難的。對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，常常還不允許過(guò)多地提高冷卻速度。生產(chǎn)上為了得到細(xì)晶粒鑄件，多采用所謂變質(zhì)處理。(理論根底或原理及工藝實(shí)現(xiàn))變質(zhì)處理就是在液體金屬中加人孕育劑或變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善組織。變質(zhì)劑的作用在于增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長(zhǎng)大〔增加形核率、降低長(zhǎng)大速率〕。有一類(lèi)物質(zhì)，它們或它們生成的化合物，符合于做非自發(fā)晶核的條件，當(dāng)其作為變質(zhì)劑加人液體金屬中時(shí)，可以大大增加晶核的數(shù)目。例如：在鋁合金液體中加人鈦、鎬、鉛；鋼水中加人鈦、釩、鋁等，都可使晶粒細(xì)化;在鐵水中加人硅鐵、硅鈣合金時(shí)，能使組織中的石墨變細(xì)。還有一類(lèi)物質(zhì)，雖不能提供結(jié)晶核心，但能阻止晶粒的長(zhǎng)大。例如：在鋁硅合金中加人鈉鹽，鈉能富集在硅的外表，降低硅的長(zhǎng)大速度，阻礙粗大的硅晶體的形成，使合金的組織細(xì)化?！?〕附加振動(dòng)在金屬結(jié)晶的過(guò)程中采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)等方法，可以破碎正在生長(zhǎng)中的樹(shù)枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒?！?〕降低澆注速度在慢速澆注時(shí)，液態(tài)金屬不是在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行結(jié)晶，先形成的晶?？赡鼙涣鲃?dòng)的金屬液沖擊碎化而成為新的晶核，增加了形核率N。晶核越多，晶粒越小。從而細(xì)化晶粒?！?〕電磁攪拌將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變電磁場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會(huì)翻滾起來(lái)，沖斷正在結(jié)晶的樹(shù)枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而可細(xì)化晶粒。就是電磁振動(dòng)。五、合金的結(jié)晶1、合金的根本概念1、合金

合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。2、組元組成合金的最根本的獨(dú)立單元稱(chēng)為組元，可以是金屬也可以是非金屬。3、合金系給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構(gòu)成一個(gè)合金系4、相

相是指在金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分。5、組織組織泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。組元個(gè)數(shù)命名

二元合金組元命名鐵碳合金2、合金的相結(jié)構(gòu)根據(jù)構(gòu)成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為固溶體和金屬化合物兩大類(lèi)。1、固溶體機(jī)械混合物是合金中的一類(lèi)復(fù)相混合物組織，不同的相均可互相組合形成機(jī)械混合物。2、金屬化合物金屬化合物是合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相，其晶體類(lèi)型和特征完全不同于原來(lái)任何一個(gè)組元〔有新物質(zhì)生成〕3、機(jī)械混合物固溶體是指組成合金的組元在液態(tài)和固態(tài)下均能相互溶解，形成均勻一致的且晶體結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固態(tài)合金溶質(zhì)：其他組元溶劑：晶格類(lèi)型與固溶體相同的組元3、合金相圖的建立相圖：表示合金系在平衡條件下，合金的狀態(tài)與成分、溫度之間相互關(guān)系的圖形。