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金属工艺学第五版cp1.2

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第五版cp1 金 属工艺学 第五版cp1.2 金属工艺学第五版cp 金属工艺学第五版cp2
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第二章 铁碳合金 o什么是铁碳合金? 以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于 95%。 o学习内容 1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 2.铁碳合金的基本组织 3.铁碳合金状态图 4.工业用钢 第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 【重点内容】 1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成,长大规 律及其影响因素。 2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系 及细化晶粒的办法。 3.纯铁的晶体结构。 4.纯铁同素异晶转变。 12min35s的录像(金属的晶体结构、结晶过 程、细化晶粒的方法、同素异晶转变等结晶和固态转变的基 本理论) 一、金属的结晶 o什么是金属的结晶? 液态金属冷却凝固转变 为固态晶体的过程 o结晶的过程可用(温度—时 间的曲线)冷却曲线来表示。 o水结晶成冰的实验,可以看 出晶体结晶存在“过冷”现象。 o过冷度 o过冷度的大小与冷却速度的 关系 纯金属的冷却曲线 结晶过程 o结晶过程:形核+长大 自发形核(均质形核) u 晶核的形成 非自发形核(异质形核) u 晶核的长大:树枝状长大 晶粒大小及控制 p晶粒——每个晶核长成的晶体称为晶粒。 o晶粒大小对金属机械性能有较大的影响,在常温 下工作的金属,其强度、硬度、塑性和韧性,一般是 随晶粒细化而有所提高的。 o影响晶粒大小的因素有哪些? 形核率N (晶核数/s·cm3) 长大速度G (cm/s) o晶粒大小的控制 (1)增大过冷度 ;(2)变质处理;(3)振动 1)过冷度的影响 o冷却速度愈大, 过冷度愈大。 o实线部分,随着 ΔT的增大,形核率 和长大速度都大, 且N的增加比G增加 的快,晶粒愈细。 2)变质处理 o在液态金属结晶前,特意加入某些合金,造 成大量可以成为非自发晶核的固态质点,使结 晶时的晶核数目大大增加,从而提高了形核率 ,细化晶粒,这种处理方法即为变质处理。 (3)振动 o对正在结晶的金属施以机械振动、超声波 振动和电磁振动,均可使树枝晶尖端破碎而 增加新的核心,提高形核率,使晶粒细化。 二、 纯铁的晶体结构 o晶体中原子在空间的排列 ,可用晶格来表示。 o晶格中一个最基本的几何单元叫晶胞。 o根据对晶胞的分析,最常见的晶格类型有体心 立方晶格 、面心立方晶 格、密排六方晶格 。 纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。 §原子数1+8 ×(1/8)=2 §典型金属:-Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb §性能特点:强度很高,塑性较好 §致密度:68%(原子占有晶胞体积的百分数) 体心立方晶体结构 纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。 面心立方晶体结构 §原子数 (1/2) × 6 + (1/8) ×8=4 §典型金属:-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag §性能特点:塑性极好 §致密度:74% 三、 纯铁同素异晶转变 o液态铁缓慢冷却到熔 点左右经过第一次结晶后 ,到室温的过程中,晶格 类型将发生改变。这种随 着温度的改变,固态金属 晶格也随之改变的现象, 称为同素异晶转变。 oγ-Fe 转变为α-Fe 时 ,金属的体积将膨胀还是 收缩? 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 第二节 铁碳合金的基本组织 o基本概念:合金、组元、相、组织 o将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在 一起所形成的具有金属特性的新物质,称为合金。 o组成合金的最基本的、独立的物质称为组元, 通常是指组成该合金的元素或某些化合物,根据合 金组元数目的多少,把合金分为二元合金、三元合 金和多元合金。