[精选]成形工艺基础——金属工艺学(下册)第二章铁碳合金(PPT 53页).pptx
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1、第第二二章章 铁铁碳碳合合金金成形工艺基础材2111纯铁的晶体结构及其同素异晶转变纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 1.1.结晶结晶 由液态转变为固体晶体的过程。由液态转变为固体晶体的过程。或:原子由不规则无序排列到有序规或:原子由不规则无序排列到有序规则排列过程则排列过程.或:晶体结构形成的过程。如水或:晶体结构形成的过程。如水冰冰2 2 2.2.冷却曲线冷却曲线 用热分析法测定时描述金属结晶用热分析法测定时描述金属结晶过程的曲线。过程的曲线。成形工艺基础材22 曲线上有一段水平线,是实际结晶温度曲线上有一段水平线,是实际结晶温度 T T1 1 ,又称结晶平台又称结晶平台 ,是结晶时放出的热潜
2、热造,是结晶时放出的热潜热造成的成的.虚线:理论结晶温度虚线:理论结晶温度T T0 0。3.3.过冷度过冷度 T T T T0 0T T1 1 实际结晶温度实际结晶温度 低于理论结晶温度,此称低于理论结晶温度,此称“过过冷。冷。过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关 冷却速度越快,结晶温度越低,过冷度越大冷却速度越快,结晶温度越低,过冷度越大,反之冷却速度慢,过冷度则小。反之冷却速度慢,过冷度则小。成形工艺基础材23 以下图是金属结晶过程以下图是金属结晶过程示意图示意图 主要结论:主要结论:1.1.结晶过程实质形核成长大,结晶过程实质形核成长大,两者相继又
3、并存。两者相继又并存。2.2.结晶终了:结晶终了:得多晶粒组织晶界多得多晶粒组织晶界多,犬牙交错,晶粒愈细愈好;犬牙交错,晶粒愈细愈好;控制细晶措施有:控制细晶措施有:成形工艺基础材24 1.1.增大过冷度;增大过冷度;2.2.变质处理;变质处理;3.3.机械振动;机械振动;4.4.热处理或压力加工。热处理或压力加工。二、纯铁的晶体结构二、纯铁的晶体结构 1.1.晶体与非晶体晶体与非晶体 定义:原子按一定几何形状作有规律的重复定义:原子按一定几何形状作有规律的重复排列的排列的固体物质固体物质称晶体;非晶体则反之。称晶体;非晶体则反之。特点:晶体特点:晶体 有熔点;有熔点;具有各向异性。具有各向
4、异性。成形工艺基础材25 如:食盐,冰,如:食盐,冰,石,金属等。石,金属等。非晶体非晶体:无熔点;无熔点;各向同性。各向同性。如:玻璃,松香,沥青等。如:玻璃,松香,沥青等。2.2.晶格晶格 为便于研究晶体中原子排列规律,人为将原为便于研究晶体中原子排列规律,人为将原子抽象化,将晶体中每一个原子看作一个点,用子抽象化,将晶体中每一个原子看作一个点,用假想连线联接起来。形成假想连线联接起来。形成晶格晶格。晶格中一个基本几何单元叫做:晶胞。晶格中一个基本几何单元叫做:晶胞。成形工艺基础材26 晶胞棱边长度为:晶格常数晶胞棱边长度为:晶格常数.1 1体心立方晶格体心立方晶格 bodycentere
5、d cubic lattice bcc bodycentered cubic lattice bcc 特点:特点:R Rm m强度强度较好。较好。如:如:912 Fe,Cr,Mo,V912 Fe,Cr,Mo,V等。等。2 2面心立方晶格面心立方晶格 facecentered cubic latticefcc facecentered cubic latticefcc 特点:特点:A A、Z Z 塑性较好。塑性较好。912 Fe,Cu,Al 912 Fe,Cu,Al 等金属等金属.成形工艺基础材27 3 3 密排六方晶格密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice h
6、exagonal closepacked lattice hcphcp.特点:硬度高、脆性大。特点:硬度高、脆性大。如:锌如:锌ZnZn,镁镁MgMg,镉镉CdCd等金属。等金属。三、纯铁的同素异构转变三、纯铁的同素异构转变 在固态下随温度发生变化,其晶格类型发生在固态下随温度发生变化,其晶格类型发生转变的现象转变的现象同素异构晶同素异构晶转变转变。广义上说同素异构转变也是结晶过程,遵循广义上说同素异构转变也是结晶过程,遵循生核与长大两规律;生核与长大两规律;成形工艺基础材28 也需要一定的过冷度;有结晶热效应。也需要一定的过冷度;有结晶热效应。又称:重结晶,二次结晶。又称:重结晶,二次结晶。