所謂平衡，也稱(chēng)為相平衡。是指合金在相變過(guò)程中，原子能充分?jǐn)U散，各相的成分相對(duì)質(zhì)量保持穩(wěn)定，不隨時(shí)間改變的狀態(tài)。在實(shí)際的加熱或冷卻過(guò)程中，控制十分緩慢的加熱或冷卻速度，就可以認(rèn)為是接近了相平衡條件。利用相圖可以表示不同成分的合金、在不同溫度下，由哪些相組成、相的成分和相的相對(duì)量如何，以及合金在加熱或冷卻過(guò)程中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變等目前使用的相圖幾乎都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。實(shí)驗(yàn)的方法很多，有熱分析法、膨脹法、X射線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析法等測(cè)定二元合金相圖的步驟：以銅鎳合金為例:〔1〕配制幾組成分不同的Cu-Ni合金；〔2〕分別將它們?nèi)刍缓髽O緩慢冷卻，同時(shí)測(cè)定其從液態(tài)到室溫的冷卻曲線(xiàn)；〔3〕找出各冷卻曲線(xiàn)上開(kāi)始結(jié)晶的溫度點(diǎn)T-Ni、l、2、3、4、T-Cu及結(jié)晶終了的溫度點(diǎn)〔稱(chēng)為臨界點(diǎn)〕TNi、1’、2’、--3’、4’、TCu；〔4〕將各臨界點(diǎn)標(biāo)在以溫度為縱坐標(biāo)，以成分為橫坐標(biāo)軸的圖形中相應(yīng)合金的成分垂線(xiàn)上，并將意義相同的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，即得到Cu-Ni合金相圖。4、二元合金的結(jié)晶過(guò)程共同點(diǎn)：合金的結(jié)晶過(guò)程也是在過(guò)冷條件下通過(guò)形成晶核和晶核長(zhǎng)大來(lái)完成的同一合金系成分不同，其組織也不同。同一成分的合金，其組織也會(huì)隨溫度的不同而發(fā)生變化純金屬的結(jié)晶過(guò)程在恒溫下進(jìn)行，而合金的結(jié)晶卻不一定在恒溫下進(jìn)行純金屬在結(jié)晶過(guò)程中只存在一個(gè)液相和固相，而合金在結(jié)晶過(guò)程中，不同的溫度范圍內(nèi)存在著不同數(shù)量的相且各相的成分有時(shí)也會(huì)變化不同點(diǎn)包晶相圖勻晶相圖共晶相圖二元合金相圖的根本類(lèi)型共析相圖勻晶相圖組成二元合金的兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶的合金系所形成的相圖稱(chēng)二元?jiǎng)蚓鄨D例如，Cu-Ni、Ag-Au、Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Mo、Mo-W合金的相圖都屬于這類(lèi)相圖。下面以Cu-Ni合金相圖為例分析這類(lèi)相圖的圖形及結(jié)晶過(guò)程特點(diǎn)Cu-Ni勻晶相圖如以下圖。勻晶相圖的圖形較簡(jiǎn)單，只有兩條曲線(xiàn)，即液相線(xiàn)ALB和固相線(xiàn)AαB,tA點(diǎn)為Cu的熔點(diǎn)(1083℃)、tB點(diǎn)為Ni的熔點(diǎn)(1455℃)兩條線(xiàn)將相圖分隔成三個(gè)相區(qū)，液相線(xiàn)以上是液相區(qū)〔L〕，在液相區(qū)內(nèi)各種成分的合金均為液態(tài)；固相線(xiàn)以下是單相α固溶體區(qū)(α)，在此區(qū)域內(nèi)各種成分的合金呈單相α固溶體狀態(tài)；液、固兩線(xiàn)之間是L，α兩相并存區(qū)(L十α)，在此區(qū)域內(nèi)各種成分的合金正在進(jìn)行結(jié)晶，由液相中結(jié)晶出α固溶體。