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大连理工大学网络教育学院第1页共5页《机械工程材料》辅导资料五主题:第3章材料的凝固学习时间:2014年4月28日--5月4日内容:这周我们将结束本课程课件第3章的学习,即材料的凝固。具体学习内容如下:一、学习要求1、掌握纯金属结晶的热力学条件,包括液体和晶体的自由能-温度曲线和纯金属的冷却曲线。2、掌握金属及合金结晶后的晶粒大小及其控制:晶粒度、决定晶粒尺寸的因素、控制晶粒尺寸的方法、晶粒大小对金属性能的影响。3、理解纯金属的结晶过程以及同素异构转变。4、理解合金结晶二元相图的建立方式、基本类型。5、理解合金结晶中的“杠杆定律”。6、理解铁碳合金相图的分析原理以及典型铁碳合金的平衡结晶过程:工业纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。7、理解含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。二、主要内容1、铁碳合金相图2、凝固组织及其控制一、铁碳合金相图铁碳合金是碳钢和铸铁的总称。含碳量0.0218%c-2.11%c的称为“碳钢”。大于2.11%c,小于6.69%c的称为“铸铁”。铁碳合金相图实际上是Fe—Fe3C相图,因为含碳量大于6.69%c铁碳合金脆性过大,在工业上无意义。(一)铁碳合金的组元和相1、纯铁及铁基固溶体纯铁在固态下有三种同素异构体,δ-Fe、γ-Fe、α-Fe。通常所说的工业纯铁是指室温下的α-Fe,它的强度、硬度低,塑性、韧性好。工业纯铁的力学性能大致在:σ0.2=100-170MPa;σb=180-270MPa;δ=30-50%;ψ=70-80%,HB=50-80,aK=18-25J/cm2。铁素体:碳溶解在α-Fe中形成的固溶体,代表符号“F”。体心立方晶格,最高存在温度:912℃。含碳量:727℃;0.0218%c;室温:0.0008%C;显微组织:明亮的,多边形颗粒。如下图所示;性能:与纯铁相似,即强度、硬度低,塑性、韧性高。大连理工大学网络教育学院第2页共5页图1铁素体组织2、铁与碳形成的化合物(Fe3C)称为“渗碳体”。用符号“Fe3C”或“Cm”表示。复杂斜方晶格;最高存在温度1227℃。含碳量:6.69%c;性能:硬而脆,HB≈800;δ、ψ、aK≈0;是钢中的重要强化相。显微组织:根据析出的母相不同分别为:板状、蜂窝状、网状、片状、微量的。渗碳体是亚稳相,在一定的条件下发生分解:Fe3C→3Fe+C,所分解出的单质碳称为“石墨”。这一分解在铸铁中有着重要意义。由于碳在α-Fe中的溶解度很低,所以铁碳合金常温下碳主要是以渗碳体或石墨的形式存在。(二)铁碳合金相图的分析1、Fe-Fe3C相图图2以相组成物标注的铁碳合金相图图中,共有三个基本相图组成(包晶、共晶、共析相图)。有5个基本相:液相L、高温铁素体相δ、铁素体相F、奥氏体A、渗碳体相Fe3C。5个单相区,L、δ、F、A、Fe3C;大连理工大学网络教育学院第3页共5页7个两相区:L+δ、L+A、L+Fe3C、δ+A、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C;ABCD液相线、AHJECF固相线;各特征点的温度、成分及含义见表1。表1铁碳合金相图中各特征点的说明三条水平线(三相区):HJB线,包晶线(1495℃)成分范围:0.09%-0.53%c;发生包晶反应:L0.53+δ0.09→A0.17;转变产物:奥氏体;ECF线,共晶线(1148℃)成分范围:2.11%-6.69%c共晶反应:L4.3→A2.11+Fe3C;转变产物:莱氏体Le(A+Fe3C共晶);莱氏体是Fe3C基分布着A的机械混合物。显微组织形态:蜂窝状;性能:硬而脆(HB700)。PSK线,共析线(727℃),A1线;成分范围:0.0218%-6.69%c;共析反应:A0.77→F0.0218+Fe3C共析反应产物:珠光体P(F0.0218+Fe3C共析)珠光体:铁素体和渗碳体的机械混合物显微组织:片层状性能:介于两相之间。2、根据母相、组织形态渗碳体可分为五种:一次渗碳体(由液体中直接结晶,呈板状)大连理工大学网络教育学院第4页共5页二次渗碳体(由奥氏体析出,呈网状)三次渗碳体(由铁素体析出,微量)共晶渗碳体(共晶直接结晶,蜂窝状)共析渗碳体(共析过程析出,片状)(三)典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金,按成分可分为三类:1、工业纯铁(<0.0218%c)显微组织铁素体晶粒,工业上很少使用。2、碳钢(0.0218%c-2.11%c)高温组织为奥氏体塑性好,适于变形加工。碳钢又分为亚共析钢(0.0218%c-0.77%c;共析钢(0.77%c);过共析钢(0.77%c-2.11%c)三种。3、白口铸铁(2.11%c-6.69%c)特点铸造性能好,硬而脆。亚共晶白口铁(2.11%c-4.3%c);共晶白口铁(4.3%c);过共晶白口铁(4.3%c-6.69%c)。白口铸铁通常在工业上很少直接应用,因为其硬度高,不利于机械加工,铸造性能也不如灰口铸铁。二、凝固组织及其控制对于单相合金而言晶粒的尺度对性能的影响很大,对于多相合金第二相的尺寸、形态、分布状态往往是合金性能的决定因素。此外,合金在结晶过程中的边缘效应,对结晶过程的影响,以及结晶后的组织影响也是不容小觑的。(一)晶粒度晶粒度通常是指对晶粒的大小的度量。通常使用长度、面积、体积或晶粒度级别数来评定或测定晶粒的大小。在100倍下645。16mm2面积所包含的晶粒个数N与显微晶粒度级别数G的关系为:N=2G-1。比较法详见GB/T6394-2002。(二)决定晶粒尺寸的因素结晶后晶粒的尺寸决定于形核速率和长大速度。形核率:单位时间、单位体积内形成晶核的数目称为“形核率”用“N”来表示。长大速度:单位时间内晶核生长的长度。用“G”来表示。可见,N/G越大晶粒越细小。(三)控制晶粒尺寸的方法1、控制过冷度通常,冷却速度增大,过冷度增加,N/G值增大,晶粒越细。过冷度对N和G的影响见图3。大连理工大学网络教育学院第5页共5页图3过冷度对形核率和长大速度的影响2、变质处理有意相液态金属中加入非自发形核物质,从而细化晶粒的方法。所加入的物质称为“变质剂”。金属不同所加入的变质剂不同。3、振动的、搅拌结晶时,通过机械振动、电磁搅拌及超声波等方法,打碎树枝晶,并输入能量,促进形核,从而细化晶粒。4、晶粒大小对金属性能的影响常温下,晶粒越细,晶界面积越大,因而金属强度、硬度越高。同时,晶粒越细,可同时变形的晶粒越多,故塑性韧性越好,这被称为“细晶强化”。高温下,晶界呈粘滞状态,在外力作用下易产生滑动和迁移,对强度无益。但晶粒过于粗大,易产生应力集中。因而高温下晶粒过粗,过细均无好的结果。三、重要考点判断题1、()金属材料在正常条件下通常是以结晶的形式凝固的。2、()凝固是物质内部原子由混乱排列到有序排列的转变过程,是一种相变过程。3、()任何一种液体物质结晶都包括晶核生成和长大的过程。答案:1、对;2、错;3、对。
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