3.3铁碳合金(课件）-高一《机械基础》同步教学（武汉大学版）

任务3 铁碳合金 阶段1 铁碳合金的基本组织及其性能 阶段2 铁碳合金状态图 阶段3 铁碳合金状态图的应用 阶段1 铁碳合金的基本组织及其性能 1．铁的同素异晶转变 钢和铸铁是工业生产中应用最广泛的金属材料，称为铁碳合金，因为形成钢和铸铁的主要元素是铁和碳。不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。 某些金属如铁、钛、钴等在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。 铁的同素异晶转变 2．铁碳合金中的基本组织 （1）铁素体（F） （2）奥氏体（A） （3）渗碳体（Fe3C） （4）珠光体（P） （5）莱氏体（Ld） 碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，从液态结晶过程中冷却到1148℃时，发生共晶转变，而形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体（机械混合物）称为莱氏体。 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的。碳的质量分数平均为0.77% ，是一种综合力学性能较好的组织。 渗碳体是铁碳合金中碳的主要存在形式，含碳量为6.69%，硬度很高（HBS800），塑性、韧性几乎为零，脆性极大 。 碳溶于γ-Fe中的固溶体，用符号A表示，它保持面心立方晶格结构。强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好，因此生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造。 碳或其他溶质元素溶于α-Fe中构成的固溶体，保持体心立方晶格结构。性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。 阶段2 铁碳合金状态图 铁碳合金状态图（相图）是表示在平衡状态下（极缓慢冷却或加热的条件下），铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图，如图示。 1．Fe-Fe3C相图上的特性线和点 （1）ACD线为液相线（2）AECF线为固相线 （3）A点（4）D点 （5）C点（6）ECF线为共晶线 （7）ES线（Acm线） （8）S点 （9）PSK线（共析线或A1线） （10）GS线（A3线） （11）G点 （12）PQ线 （13）P点 2．Fe-Fe3C相图中的相区 3．铁碳合金的分类 合金类别 工业纯铁 钢 白口铸铁 亚共析钢 亚共析钢 亚共析钢 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 含碳量ωc（%） ≤0.0218 0.0218≤ωc≤2.11 2.11≤ωc≤6.69 ＜0.77 0.77 ＞0.77 ＜4.3 4.3 ＞4.3 室温组织 F F+P P P+ Fe3CⅡ Ld＇+P+ Fe3CⅡ Ld＇ Ld＇+ Fe3CⅠ 4．碳对铁碳合金组织和性能的影响 一般地，随着含碳量的增加，铁碳合金的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。 阶段3 铁碳合金状态图的应用 Fe-Fe3C相图反映了钢铁材料的组织随化学成分和温度变化的规律，因此在生产实际中为选材和制定铸造、锻压、焊接、热处理等加工工艺提供了重要的理论依据。 （1）在铸造中的应用。 根据相图可以确定各种成分的钢和铸铁的结晶温度，从而确定合金的浇注温度、凝固温度范围，进而判断流动性以及缩孔、缩松的倾向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流动性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。 （2）在锻造中的应用。钢中有奥氏体组织时，塑性好，变形抗力低，易于塑性变形，故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围进行锻压加工。 任务4 钢的热处理 阶段1 概述 阶段2 整体热处理 阶段3 表面热处理和化学热处理 阶段1 概述 热处理是采用适当的方法将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。 热处理按目的、加热和冷却方法等的不同，分为三类。 （1）整体热处理。特点是对工件进行整体加热至内外温度相同，再用适当的方法冷却。常用的热处理方法有退火、正火、淬火、回火。 （2）表面热处理。特点是只对工件表面进行快速加热，目的是改变表层的组织和性能。常用的热处理方法有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火。 （3）化学热处理。特点是同时改变工件表层和化学成分、组织和性能。常用的热处理方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 1．加热和冷却时的转变温度 金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点。相变温度可由铁碳合金相图来确定。在实际加热和冷却时，合金有过冷和过热现象，加热时实际相变温度偏高，冷却时偏低。 加热和冷却速度越快，偏离理论相变温度越严重。常用Ac1、Accm 、Ac3表时加热时偏离的相变温度。用 Ar1、Arcm 、Ar3表示冷却时偏离的相变温度。 2．钢在加热时的组织转变