L是銅與鎳兩組元形成的均勻的液相，α那么是銅與鎳在固態(tài)下互溶形成的固溶體（1455℃）（1455℃）形成勻晶相圖的合金，結(jié)晶時(shí)都是從液相中結(jié)晶出單相固溶體，其轉(zhuǎn)變可用L<═>α表示，由圖可知，合金Ⅰ自液態(tài)緩冷至1點(diǎn)溫度時(shí)，開(kāi)始從L相中結(jié)晶出α相。隨著溫度下降，α相不斷增多，L相不斷減少，與此同時(shí)兩相的成分也通過(guò)原子擴(kuò)散不斷改變，L相成分沿液相線(xiàn)變化，α相成分那么沿固相線(xiàn)變化。如以下圖，t1溫度時(shí)L相成分為l1,α相的成分為α1，t2溫度時(shí)L、α相的成分為l2、α2…。當(dāng)溫度降至固相線(xiàn)溫度時(shí)，結(jié)晶過(guò)程結(jié)束，可得到與原合金成分完全相同的單相α固溶體組織（1455℃）枝晶偏析起因：實(shí)際冷卻過(guò)程不可能極其緩慢、原子能無(wú)法充分?jǐn)U散，固相成分不能沿固相線(xiàn)均勻變化。結(jié)果：先結(jié)晶的固溶體內(nèi)含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶的固溶體內(nèi)含低熔點(diǎn)組元較多。導(dǎo)致一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻，嚴(yán)重影響合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性。消除：加熱至固相線(xiàn)以下100~200℃，保溫較長(zhǎng)時(shí)間后緩慢冷卻。共晶相圖組成合金的兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，固態(tài)時(shí)有限互溶，結(jié)晶時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出兩種成分不同的固相的合金系所形成的二元合金相圖稱(chēng)為共晶相圖。例如，Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si合金相圖均屬于這類(lèi)相圖下面以Pb-Sn合金相圖為例分析其圖形及結(jié)晶過(guò)程特點(diǎn)。Pb-Sn相圖如以下圖:tA為Pb的熔點(diǎn)，tB為Sn的熔點(diǎn)，E點(diǎn)為共晶點(diǎn)。液相線(xiàn)AEB以上為液相區(qū)，固相線(xiàn)FMENG以下為α、β固相區(qū)。MEN線(xiàn)為三相平衡線(xiàn)，又稱(chēng)為共晶線(xiàn)。MF為Sn在Pb中的溶解度曲線(xiàn)，NG為Pb在Sn中的溶解度曲線(xiàn)，這兩條曲線(xiàn)也稱(chēng)為固溶線(xiàn)。Pb-Sn合金系有三個(gè)根本相，L是Pb與Sn兩組元形成的均勻的液相，α是Sn溶于Pb的固溶體，β是Pb溶于Sn的固溶體相圖中有三個(gè)單相區(qū)，即L、α、β相區(qū)。在這些單相區(qū)之間，相應(yīng)的有三個(gè)兩相區(qū)，即L+α、L+β、α+β相區(qū)。在三個(gè)兩相區(qū)之間有一根水平線(xiàn)MEN，是L+α+β三相并存區(qū)成分位于〔E〕點(diǎn)的合金稱(chēng)為共晶合金，在溫度到達(dá)水平線(xiàn)MEN所對(duì)應(yīng)的溫度〔tE=183℃〕時(shí)，將同時(shí)結(jié)晶出成分為M點(diǎn)的α相及成分為N點(diǎn)的β相。其轉(zhuǎn)變式為：這種在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出一定成分的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程，稱(chēng)為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反響。共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物〔αM+βN〕是由兩個(gè)固相組成的機(jī)械混合物，稱(chēng)為共晶組織。成分在ME之間的合金稱(chēng)為亞共晶合金，NE之間的合金稱(chēng)為過(guò)共晶合金?！?