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第四章 铁碳合金
第四章 铁碳合金
一、铁碳合金的组元
1。纯铁
⑴ 力学性能: 软、韧
⑵ 同素异构转变: 固态时,材料的晶体结构随温度发生变化的现象。
纯铁在912℃ 和1394℃会发生同素异构转变,如右图所示。
● 912℃以下的纯铁称 α - Fe, bcc结构,
● 912℃ ~1394 ℃的称 γ - Fe, fcc结构,
● 1394 ℃以上的称δ- Fe, bcc结构。
2。渗碳体 (Fe3C) 具有复杂晶体结构的间隙化合物, 在铁碳相图中
现为一垂线,
故作为一独立组元。
二、铁碳合金的基本相
1。铁素体
碳在 α- Fe 中的间隙固溶体, ferrite, 简写为 α 或 F。
铁素体溶碳能力极微,其性能是软、韧。
2。奥氏体
碳在 γ-Fe中的间隙固溶体, austenite, 简写为 γ 或 A。
奥氏体溶碳能力也低,其性能也是软、韧。
3。渗碳体 Fe3C,cementite, 含碳量为 6.69%. 性能:硬、脆。
以下研究 Fe-Fe3C 相图。
三、Fe-Fe3C 相图 三、Fe-Fe3C 相图1。相区
⑴单相区:
L、δ、A、F、Fe3C
⑵两相区:
L+δ、 δ+A、A+F、L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、F+Fe3C
⑶三相区:三条水平线
ECF (共晶转变)
PSK (共析转变)
HJB (包晶转变)
2。恒温转变
⑴共晶转变:在 ECF 线上,
L4.3 A2.11 + Fe3C
产物称莱氏体:ledeburite ,
简写为: Ld
⑵共析转变,在 PSK 线上,
A0.77 F0.02 + Fe3C
产物称珠光体:pearlite,
简写为: P
⑶包晶转变(HJB线)略2。恒温转变
⑴共晶转变:在 ECF 线上,
L4.3 A2.11 + Fe3C
产物称莱氏体:ledeburite ,
简写为: Ld
⑵共析转变,在 PSK 线上,
A0.77 F0.02 + Fe3C
产物称珠光体:pearlite,
简写为: P
⑶包晶转变(HJB线)略1148 ℃727 ℃null3。二次相析出
研究溶解度线ES、PQ知:
●奥氏体(A)在1148℃~
727 ℃间缓慢冷却时,会
沿晶界析出 Fe3CⅡ,形成网
状组织。
●铁素体(F)在727℃~室温
间缓慢冷却时,会沿晶界析
出少量 Fe3CⅢ。
§4 – 2 铁碳合金平衡结晶过程
按含碳量铁碳合金分为 7 类: §4 – 2 铁碳合金平衡结晶过程分析
按含碳量铁碳合金分为 7 类:⒈工业纯铁
WC: 0~0.02%
⒉亚共析钢
WC: 0.02 ~ 0.77%
⒊共析钢
WC: 0.77%
⒋过共析钢
WC: 0.77~2.11%
⒌亚共晶白口铁
WC: 2.11~4.3%
⒍共晶白口铁
WC: 4.3%
⒎过共晶白口铁
WC: 4.3~6.69%
一、工业纯铁一、工业纯铁
在PQ线以下缓冷时,在 F晶界上析出三次渗碳体Fe3CⅢ ,最终组织为:
F + Fe3CⅢ
因Fe3CⅢ量少,在晶界呈薄片状断续分布,对性能影响不大,一般可忽略不计。null
二、共析钢
在727℃发生共析转变,全部变成珠光体,再继续冷至室温 。
室温平衡组织为 P。
在光学显微镜下珠光体的形貌是Fe3C与F交替排列的层片状组织。若放大倍数不够,则层片不能看清。三、亚共析钢
在 A+F 两相区缓冷时,A的成分沿GS线变化,至727℃时,A的成分到达S点,发生共析转三、亚共析钢