如:铁碳合金就是由铁和碳二组元 组成的二元合金。 o相是指在合金中,凡成分相同、晶体结构相 同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。 o在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形 貌、图象称为组织,合金又可分为不同的组织 。 o铁碳合金的基本组织可分为固溶体、金属化 合物和机械混合物三种类型。 一、固溶体 o某些合金的组元在固态时,具有一定的互相溶 解能力。 o溶质原子溶入溶剂晶格中,而仍保持溶剂晶格 类型的金属晶体,称固溶体。 在固溶体中保持其原晶体结构的组元(元素)— 溶剂,其余的组元(元素)—溶质 o根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同,固 溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。 间隙固溶体和置换固溶体 铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体 间隙固溶体:溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置。 固溶体 置换固溶体:溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子。 1、铁素体(F) Ferrous o铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。 o由于α-Fe晶粒的间隙小,溶解碳量极微,其最大 溶碳量只有0.0218%(727℃)所以是几乎不含碳的纯 铁。 o具有良好的塑性和韧性,但强度和硬度却较低。它 在770℃以下具有磁性。 性能: σb =180~230MPa HB=50~80 δ=30~50% φ=70~80% ak=156~196J·cm-2 显微镜下观察,铁素体呈大小不一的多边形颗 粒形状。 2、奥氏体(A) Austenite o奥氏体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。 oγ-Fe的溶碳能力较高,最大为2.11%(1148℃) 。 o由于γ-Fe一般存在于727~1394℃之间,所以奥 氏体也只出现在高温区域内。 o性能: δ=40~50%,具有良好的塑性和低的变 形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需 的组织。 显微镜观察,奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结 构,但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显 微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织。 “固溶强化” o通过溶入某种溶质元素形成 固溶体而使金属的强度、硬度 升高的现象称为固溶强化。 o固溶强化的产生是由于溶质 原子溶入后,引起溶剂金属的 晶格产生畸变,进而位错运动 时受到阻力增大的缘故。因此 固溶强化是材料的一种主要的 强化途径。 固溶体的性能 o当溶质元素的含量极少时,固溶体的性能 与溶剂金属基本相同。 o随溶质含量的升高,固溶体的性能将发生 明显改变。其一般情况下,强度、硬度逐渐 升高,而塑性、韧性有所下降,电阻率升高 ,导电性逐渐下降等。 二、金属化合物 o合金组元间发生相互作用而形成一种具有金 属特性的物质,称为金属化合物。 o金属化合物性能:熔点高,硬度高,脆性大 。合金中含有金属化合物后,其强度、硬度和 耐磨性有所提高,而塑性和韧性则降低。金属 化合物是许多合金的重要组成相。 o铁碳合金中的渗碳体属金属化合物。 o渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。 o含碳量为6.69%。 o性能:HBW=800,硬度很高,脆性极大,是钢中 的强化相。 o显微镜下观察,渗碳体(Fe3C)呈银白色光泽。 o渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。 渗碳体 Fe3C 三、机械混合物 o它是两种或两种以上的相按一定质量百分数 组成的物质。 o混合物各相保持其原有晶格。 o混合物的性能:取决于各组成相的性能,以 及它们分布的形态、数量及大小。 o铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体 。 