7、由于晶格结构的转变,金属随之有体积的涨由于晶格结构的转变,金属随之有体积的涨缩;金属内部产生应变。缩;金属内部产生应变。降温时降温时,体积膨胀;体积膨胀;,体积收缩。体积收缩。转变式转变式:-Fe-Fe-Fe-Fe-Fe-Fe成形工艺基础材2922铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 1.1.合金合金 alloy alloy 由两种或两种以上金属元素或者金属元素与由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。非金属元素组成的具有金属特性的物质。如:青铜、铸铁、铝合金等。如:青铜、铸铁、铝合金等。2.2.组元组元 constituent constituent 组成合
8、金的最基本的独立的物质称组元,简组成合金的最基本的独立的物质称组元,简称称“元。元。如:黄铜如:黄铜 Cu-Zn Cu-Zn;硬铝;硬铝 Al-Cu Al-Cu 等为二元合金。等为二元合金。成形工艺基础材210 3.3.相相 phase phase 指同一化学成分,同一结构并以界面互相分指同一化学成分,同一结构并以界面互相分开的均匀组成局部。如开的均匀组成局部。如 固相、液相等。固相、液相等。4.4.组织组织 structure structure 借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种形借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种形态、形貌特征的组成局部。态、形貌特征的组成局部。常见的合金的相结构有:
9、常见的合金的相结构有:固溶体、金属化合物和机械混合物三类型。固溶体、金属化合物和机械混合物三类型。成形工艺基础材211一、固溶体一、固溶体 solid solution 定义:溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一定义:溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。种均匀固体。如;糖水如;糖水 水水溶剂,糖溶剂,糖溶质。溶质。保持溶剂晶格;保持溶剂晶格;固溶体属于单相组织。固溶体属于单相组织。分类:分类:按溶质原子在溶剂中分布情况不同,按溶质原子在溶剂中分布情况不同,分分 置换固溶体和间隙固溶体两类置换固溶体和间隙固溶体两类 成形工艺基础材212 1 1置换固溶体置换固溶体溶质原子替换晶格上的原溶质原
10、子替换晶格上的原子子 2 2间隙固溶体间隙固溶体溶质原子溶入晶格原子间溶质原子溶入晶格原子间隙隙 特征:晶格类型不变,化学成分有限,性能特征:晶格类型不变,化学成分有限,性能发生变化。发生变化。结果:结果:造成晶格畸变,强度、硬度上升。造成晶格畸变,强度、硬度上升。这种现象称固溶强化。工程中广泛应用,这种现象称固溶强化。工程中广泛应用,如锰钢如锰钢16M16Mn n现称现称Q345Q345便为固溶结果。便为固溶结果。弱强化相弱强化相 成形工艺基础材213 碳可以溶入碳可以溶入-Fe-Fe、-Fe -Fe 等形成不同的固等形成不同的固溶体。溶体。1.1.铁素体铁素体F F 铁素体是铁素体是铁中溶
11、入一种或多种溶质元素构铁中溶入一种或多种溶质元素构成的固溶体。成的固溶体。727 727时时 Wc=0.0218%Wc=0.0218%;室温时;室温时 Wc=0.008 Wc=0.008.特点:塑性、韧性好,强度、硬度低。近特点:塑性、韧性好,强度、硬度低。近似纯铁似纯铁 其显微组织特征:其显微组织特征:成形工艺基础材214 正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色,在钢中的正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色,在钢中的形态多为不规则的形态多为不规则的多边形块多边形块,在接近共析成分的,在接近共析成分的钢中,往往呈网状或断续网状。钢中,往往呈网状或断续网状。2.2.奥氏体奥氏体 A A 【austenite au