〕固溶體合金〔合金Ⅰ〕成分位于M點(diǎn)以左〔即wSn≤19%〕或N點(diǎn)以右〔即wSn≥97.5%〕的合金稱(chēng)為固溶體合金合金Ⅰ的冷卻曲線(xiàn)和結(jié)晶過(guò)程如以下圖液態(tài)合金緩冷至溫度1，開(kāi)始從L相中結(jié)果出α固溶體。隨溫度的降低，液相的數(shù)量不斷減少，α固溶體的數(shù)量不斷增加，至溫度2合金全部結(jié)晶成α固溶體。溫度2~3范圍內(nèi)合金無(wú)任何轉(zhuǎn)變，這是勻晶轉(zhuǎn)變過(guò)程。冷卻至溫度3時(shí)，Sn在α中的溶解度減小，從α中析出β是二次相〔βⅡ〕。Α成分沿固溶線(xiàn)MF變化，這一過(guò)程一直進(jìn)行至室溫，所以合金Ⅰ室溫平衡組織為〔α+βⅠ〕。〔2〕共晶合金〔合金Ⅲ〕成分為wSn=61.9%的合金Ⅲ即為共晶合金，其冷卻曲線(xiàn)和結(jié)晶過(guò)程如以下圖合金緩冷至溫度1〔即tE=183℃〕時(shí)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，在恒溫下進(jìn)行，所以冷卻曲線(xiàn)上相應(yīng)溫度出現(xiàn)一水平線(xiàn)段共晶轉(zhuǎn)變完成后合金全部成為共晶組織〔αM+βN〕。繼續(xù)冷卻，隨著溫度下降α、β相的成分將分別沿固溶度曲線(xiàn)MF、NG變化，α將析出βⅡ，β相那么析出αⅡ。由于αⅡ、βⅡ與共晶組織中的α、β連接在一起且量小難以分辨。所以共晶組織的二次析出一般可忽略不計(jì)。所以共晶合金的室溫平衡組織為共晶組織〔α+β〕。其組織組成物只有1個(gè)，即共晶體，相組成物有兩個(gè)，即α相和β相〔3〕亞共晶合金〔合金Ⅱ〕成分位于M、E點(diǎn)之間〔即wSn=19~61.9%之間〕的合金即為亞共晶合金以wSn=32%的合金Ⅱ?yàn)槔治鰜喒簿Ш辖鸬慕Y(jié)晶過(guò)程及其組織合金Ⅱ的冷卻曲線(xiàn)及結(jié)晶過(guò)程如以下圖液態(tài)合金緩冷至溫度1時(shí)開(kāi)始從液相中結(jié)晶出初生的α固溶體隨著溫度下降α相不斷增加，溫度1~2范圍內(nèi)的結(jié)晶過(guò)程與合金Ⅰ的勻晶轉(zhuǎn)變完全相同。L相不斷減少，α的成分沿固相線(xiàn)AM變化；L的成分沿液相線(xiàn)AE變化冷至溫度2〔即tE=183℃〕時(shí)，α相為M點(diǎn)處成分，L相那么為E點(diǎn)處成分。液相tE發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成共晶組織〔α+β〕，αM固溶體保持不變。所以合金在共晶轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時(shí)，其組織為αM+〔αM+βN〕從共晶溫度繼續(xù)冷卻時(shí)，αM、βN將分別析出βⅡ、αⅡ，共晶組織的二次析出如前所述可忽略不計(jì)。所以，合金Ⅲ冷卻至室溫時(shí)其平衡組織為α+β

〔4〕過(guò)共晶合金〔合金Ⅳ〕成分位于E、N點(diǎn)之間〔即wSn=61.9~97.5%之間〕的合金為過(guò)共晶合金，其結(jié)晶過(guò)程與亞共晶合金相似，不同的是初生相是β固溶體，二次相是αⅡ。所以，合金Ⅳ的室溫平衡組織為β+αⅡ+〔α+β〕，其組織組成物有三，即β、αⅡ、〔α+β〕；相組成物仍為兩種，即α相β相六、鐵碳合金定義：以鐵和碳為根本組元組成的合金，是鋼和鑄鐵的總稱(chēng)鐵碳合金相圖就是以純鐵〔Fe〕為一組元，滲碳體〔Fe3C〕為另一組元組成的1、鐵碳合金相圖2、鐵碳合金中的組元和相770純鐵的熔點(diǎn)為1538℃，溫度變化時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：在固態(tài)下晶格結(jié)構(gòu)隨溫度變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象鐵素體：碳溶于α-Fe或γδ-Fe中形成的固溶體，用F表示，碳在鐵素體中的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%奧氏體：碳溶于γ-Fe中形成的固溶體，用A表示，碳在奧氏體中的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%滲碳體〔Fe3C〕：化合物，具有復(fù)雜的斜方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，硬度高，在鋼和鑄鐵內(nèi)呈片狀、球狀、網(wǎng)狀和板裝，是碳鋼中的主要強(qiáng)化相。