模块二---工程材料性能与选用-第3章-1

NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming1第三章金属材料组织和性能的控制1、知识点群铁碳相图；铁碳合金的成分－组织－性能关系；钢的四种基本热处理工艺；合金元素与铁和碳的相互作用、对铁碳相图以及对钢热处理的影响规律。2、教学目标熟悉铁碳相图；掌握钢的四种基本热处理工艺；弄清C曲线的实质和应用。了解并掌握合金元素与铁和碳的相互作用、对铁碳相图以及对钢热处理的影响规律。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming2第三章金属材料组织和性能的控制§3.1合金的结晶一、铁碳合金的结晶铁碳合金是碳钢和铸铁的统称，工业中应用最广。0.0218％C％2.11%碳钢；2.11％C％6.69%铸铁铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，研究碳钢、铸铁成分、温度、组织、性能间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。（一）铁碳合金相图Fe+CFe3c、Fe2c、FeC等C%6.69%铁碳合金脆性大无使用价值NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming3Fe-Fe3C相图（包晶、共晶、共析三个相图）符号C％含义A0纯铁熔点B0.53包晶转变时液态合金的成分C4.30共晶点LcAE+Fe3CD6.69Fe3C熔点E2.11碳在-Fe中的最大溶解度F6.69Fe3C的成分G0-Fe-Fe同素异构转变点(A3)H0.09碳在-Fe中的最大溶解度J0.17包晶点LB+HAJK6.69Fe3C的成分N0-Fe-Fe同素异构转变点(A4)P0.0218C在-Fe中的最大溶解度S0.77共析点（A1）AsFp+Fe3CQ0.0057600℃时碳在-Fe中的溶解度12NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming4表相图中各点的温度、碳质量分数及含义。符号温度/℃C％含义A15380纯铁熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点LcAE+Fe3CD12276.69Fe3C熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120-Fe-Fe同素异构转变点(A3)H14950.09碳在-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点LB+HAJK7276.69Fe3C的成分N13940-Fe-Fe同素异构转变点(A4)P7270.0218C在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A1）AsFp+Fe3CQ6000.0057600℃时碳在-Fe中的溶解度NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming51.铁碳合金的组元（1）纯铁Tm-1538℃，固态下具有多晶型性，温度变化发生同素异构转变：-Fe-Fe-Fe770℃发生磁性转变，由高温下的顺磁性转变为低温铁磁性性能特点：强度低、塑性高（b180-270MPa,30-50%,HB50-80）利用纯铁的高磁导率和铁磁性制造电工器件，如铁芯等。1394℃912℃NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming6非晶玻璃作为磁屏蔽材料和变压器机芯材料得到工业上的应用。用非晶材料取代硅钢片制作变压器可使内耗大大减小，解决了变压器在特殊条件下使用时的发热问题。知识点扩充NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming7浇铸成的带材是非晶结构，通称为非晶包片合金。非晶合金材料是直接从熔融的钢水采用超急冷技术，经过冷却滚筒，直接铸成带状薄片的高新技术产品。铁基非晶合金带材的磁滞曲线表明它只需要很小的磁化功率非晶合金与硅钢片的单位损耗曲线NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming8电力传输路径:电力是通过高压线以高压的形式从发电厂传输出去的。在不同的阶段，变压器会将电压一步步降低到可使用的范围，例如降到110-240伏特的民用水平。在这转变过程中大约有10%的电力损耗。变压器运行中固有能量损耗有两种：一种是负载损耗，其大小取决于变压器的负载；另一种是空载损耗，发生在变压器中的磁性铁芯。不管有无负载，这种空载损耗将一直存在。因此，空载损耗占了整个输配电中相当大的一部分。非晶体金属变压器铁芯新一代的非晶体金属帮助了全世界的电力部门提高了效能。用非晶金属制作的变压器比传统型的要节省80%的铁芯损耗。非晶生产的超高效铁芯，因其特殊的无序结构的非晶金属原子的排列实现了铁芯的低损耗。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming91.铁碳合金的组元（2）渗碳体（Fe3C－Cm(cementite）Cm是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物。含碳量6.69％特点：硬而脆（b30MPa，0，HB800），呈片状、网状、球状其尺寸、形状、分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。Cm亚稳定化合物，一定条件下分解形成石墨态的自由碳：Fe3C3Fe+C(在铸铁中有重要意义)NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming102.铁碳合金中的基本相(1)铁素体(F-ferrite/)C在-Fe中的间隙式固溶体。