在 A+F 两相区缓冷时,A的成分沿GS线变化,至727℃时,A的成分到达S点,发生共析转 变,温度恒定。待A全部变成P,共析转变结束,温度再继续下降。
室温时的平衡组织是:
F + P。
根据杠杆定律可以推得,P在钢中的相对量与钢的含碳量x的近似关系是:
WP= x / 0.77
null 四、过共析钢
在ES线以下缓冷时,在A晶界上析出 二次相Fe3CⅡ, 同时A的成分沿ES线变化。至727℃,A的成分到达S点,发生共析转变,温度恒定。待A全部变成P,共析转变结束,温度再继续下降。
室温时的平衡组织是: P + Fe3CⅡ。
二次渗碳体 Fe3CⅡ保留在 P 周围,形成网状组织,这种网状组织使钢的力学性能明显下降,属有害组织,必须消除。
五、共晶白口铁
在 C 点(1148℃)发生共晶转变,全部变成 Ld,即A + Fe3C。
在1148℃以下的缓冷中,A的成分沿 ES 线变化,并在周围析出Fe3CⅡ。至727 ℃,A的成分到达S点,发生共析转变变成P。
室温时的组织是:
P + Fe3CⅡ + Fe3C,
称为变态莱氏体,记着:L’d null
六、亚共晶白口铁
在液相线以下为L + A两相。在1148 ℃时 L 相成分到达C点,发生共晶转变,变成Ld。
继续冷却时,初晶A沿边界析出Fe3CⅡ,至727 ℃,初晶A的成分到达 S 点,发生共析转变变成 P, Ld则变成L’d。
室温时的平衡组织是:
P + Fe3CⅡ + L’d
null七、过共晶白口铁
液相在高温直接结晶出条状的一次渗碳体Fe3CⅠ,在1148℃发生共晶转变,组织是:
Ld + Fe3CⅠ
在727℃发生共析转变, Ld 变成L’d 。
室温时的平衡组织是:
L’d+ Fe3CⅠ 。
null§4-3 Fe-Fe3C 相图的主要应用
一、估计铁碳合金在平衡状态时的力学性能
1。含碳量越高, Fe3C 就越多,则硬度越高,而塑性、韧性越低。
2。在亚共析钢的范围(WC≦0.8%),含碳量越高,则强度越高。
二、判断铁碳合金的热加工工艺性能
1。铸造性能:液相线和固相线的距离越小,则铸造性能越好。
所以共晶成分合金的铸造性能最好。
2。锻造性能:单相固溶体的锻造性能好,莱氏体不能锻造。
所以低碳钢的锻造性能优于高碳钢,铸铁不能锻造。
三、确定钢铁材料铸造、锻造、热处理的加热温度
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§4-4 碳钢
一、分类
1。按含碳量分:
低碳钢 WC 0.25%
中碳钢 0.25% < WC 0.6%
高碳钢 WC>0.6%
2。按冶金质量分: (根据杂质S、P的含量多少)
普通碳素钢
优质碳素钢
高级优质碳素钢
3。按用途分: 碳素结构钢
碳素工具钢
null二、牌号及用途
1。普通碳素结构钢
Q195, Q215, Q235, Q255, Q275
⑴均为普通钢,数字表示屈服强度,单位为MPa。
⑵ Q275的含碳量约0.3%,其余均为低碳钢。
⑶ 一般用于
构件(桥梁、建筑……)或要求不高的机械零件,在热轧状态(相当于正火)使用,不再进行热处理。
2。优质碳素结构钢
⑴ 钢号是二位数字,表示钢平均含碳量的万分之几,如10、 25、45、50等。
⑵ 质量性能优于普碳钢,用于制造机械零件。
⑶ 一般须进行热处理提高性能后再使用。null
3。碳素工具钢
⑴钢号是 T + 数字,如T7、T8、T10、T12、T13,数字表示钢平均含碳量的千分之几。
⑵全部都是优质钢。还有高级优质钢,在钢号后尾以A, 如T8A.