滲碳體的量和形狀、分布對(duì)鋼的性能影響較大。珠光體〔P〕：F與Fe3C組成的機(jī)械混合物。力學(xué)性能介于兩者之間。萊氏體〔Ld〕：A與Fe3C組成的機(jī)械混合物。硬度高，塑性差。3、鐵碳合金相圖主要點(diǎn)、線(xiàn)、區(qū)的分析特性點(diǎn)溫度/℃ωc（%）含義A15380熔點(diǎn)：純鐵的熔點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)：發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)D12276.69熔點(diǎn)：滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)F11486.69Fe3C的成分G9120α-Fe、γ-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)K7276.69Fe3C的成分S7270.77共析點(diǎn)：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A0.77%—→p(F0.0218%+Fe3C共析)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度點(diǎn)Q600≈0.0057600℃時(shí)碳在α-Fe中的溶解度ACD：液相線(xiàn)，液相線(xiàn)以上所有鐵碳合金都處于液相。液相冷卻至此開(kāi)始析出固相〔結(jié)晶〕，在AC線(xiàn)以下從液相中結(jié)晶出奧氏體；在CD線(xiàn)以下從液相中結(jié)晶出滲碳體，稱(chēng)為一次滲碳體Fe3CIAECF：固相線(xiàn)，液態(tài)合金至此線(xiàn)全部結(jié)晶為固相，固相加熱至此開(kāi)始轉(zhuǎn)化。ECF水平線(xiàn)為共晶線(xiàn)，具有共晶成分〔ωc＞2.11%即2.11%--6.69%〕的液相在共晶溫度1148℃時(shí)要同時(shí)結(jié)晶出奧氏體與滲碳體的共晶體，稱(chēng)為萊氏體LdPSK水平線(xiàn)為共析線(xiàn)，通常稱(chēng)為A1線(xiàn)。含C量在0.0218%--6.69%的鐵碳合金至此反生共析反響，同時(shí)析出鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物，稱(chēng)為珠光體P。ES線(xiàn)為碳〔C〕在奧氏體〔A〕中的固溶線(xiàn)，通常稱(chēng)為Acm線(xiàn)。從該線(xiàn)可以看出，奧氏體的最大溶碳量為1148℃時(shí)的2.11%，隨著溫度的降低，奧氏體的溶碳量逐漸減小，溫度為727℃時(shí)僅為0.77%。因此，但凡ωc＞0.77%的鐵碳合金從1148℃冷卻到727℃時(shí)就有滲碳體從奧氏體中析出，稱(chēng)為二次滲碳體析出，二次滲碳體用Fe3CII表示GS線(xiàn)為冷卻時(shí)由奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線(xiàn)，通常稱(chēng)為A3線(xiàn)PQ線(xiàn)為碳在鐵素體中的固溶線(xiàn)。由該線(xiàn)可知，鐵素體最大溶碳量為727℃時(shí)的0.0218%，而室溫僅為0.0008%，幾乎不溶碳。因此，鐵碳合金從727℃冷卻到室溫時(shí)均會(huì)從鐵素體中析出滲碳體，稱(chēng)為三次滲碳體析出Fe3CIII單相區(qū)：ACD以上為液相區(qū)L；AESG為奧氏體區(qū)A；GPQ為鐵素體區(qū)F；兩相區(qū)：AEC為L(zhǎng)+A區(qū)；CDF為L(zhǎng)+

Fe3CI

