机械工程材料Material-2

机械工程材料主讲:胡耀华2020年2月15日星期六机械工程材料课程内容：绪论工程材料分类及材料性能第1章金属的结构与凝固第2章铁碳合金相图及碳钢第3章金属的塑性变形与再结晶第4章钢的热处理第5章工业用钢第6章铸铁第7章有色金属及其合金第8章零部件的失效分析与选材【重点内容】1.铁碳合金的各种基本组织的概念；2.铁碳合金相图中各点、线、区的含义，了解成份、温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；3.铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系；4.钢中常见杂质对钢的性能的影响；5.碳钢的分类，编号和用途；【难点】铁碳合金平衡结晶过程分析、杠杆定律的计算、含碳量对铁碳合金性能的影响、碳钢的牌号与应用。【基本要求】1.熟练掌握铁碳合金中的相结构与性能；2.熟练掌握铁碳合金状态图并利用状态图对典型合金的结晶过程进行分析；会用杠杆定律计算铁碳合金中相组成物与组织组成物的相对量；3.掌握碳钢的牌号及用途；第一节铁碳合金相图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。I、同素异构转变构转变。同素异构转变属于相变之一—固态相变。1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异纯铁的同素异构转变铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.2-1铁碳合金的基本组成相和基本组织Fe-c合金的基本相有五种：①L液相;②δ相（高温铁素体相）;③γ相（奥氏体相）;④α相（铁素体相）;⑤FeC3(渗碳体相)其中②、③、④为固溶体相，⑤为化合物相。液相L是铁与碳的液溶体，温度下降，Fe以δ-Fe形式结晶出来。是碳在δ-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1394。C以上存在。温度下降后，Fe以γ-Fe形式结晶出来。用符号A或γ表示，是碳溶在在γ-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格，傲视体重碳的固溶度较大，在1148。C时溶碳量为2.11%，奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。用符号α或F表示，是碳在α-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008%，600。C时为0.0006%，在727。C石炭容量最大，为0.0218%。铁素体的性能特点是强度低，硬度低，塑性好。因其固容量很小，其机械性能与工业纯铁同。在硝酸酒精及苦味酸钠中，也不易受腐蚀，故显微镜下只能看到受腐蚀的晶界。Fe3C是一个化合物相，以Fe3C或以Cm表示。它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物，其硬度很高800HBW,σb为30MPa,而塑性，韧性几乎为零，脆性更大。渗碳体不易受硝酸酒精溶液腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但如受碱性苦味酸钠溶液腐蚀，则呈黑色。其显微组织形态很多，可呈片状、粒状、网状或板状，是碳钢中的主要强化相，它的分布和形状对钢的性能有很大的影响，其C%为6.69%，Fe3CI为板状，Fe3CII为网状，Fe3CIII为片状，Fe3C共析为层状，Fe3C共晶为基体。一、铁碳合金的组元和相碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⒈组元：Fe、Fe3C⒉相⑴铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。⑵奥氏体:碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体⑶渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低(b35MPa),脆性大,塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体Fe-C合金的基本组织组成物1、基本组织：合金的组织由相组成，可以是单相，也可以是两相或多相。组织和结构是有区别的，主要表现在它的尺度不同。组织是显微尺度，结构是原子尺度。组织是指用肉眼和显微镜观察到的金属内部情景，而结构目前一般是用X射线分析才能确定。合金组织决定了合金的性能。2-1铁碳合金的基本组成相和基本组织Fe-C合金的基本组织：①F（铁素体）：②A（奥氏体）：③Fe3C(渗碳体）：④珠光体P：⑤Le（莱氏体）：2-1铁碳合金的基本组成相和基本组织由F单相构成一种组织；由A单相构成一种组织；由Fe3C单相构成一种组织；由F和Fe3C两相组成的机械混合物。C=0.77%,F和Fe3C平行间隔排列的片层组织。当放大倍数不大，则Fe3C片小，只能见黑色的晶界，Fe3C被吞没。由A(P)和Fe3C组成的机械混合物。由小黑点或小黑杆状的P(室温）和围绕在P外的Fe3CII和Fe3C基体构成Ldˊ,其C=4.3%.2、显微组织特性：如何区分显微组织，可采用下列方法：①打显微硬度区分：(A、F)、Fe3CFe3C的硬度高，而A、F硬度低，A只能在高温存在。②用染色法：用苦味酸钠溶液煮，如晶粒为白亮保持不变，则为F；白亮变黑，则为Fe3C.③用形状区分：F为块状晶界；Fe3C为片状、网状、板状等。