B.C.C.结构，727℃时C最大溶解度0.0218%,RT0.008%.C量低性能与纯铁相似，强度低、塑性好，770℃以下具有铁磁性。(2)奥氏体(A-austenite/)C在-Fe中的间隙式固溶体,F.C.C.结构,1148℃时溶2.11%C,强度低、塑性好钢材的热加工都在A相区进行。3.相图中重要的点和线(1)特性点——J、C、S(2)特性线ABCD液相线,AB、BC、CD线分别是液相开始析出固溶体，固溶体和渗碳体的温度NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming11AHJECF固相线，液相结晶结束的温度，AHJ、JE分别是固溶体和固溶体结晶结束的温度。HJB、ECF是三相平衡转变线。3.三条水平线(1)HJB包晶转变线含C量0.09-0.53%间的铁碳合金结晶时在1495℃，发生包晶转变：L0.53+0.090.17(2)ECF共晶转变线含C量介于2.11-6.69%间的铁碳合金结晶时在1148℃，发生共晶转变：L4.3(2.11+Fe3C6.69)共晶反应产物A和Cm的机械混合物-莱氏体(ledeburite:Le/Ld)(3)PSK共析转变线含C量0.0218-6.69%间的铁碳合金结晶时在727℃，均发生共析转变：0.77（0.0218+Fe3C6.69）——PNationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming124.溶解度曲线（1）GS线——冷却时中开始析出F和Cm，或加热时F全部转变为的转变曲线，常称此温度为A3温度。（2）ES线——碳在中的溶解度曲线。此温度常称为Acm温度。低于此温度时，中将析出Cm，该Cm为二次渗碳体，记为Fe3CII，以区别液相线中经CD线析出的一次渗碳体（Fe3CI）(3)GP线－碳在中的固溶度线。在和两相区，当温度变化时，中含碳量沿该线变化。(4)PQ线－碳在中的固溶度线（共析温度以下）。727℃时，C0.0218%的铁碳合金中的铁素体的含碳量为0.0218%,随着温度下降，铁素体中析出渗碳体，称三次渗碳体（Fe3CIII）NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming13二、典型铁碳合金平衡结晶过程C％0.0218%工业纯铁0.0218C％2.11%钢C％2.11%铸铁有无共析转变有无共晶转变1.工业纯铁的平衡结晶过程2.共析钢的平衡结晶过程（wc=0.77%）3.亚共析钢的平衡结晶过程（0.0218%Wc0.77%）NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming14NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming15W(c)=0.4%的亚共析钢的组织组成物为F+P，它们质量分数为：W(P)=(0.4-0.0218)/(0.77-0.0218)=51%W(F)=1-51%=49%组成相为F和Fe3C，它们质量分数为：W(F)=(6.69-0.4)/(6.69-0.0218)=94%W(Fe3C)=1-94%=6%亚共析钢的碳质量分数可由室温平衡组织估算。将F中C%忽略，则钢中的碳质量分数全部在P中，由钢中P质量分数求出钢的碳质量分数：W(c)=W(P)0.77%.由于P和F密度相近，钢中P和F的质量分数可近似用P和F的相对面积估算。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming164.过共析钢的平衡结晶过程（0.77%wc=2.11%）5.共晶白口铁（4.3%C）共晶反应，LLe(A+Fe3C).1-2点间，Le中的A析出Fe3CII。Fe3CII与共晶Fe3C相连Le：A＋Fe3CII＋Fe3C组成。2点A的C％降至0.77%,共析P；高温Le低温Le(P+Fe3CII+Fe3C)(变态莱氏体).室温平衡组织为Le，黑色条状或粒状P分布在白色Fe3C基体上6.亚共晶白口铁（2.11%Wc4.3%）7.过共晶白口铁（4.3%wc6.69%）NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming17三、铁碳合金的成分－组织－性能关系1.含碳量对室温平衡组织的影响以组织组成表示的Fe-Fe3C相图随C％，Fe-C合金组织变化依次为：+Fe3CIII+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Le'Le'Le'+Fe3CI工业纯铁钢白口铸铁NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming18工业纯铁基本组织－F钢的基本组织－P白口铸铁基本组织－变态莱氏体Le。随含碳量增加，组织按下列顺序变化：即F、F＋P、P、P＋Fe3CII、P＋Fe3CII+Le、Le、Le+Fe3CI、Fe3C含碳量与组织、性能关系：工业纯铁：F呈多边形晶粒，强度低、塑性韧性高。C％，出现P、HB,塑韧。1.0%C左右max.C1%,脆性Fe3CII呈网状分布，塑韧.工业用钢1.3%C.白口铸铁中Le以Cm为基，HB高、脆性大NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming19对于亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：硬度80W(F)+180W(P)(HB)或硬度80W(F)+800W(Fe3C)(HB)强度（b）230W(F)+770w(P)(MPa)延伸率（）50W(F)+20W(P)（％）式中：W(F)、W(P)、W(Fe3C)表示各自质量分数2.Fe-Fe3C相图的应用(1)钢铁材料选用建筑结构和各种型钢需用塑韧性好的材料C较低的钢材机械零件需要强度、塑韧性均较好的材料C分数适中的中碳钢工具：硬度高、耐磨C分数高的钢种。Na