1. 珠光体(P) Perlite o珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 o珠光体的平均含碳量为0.77%,在727℃以下温 度范围内存在。 o性能:σb =750MPa HB=160~180 较高 δ =20~25% φ=30~40% 适中 显微镜观察,珠光体呈层片状特征,表面具有珍珠光泽,因得名 。这是T8钢的退火组织(白色为铁素体、黑色为渗碳体)。 2. 莱氏体Ld Ledeburite o由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物。 o奥氏体在727℃时将转变为珠光体,所以在室 温下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物,称为低 温莱氏体,用符号Ld/表示。高温莱氏体仅存于 727℃以上。 o莱氏体硬度很高,脆性大,塑性很差。 这是共晶白口铸铁的铸造组织,珠光体呈椭圆状分布在渗 碳体的基体上。因其含渗碳体较多,故性能与渗碳体相近。 第三节 铁碳合金状态图 【基本要求】: 1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域 的含义。 2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变;能 利用状态图对典型合金的结晶过程进行分析。 3. 掌握碳钢的牌号及用途; 什么是铁碳合金相图? o铁碳合金状态图是研究在平衡条件下,铁碳 合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规 律,这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它以温 度为纵坐标、合金成分( Fe3C或含碳量)为横 坐标的图形。它是说明合金成分、温度和组织 三者关系的图形。 简化图 1538 Q Fe-Fe3C状态图 wC/%→ 温度/℃→ L A L+A L+Fe3CІ F+A F PF+P Ld’ Ld Ld’+Fe3CІ Ld+Fe3CІ Ld’+Fe3CⅡ+P Fe3CⅡ+P Fe3CⅡ+A Ld+Fe3CⅡ+A 912 1227 0.772.11 4.3 6.69 727 1148 A PS EC D F K G 0 Fe3CFe 一、铁碳合金状态图的建立 o合金状态图是通过一系列实验测出不同成分 的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组 织转变,然后在成分与温度坐标图中标出临界 点温度(结晶开始和结晶结束的温度),并把 物理意义相同的点连成曲线,这样构成的完整 图形便是铁碳合金状态图。 二 、铁碳合金状态图的分析 1. 组元和相 (1)组元: 铁-石墨相图:Fe,C; 铁-渗碳体相图: Fe,Fe3C。 (2)相: L,A(γ),F(α),Fe3C(K)。 1538 Q Fe-Fe3C状态图 wC/%→ 温度/℃→ L A L+A L+Fe3CІ F+A F P F+P Ld’ Ld Ld’+Fe3CІ Ld+Fe3CІ Ld’+Fe3CⅡ+P Fe3CⅡ+P Fe3CⅡ+A Ld+Fe3CⅡ+A 912 1227 0.772.11 4.3 6.69 727 1148 A PS EC D F K G 0 Fe3CFe 2.特性点: 1538 Q Fe-Fe3C状态图 wC/%→ 温度/℃→ L A L+A L+Fe3CІ F+A F P F+P Ld’ Ld Ld’+Fe3CІ Ld+Fe3CІ Ld’+Fe3CⅡ+P Fe3CⅡ+P Fe3CⅡ+A Ld+Fe3CⅡ+A 912 1227 0.772.11 4.3 6.69 727 1148 A PS EC D F K G 0 Fe3C Fe 3.特性线: ① ACD线—液相线 ② AECF线—固相 线 ③ ECF线—共晶反 应线 ④ GS线(A3)—铁 素体从A中析出开始线 ⑤ ES线—碳在奥氏 体中的溶解度曲线 ⑥ PSK线—共析反 应线 ⑦ PQ线—C在F中 的溶解度曲线,冷却至 此线有Fe3CⅢ析出 1538 Q Fe-Fe3C状态图 wC/%→ 温度/℃→ L A L+ A L+Fe3CІ F+A F P F+P Ld ’ Ld Ld’+Fe3CІ Ld+Fe3CІ Ld’+Fe3CⅡ+P Fe3CⅡ+P Fe3CⅡ+A Ld+Fe3CⅡ+A 912 1227 0.772.11 4.3 6.69 727 1148 A PS EC D F K G 0 Fe3C Fe oo四个单相区四个单相区 (1)ACD(1)ACD线以上的线以上的 液相区(液相区(L L)) (2)AESGA(2)AESGA线围线围 着的单一奥氏体相区着的单一奥氏体相区 ((A A,,γγ)) (3)GPQG(3)GPQG线围着线围着 的单一铁素体相区(的单一铁素体相区(F F ,,αα)) (4)DFK(4)DFK垂线代表垂线代表 的单一渗碳体相区(的单一渗碳体相区( FeFe 3 3 C C)) 4. 