12、stenite 英国金相学家】英国金相学家】奥奥氏氏体体是是铁铁中中溶溶入入碳碳和和或或其其他他元元素素构成的固溶体。构成的固溶体。其其强强度度和和硬硬度度比比铁铁素素体体高高,塑塑性性、韧韧性性也也好好。因此,钢材多数加热到奥氏体状态进行锻造。因此,钢材多数加热到奥氏体状态进行锻造。成形工艺基础材215 在在11481148时时 W Wc c2.112.11;在;在727727时时 W Wc c0.770.77 高高温温显显微微镜镜下下727727以以上上才才能能观观察察到到奥奥氏氏体组织。其晶粒呈多边形,且晶界体组织。其晶粒呈多边形,且晶界较铁素体较铁素体平直。平直。二、金属化合物二、金属
13、化合物 pound pound 合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属性质的新相。金属性质的新相。如如 Fe Fe与与CFeCFe3 3C C渗碳体是晶体结构属于渗碳体是晶体结构属于正正交交系,化学式为系,化学式为FeFe3 3C C的金属化合物的金属化合物,是钢和铸铁中是钢和铸铁中成形工艺基础材216 常见的固相。其硬度很高常见的固相。其硬度很高800HBW800HBW,塑性、,塑性、韧性很差,脆性很大。韧性很差,脆性很大。渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状和网状渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状和网状分布,主要起强化作用,它的形态、大小、数量分布,
14、主要起强化作用,它的形态、大小、数量和分布对钢和铸铁的性能有很大影响。和分布对钢和铸铁的性能有很大影响。相对固溶体,相对固溶体,FeFe3 3C C属于强强化相。属于强强化相。FeFe3 3C C在一定条件下可以分解,形成石墨。在一定条件下可以分解,形成石墨。反响式:反响式:Fe Fe3 3C 3FeC 3FeC C石墨石墨成形工艺基础材217三、机械混合物三、机械混合物 两相按固定比例构成的组织复合相,称两相按固定比例构成的组织复合相,称机械混合物。机械混合物。各相保持自己的晶格类型、性能特点各相保持自己的晶格类型、性能特点.如如:混混凝土凝土 强度、硬度适中。强度、硬度适中。目前钢铁材料中
15、大局部是这种组织。目前钢铁材料中大局部是这种组织。如如 铁碳合金中珠光体铁碳合金中珠光体P P;莱氏体;莱氏体L Ld d。1.1.珠光体珠光体 P pearlite P pearlite 是是F F与与FeFe3 3C C机械混合物,机械混合物,WWC C=0.77%=0.77%成形工艺基础材218 珠光体是铁素体薄层片与碳化物包括珠光体是铁素体薄层片与碳化物包括渗碳体薄层片交替重叠组成的渗碳体薄层片交替重叠组成的共析组织共析组织。记住:层片相间记住:层片相间 其性能介于铁素体和渗碳体之间,强度较高,其性能介于铁素体和渗碳体之间,强度较高,硬度适中,有一定的塑性。硬度适中,有一定的塑性。2.
16、2.莱氏体莱氏体 L Ld d 分高温莱氏体和低温莱氏体分高温莱氏体和低温莱氏体 A A与与FeFe3 3C C的机械混合物的机械混合物 称高温莱氏体,用符称高温莱氏体,用符号:号:L Ld d表示;表示;成形工艺基础材219 高温莱氏体冷却到高温莱氏体冷却到727727以下时,转变为:以下时,转变为:P+Fe P+Fe3 3C C 称低温莱氏体;称低温莱氏体;珠光体和渗碳体的复合物,又称珠光体和渗碳体的复合物,又称“变态莱氏变态莱氏体体L Ld d。其力学性能与渗碳体相近其力学性能与渗碳体相近,极为脆硬!极为脆硬!平均含碳量为平均含碳量为4.34.3。组织特征:白亮的渗碳体为基体,上面分布组
17、织特征:白亮的渗碳体为基体,上面分布着许多粒状、条状或不规则形状的黑色着许多粒状、条状或不规则形状的黑色珠光体珠光体。成形工艺基础材2203 3 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的多。铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的多。含碳量不同的铁碳合金结晶过程差异很大。含碳量不同的铁碳合金结晶过程差异很大。用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化;用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化;然后,使之极其缓慢的冷却,测出各成分的合金然后,使之极其缓慢的冷却,测出各成分的合金的冷却曲线;的冷却曲线;在横成分纵温度坐标图上连点描在横成分纵温度坐标图上连点描线,可得铁碳合金状态图。线,可得铁碳
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