區(qū)；GSP為A+F區(qū)；4、典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程碳鋼〔ωc=0.0218%~2.11%〕根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織的不同，可將鐵碳合金分為：白口鐵〔ωc=2.11%~6.69%〕亞共析鋼〔ωc=0.0218%~0.77%〕共析鋼〔ωc=0.77%〕過(guò)共析鋼〔ωc=0.77%~2.11%〕亞共晶白口鐵〔ωc=2.11%~4.3%〕共晶白口鐵〔ωc=4.3%〕過(guò)共晶白口鐵〔ωc=4.3%~6.69%〕1〕共析鋼1點(diǎn)以上1~2點(diǎn)2~S點(diǎn)S點(diǎn)以下合金Ⅰ為共析鋼，在溫度1以上全部為液體〔液相〕，緩慢降溫時(shí)，在第1點(diǎn)與第2點(diǎn)溫度之間，從液相〔L〕中結(jié)晶出奧氏體，隨著溫度的不斷降低，液相越來(lái)越少，奧氏體越來(lái)越多，在第2點(diǎn)結(jié)晶完畢。第2點(diǎn)與S點(diǎn)溫度之間，是奧氏體的單相冷卻，奧氏體成分沒(méi)有發(fā)生變化。當(dāng)溫度降到S點(diǎn)時(shí)，奧氏體要發(fā)生共析反響：A0.77?P〔F0.0218+Fe3C〕，最終奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。共析鋼的顯微組織見(jiàn)圖。2〕亞共析鋼合金Ⅱ?yàn)閬喒参鲣?，冷卻到第1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從液相析出奧氏體，至第2點(diǎn)時(shí)，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。冷卻到第3點(diǎn)〔GS線(xiàn)〕，從奧氏體中析出鐵素體，同時(shí)奧氏體相中碳濃度發(fā)生變化。隨著溫度的降低，析出的F鐵素體量越來(lái)越多，剩余A越來(lái)越少。由于從奧氏體中析出了碳含量很低的鐵素體，使未轉(zhuǎn)變的奧氏體碳含量沿GS線(xiàn)升高。到第4點(diǎn)即727℃時(shí)，剩余奧氏體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，將發(fā)生共析反響轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。此時(shí)先析出的鐵素體不變，所以合金Ⅱ冷卻到室溫時(shí)的組織為鐵素體和珠光體。所有亞共析鋼在室溫下的組織都是鐵素體和珠光體，不同的是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，珠光體的量越多，鐵素體的量越少。1點(diǎn)以上1~2點(diǎn)2~3點(diǎn)3~4點(diǎn)4點(diǎn)以下3〕過(guò)共析鋼合金Ⅲ為過(guò)共析鋼，合金Ⅲ冷卻到3點(diǎn)以前的結(jié)晶變化過(guò)程與Ⅰ、Ⅱ相同。冷卻到第3點(diǎn)〔ES線(xiàn)〕時(shí)，開(kāi)始從奧氏體中沿晶界析出網(wǎng)狀分布的二次滲碳體〔Fe3CⅡ〕，呈網(wǎng)狀包圍奧氏體晶粒。奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿ES線(xiàn)不斷下降。冷卻到第4點(diǎn)時(shí)，剩余奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為0.77%，于是發(fā)生共析轉(zhuǎn)變；A0.77?P〔F0.0218+Fe3C〕，形成珠光體。所以合金Ⅲ冷卻到室溫時(shí)的組織為二次滲碳體和珠光體，二次滲碳體分布在珠光體晶界上。1點(diǎn)以上1~2點(diǎn)2~3點(diǎn)3~4點(diǎn)4點(diǎn)以下合金Ⅳ為共晶白口鐵。C點(diǎn)溫度以上為液相，當(dāng)緩慢冷卻到C點(diǎn)時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：L4.3?A2.11+Fe3C，形成高溫萊氏體Ld。繼續(xù)緩慢冷卻，高溫萊氏體中的奧氏體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿ES線(xiàn)減少，不斷析出二次滲碳體。在C~1點(diǎn)之間的組織為高溫萊氏體由：奧氏體、二次滲碳體、共晶滲碳體組成。