2-1铁碳合金的基本组成相和基本组织二、铁碳合金相图的分析⒈特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++⒉特征线固相线—AHJECFD(1)三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄JECF：共晶线LC⇄E+Fe3C(2)液相线—ABCD，共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Le表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体PSK：共析线S⇄FP+Fe3C共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。⑶其它相线GS,GP—⇄固溶体转变线,GS又称A3线。HN,JN—δ⇄固溶体转变线，ES—碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线⒊相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C三、典型合金的平衡结晶过程(2)钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相①亚共析钢(0.0218~0.77%C)②共析钢(0.77%C)③过共析钢(0.77~2.11%C)铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁⑶白口铸铁(2.11~6.69%C)铸造性能好,硬而脆①亚共晶白口铸铁(2.11~4.3%C)②共晶白口铸铁(4.3%C)③过共晶白口铸铁(4.3~6.69%C)㈠工业纯铁的结晶过程合金液体在1-2点间转变为，3-4点间→，5-6点间→。到7点，从中析出Fe3C。NSJBHL+++工业纯铁的结晶过程随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织F+Fe3CⅢ。室温下Fe3CⅢ最大量为:%3.0%1000008.069.60008.00218.0III3CFeQ从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。㈡共析钢的结晶过程合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变：S⇄P+Fe3C,全部转变为珠光体。共析钢的结晶过程珠光体在光镜下呈指纹状.变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.%2.11%8.88%100,%8.880218.069.677.069.6CFe3QPKSKQ珠光体Q室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？%.%.%Q%.....QLLQCFe3511588100588000806967706964Q43219㈢亚共析钢的结晶过程0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.以0.45%C的钢为例合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为。到4点，由中析出。到5点,成分沿GS线变到S点，发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.+Fe3CⅢGSPABJH亚共析钢的结晶过程利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积%×0.77%(忽略中含碳量，P面积%=QP)共析温度下相的相对重量为：%PKKQ%,PKPQCFe100510053组织组成物的相对重量为：%PSSQ%PSPQP10051005，S’室温下相的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：CFeCFeQ%QLLQ%...CQLQQ33100610000080696000806PPQ%'QS'SQ%,...C'QSQQ100610000080770000806S’亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.0218~0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织㈣过共析钢的结晶过程合金在1~2点转变为,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈网状分布.温度下降,Fe3CⅡ量增加。到4点，成分沿ES线变化到S点，余下的转变为P。在共析温度下Fe3CⅡ的相对量？过共析钢的结晶过程过共析钢室温组织为P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3CⅡ量最大：%6.22%10077.069.677.011.23IICFeQ含1.4%C钢的组织室温下两相的相对重量百分比：Q%QLQQ%..C.QLLQCFe10051000008069669653室温下两组织组成物的相对重量百分比：12345S’PCFePQ%L'S'SQ%,..C.L'SLQⅡ100510077069669653㈤共晶白口铁的结晶过程合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状.Fe3C共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:%.Q%.%....QCFe847252100112696346963，C点以下,成分沿ES线变化，共晶将析出Fe3CⅡ。Fe3CⅡ与共晶Fe3C结合，不易分辨。1’2Fe3C温度降到2点,成分达到0.77%,此时,相的相对重量:在2点,共晶发生共析反应，转变为珠光体，这种由%.Q%.%....QCFe659