区域 l l 五个双相区五个双相区 ØØ ACEAACEA线围着的液相与线围着的液相与 奥氏体相区(奥氏体相区(L L+ +A A)) ØØ CDFCCDFC线围着的液相与线围着的液相与 渗碳体相区(渗碳体相区(L L+Fe+Fe 3 3 C C)) ØØ GSPGGSPG线围着的奥氏体线围着的奥氏体 与铁素体相区(与铁素体相区(A A+F+F)) ØØ EFKSEEFKSE线围着的奥氏体线围着的奥氏体 与渗碳体相区(与渗碳体相区(A A+Fe+Fe 3 3C C )) ØØ QPSKQPSK以下为铁素体与以下为铁素体与 渗碳体相区(渗碳体相区(F F+Fe+Fe 3 3 C C)) 4. 区域 5.铁碳合金的分类 工业纯铁: C%0.60% (b)组织:F+P (c)性能:在淬火+中温回火后,具有较 高的σ和良好弹性也叫弹簧钢。具有较好的耐 磨性和中等硬度。 (d)用途:主要用于制作弹簧和易磨损的 零件。 碳素工具钢 1)化学成分:Wc=0.65%--1.35% 2)牌号:T+数字表示 T—碳 数字表示千分含 量。对于硫、磷含量较低的优质碳素工具钢,则在 数字后面加A。例:T8A→0.8%的高级优质碳素工 具钢 3)组织:P+F或P+Fe3CⅡ 4)性能:具有很高的硬度和耐磨性,但淬透性 差,热硬性差。 5)用途:用于制作手动和低速切削的工具和要 求不高的量具和模具等 三、合金钢 o为了改善钢的某些性能,特意加入一种或几种合金 元素所炼成的钢。 o化学成分: C<0.2%,∑合金元素<5%, 常加合金元素:Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N 等。 o合金钢的性能特点 (a)具有较高的强度、塑性和冲击韧性,特别是低温 冲击韧性。 (b)具有良好的焊接性。 (c)具有较高的抗腐蚀性。 合金钢分类 1.合金结构钢 o 合金结构钢是优质钢,其的牌号表示方法 :数字+元素符号+数字 25 Cr2 Ni4 W (万分之几) wS.P≤0.035%, 与优质结 构钢相同元素符号及含量 (百分之几) 含量<1.5% 不标数字 o根据性能用途不同优质合金结构钢又可分为 渗碳钢、调制钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。 1)合金渗碳钢典型零件:变速箱齿轮、齿轮 等常用的20CrMnTi钢。 2)合金调质钢典型零件:受冲击载荷较大的 齿轮常用40Cr、40CrMnMo等 3)弹簧钢典型零件:汽车减振弹簧常用 55Si2Mn 2.合金工具钢 o合金工具钢都属于高级优质钢,其牌号方 法:数字+元素符号+数字 9Mn2V Cr12MoV 含碳量标千分之几 ( WC1%) 含碳量不标出 (WC≥ 1%) 合金元素的表示方法与合金结构钢相同 合金工具钢的典型牌号 o低合金刃具钢 9SiCr,常用作板牙、丝 锥、铰刀、冷冲模等。 o高速钢 W18Cr4V W18Cr4V2Co8 W6Mo5Cr4V2 W9Mo3Cr4V 制作各种高速切削刃具,如车刀、铣刀 、钻头、拉刀等,高速钢不论含碳量多少都不标 注,例如 W18Cr4V,碳的质量分数WC= 0.70%~0.80%,钢号前不标数字。 3.特殊性能的钢 o特殊性能的钢是指具有特殊的物理、化学性能 的钢,如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 1)不锈钢 按其组织状态的不同,主要分为 马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢等 。铬是不锈钢中最重要的合金元素,其在不锈钢 中的含量一般为11.50%-32.10%。 2)耐热钢 是指在高温下具有高的化学稳定性和 热强性的特殊钢。 3)耐磨钢 是指在冲击和磨损条件下使用的高锰 钢。主要用于严重摩擦和强烈撞击条件下工作的零件 ,如用作坦克及拖拉机的履带,挖掘机铲齿,推土机 挡板和铁路道岔等。高锰钢的主要成分为含碳量为 0.9%-1.5%,含锰量为11%-14%。这种钢由于机械 加工困难,基本上铸造后直接使用。 第五节 零件选材的一般原则 o满足工作性能要求 o满足工艺性能要求 o满足经济性要求
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