當(dāng)緩慢冷卻到1點(diǎn)即727℃時(shí)，剩余的奧氏體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，會(huì)發(fā)生共析反響，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。高溫萊氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體Ld′。其組織是珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體的混合物。所以，共晶白口鐵的室溫組織為低溫萊氏體。4〕共晶白口鐵C點(diǎn)以上C點(diǎn)時(shí)C~1點(diǎn)1點(diǎn)以下合金Ⅴ為亞共晶白口鐵。1點(diǎn)溫度以上為液相，當(dāng)緩慢冷卻到1點(diǎn)時(shí)開(kāi)始從液相中結(jié)晶出“先共晶奧氏體〞。隨溫度的降低，奧氏體不斷增多，液相不斷減少，奧氏體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷沿AE線(xiàn)變化，液體的碳濃度沿AC線(xiàn)變化。到第2點(diǎn)〔1148℃〕時(shí)，奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為E點(diǎn)2.11%，液相中Wc為C點(diǎn)4.3%，發(fā)生共晶反響：L4.3?A2.11+Fe3C，形成萊氏體，而先生成的奧氏體保持不變。繼續(xù)冷卻，在2~3點(diǎn)之間隨溫度的不斷下降，先共晶奧氏體和共晶奧地利體都析出二次滲碳體，奧氏體的含碳量沿ES線(xiàn)逐漸降低。因此2~3點(diǎn)溫度區(qū)間內(nèi)的組織為奧氏體、二次滲碳體、高溫萊氏體。到第3點(diǎn)〔727℃〕時(shí)，Wc降為0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：A0.77?P〔F0.0218+Fe3C〕,生成珠光體，此時(shí)，Ld轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)d’。最后室溫組織為珠光體、二次滲碳體、低溫萊氏體5〕亞共晶白口鐵1點(diǎn)以上1~2點(diǎn)2點(diǎn)2~3點(diǎn)3點(diǎn)以下合金Ⅵ為過(guò)共晶白口鐵。1點(diǎn)溫度以上為液相，當(dāng)緩慢冷卻到1點(diǎn)時(shí)開(kāi)始從液相結(jié)晶出一次滲碳體，一次滲碳體呈粗大片狀，在合金繼續(xù)冷卻的過(guò)程中不再發(fā)生變化，液相與共晶白口鐵的轉(zhuǎn)變過(guò)程一樣。當(dāng)溫度繼續(xù)下降到2點(diǎn)時(shí)，剩余液相Wc到達(dá)4.3%，這時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫組織為一次滲碳體與低溫萊氏體。6〕過(guò)共晶白口鐵1點(diǎn)以上1~2點(diǎn)2~3點(diǎn)3點(diǎn)以下5、鐵碳合金的室溫組織和性能隨成分變化的規(guī)律在鐵碳合金中，碳主要以滲碳體的形式存在。含碳量增加，滲碳體相對(duì)量隨之增加。滲碳體類(lèi)型、形態(tài)和分布不同，從而組成了不同的組織。鐵碳合金室溫組織由F和Fe3C兩相組成，含碳量不同，組織中兩相的相對(duì)數(shù)量、分布及形態(tài)不同，所以不同成分的鐵碳合金具有不同的性能。工業(yè)純鐵中Fe3CⅢ量增加；亞共析鋼中P量增加；過(guò)共析鋼中Fe3CⅡ量增加；亞共晶白口鑄鐵中萊氏體量增加，珠光體和二次滲碳體量減少；過(guò)共晶白口鑄鐵中的Fe3CⅠ增加，萊氏體量減少。

隨含碳量的增加，引起組織的變化。室溫鐵碳合金含碳量與相和組織的關(guān)系①隨含碳量增加，鋼的強(qiáng)度和硬度增加,塑性韌性下降。當(dāng)ωc=0.9%時(shí)，由于網(wǎng)狀滲碳體的出現(xiàn)使鋼的強(qiáng)度開(kāi)始降低。②白口鐵因硬而脆難以切削加工，不能壓力加工成型，工業(yè)應(yīng)用較少。學(xué)習(xí)情境二鋼在熱處理時(shí)的