⑶用于制造要求高硬度、高耐磨性,但尺寸不大、形状不复杂,使用温度不高的工具,如钳工工具等。
⑷ 应在热处理后使用。
4。碳素铸钢
⑴ 钢号是ZGxxx-xxx, 后为两组数字,分别表示钢的屈服强度和抗 拉强度,如ZG230-450, ZG310-570等。
⑵ 用于形状复杂不能锻造成形,性能要求较高的机械零件。
§4 – 5 铸铁
一、铸铁的石墨化
1。铸铁中的碳以石墨形式结晶或析出的现象称铸铁石墨化。
(石墨:graphite, 简写为G)
石墨化越充分,则铸铁中石墨越多,而Fe3C 越少。
2。影响铸铁石墨化的主要因素:
⑴(C +Si)%越多,则石墨化越充分;
⑵ 冷却速度越慢,则石墨化越充分。
§4 – 5 铸铁
一、铸铁的石墨化
1。铸铁中的碳以石墨形式结晶或析出的现象称铸铁石墨化。
(石墨:graphite, 简写为G)
石墨化越充分,则铸铁中石墨越多,而Fe3C 越少。
2。影响铸铁石墨化的主要因素:
⑴(C +Si)%越多,则石墨化越充分;
⑵ 冷却速度越慢,则石墨化越充分。
二、铸铁的组织
1。按铸铁石墨化的程度其组织可有:
⑴ F+G;
⑵ P+F+G;
⑶ P+G;
⑷ P+Fe3C+G;
⑸ 白口铁。
从⑴至⑸,石墨化渐不充分,
Fe3C渐多,G渐少。
2。可以将铸铁看成是G分布在工业纯铁或钢基体上的铁碳合金。
视石墨为裂缝或孔洞来估计铸铁的性能。
null 三、铸铁的分类
1。按石墨化的程度分:
⑴白口铸铁:不进行石墨化,断口呈银白色。
⑵麻口铸铁:石墨化不充分, P+Fe3C+G
⑶灰铸铁:石墨化较充分,断口呈灰白色。
● F+G —— 铁素体灰铸铁
● P+F+G —— 珠光体铁素体灰铸铁
● P+G ——珠光体灰铸铁
2。对灰铸铁,又按石墨形态分:
⑴普通灰铸铁——石墨呈片状;
⑵球墨铸铁——石墨呈球状;
⑶可锻铸铁——石墨呈团絮状;
⑷蠕墨铸铁——石墨呈蠕虫状。以下显示了灰铸铁和球墨铸铁中石墨与基体的不同形态:以下显示了灰铸铁和球墨铸铁中石墨与基体的不同形态:null
四、铸铁的性能
1。抗拉强度低、塑性韧性差
因石墨相当于孔或裂缝,明显降低了材料的力学性能。
球状石墨对基体的破坏作用相对较小,故球墨铸铁的力性接 近低碳钢,且可以用热处理改善基体组织,提高性能。
2。铸造性能好。
3。耐磨性好。
4。消震性好。
5。切削加工性能好。
6。缺口敏感性低。null
五、牌号及用途
1。普通灰铸铁:如 HT150, HT200, HT250 ……
HTxxx ,三个数字表示最低抗拉强度,单位MPa。
用于要求消震、耐磨、形状复杂的地方,如机床床身、汽缸、箱体、活塞等。
只进行去应力退火。
2。球墨铸铁:如 QT400-15, QT500-05 , QT600-03 ……
QTxxx-xx, 数字表示最低抗拉强度和伸长率,单位MPa和%。
用于一般机械零件,如齿轮、曲轴、凸轮轴等。
可进行改善基体组织的热处理(如退火、正火、调质等)。
3。可锻铸铁:将白口铁长时间石墨化退火,使其中的 Fe3C 转变为团絮状石墨而成。
如 KT300-06, KT350-10, KT450-06, KT650-02 数字意义同球铁。性能接近球墨铸铁,但生产成本低。用于小件的批量生产。
可锻铸铁实际并不能锻造。