第四章金屬的熱處理

1、登云科技職業(yè)學(xué)院 ——機(jī)電系,§4-1 合金的相結(jié)構(gòu) 合金：兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬和非金屬元素熔合在一起，構(gòu)成具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金。 組元：組成合金的元素，稱為組元。合金總的穩(wěn)定化合物也可作組元，例如Fe3C。 相：在合金中，凡化學(xué)成分和晶格構(gòu)造相同、并與其他部分有界面分開的均勻組成部分，稱為相。 例如：鋼液是液相。 組織：一種或多種相按一定方式相互

2、結(jié)合所構(gòu)成的整體。 相，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性分為固溶體和金屬化合物。 機(jī)械中大量使用合金的原因： 1.合金比純金屬強(qiáng)度、硬度高，且成本低； 2.可以改變合金的成分和進(jìn)行不同的熱處理在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其性能。,第四章 鐵碳合金,一、固溶體 溶劑和溶質(zhì):對鐵碳合金，一部分碳原子溶入到鐵的晶格內(nèi)，保持鐵的晶格，則鐵是溶劑，碳是溶質(zhì)。 固溶體:這種溶質(zhì)的原子進(jìn)入溶劑晶格，仍保持溶劑晶格類型的金

3、屬晶體，稱為固溶體。 固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。 1.置換固溶體：溶質(zhì)原子代替了一部分溶劑原子，占據(jù)了溶濟(jì)的某些節(jié)點(diǎn)。如Mn、Cr溶入鐵中形成置換固溶體。如圖4-1 圖4-1 置換固溶體,,2.間隙固溶體：溶質(zhì)的原子進(jìn)入溶劑晶格空隙部分，不占據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置。如圖4-2。如鋼種的碳溶入α－Fe中形成間隙固溶體。如果溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度有一定限度，叫有

4、限互溶。合金組元可以以任何比例互相溶解叫無限互溶。 圖4-2 間隙固溶體,,3.固溶體強(qiáng)化：形成固溶體時，溶劑的晶格產(chǎn)生不同程度的畸變，這種畸變使塑性變形阻力增加，表現(xiàn)為固溶體的強(qiáng)度、硬度增加，這種現(xiàn)象稱為固溶體強(qiáng)化。如圖4-3，4-4 圖4-3 鐵碳合金固溶體 圖4-4 間隙固溶體晶格畸變,

5、金屬化合物：組成合金的組元之間發(fā)生相互作用而形成的具有不同于原組元晶格結(jié)構(gòu)的一種具有金屬特性的新物質(zhì)。是金屬與金屬，或金屬與非金屬之間形成的具有金屬特性的化合物。黃銅中的CuZn,鐵碳合金中的滲碳體(Fe3C)。如圖4-5 金屬間化合物特點(diǎn):熔點(diǎn)高、硬而脆，它是許多合金的重要組成相，提高金屬的強(qiáng)度 、硬度、耐磨性，而塑性韌性降低。例如滲碳體Fe3C是金屬化合物硬度極高800HBS可以劃玻璃，塑性韌性極低，伸長率和沖擊韌性近于零

6、。 彌散強(qiáng)化：金屬化合物呈細(xì)小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上時,使合金的強(qiáng)度，硬度，耐熱性和耐磨性明顯提高的現(xiàn)象。,相圖：表示合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解。利用相圖能知道各種成分的合金在不同溫度下存在哪些相，各個相的成分及其相對量。 二元合金相圖：由兩組元組成的合金系構(gòu)成的相圖。一、二元相圖的建立 例：Cu－Ni二元合金相圖測定，如圖4-6 配置不同成分Cu－Ni二元合金(

7、L-液相，α－固相） 測定合金冷卻曲線，從冷卻曲線上找出臨界點(diǎn)（結(jié)晶開始與終了溫度），把各臨界點(diǎn)溫度標(biāo)注在坐標(biāo)中，連接各臨界點(diǎn)。,1.二元勻晶相圖：凡是二組元在液態(tài)和固態(tài)下均能完全相互溶解的二元合金相圖，如Cu－Ni、 Au-Ag、Fe-Ni。 相圖的分析：二元勻晶相圖有三個相區(qū)。兩個單相區(qū)，一個雙相區(qū)：AmB線以上為液相L；AnB線以下為α固溶體區(qū)；AmB線和AnB線之間為L＋α為雙相區(qū)。如圖4-7

8、 圖4-7 二元勻晶相圖,Al-Si合金相圖分析 相圖有三個相：液相L、固相Al和Si； 三個區(qū)：液相區(qū)L、 單相區(qū)（ Al+L）與（ Si +L)、雙相區(qū)(Al+Si ）如圖4-8 圖4-8 二元共晶相圖,3.二元共析相圖

9、：具有共析轉(zhuǎn)變的二元相圖。從一個固相中同時析出成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的兩種新的固相的轉(zhuǎn)變過程。 §4-3 鐵碳合金的結(jié)構(gòu)和相圖 鐵碳合金是以鐵為基礎(chǔ)的合金，也是鋼和鐵的總稱。一、鐵碳合金的基本組織 鐵碳合金的基本組元是Fe與Fe3C； 基本相有鐵素體、奧氏體和滲碳體三種； 基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體和低溫萊氏體六種。,1.鐵素體F：碳溶解

10、于α—Fe中形成的間隙固溶體，600℃時溶碳量為0.006％，727℃時0.0218％。因鐵素體溶碳量少，故固溶體強(qiáng)化作用甚微，其力學(xué)性能和純鐵相近，特征是強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。如圖4-9 2.奧氏體 A：奧氏體—碳溶入γ-Fe中形成的固溶體，呈面心立方。1148℃時最大溶碳量2.11％，在727℃時溶碳量為0.77％，鐵碳合金中奧氏體為高溫組織。奧氏體的力學(xué)性能和溶碳量有關(guān)，一般說，其強(qiáng)度不高，硬度不高，塑性優(yōu)良。鍛造和

11、軋制時為利于塑性變形，通常將鋼加熱到高溫，使之呈奧氏體狀態(tài)。如圖4-10 3.滲碳體Fe3C ：鐵與碳相互作用所形成的具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的金屬化合物。滲碳體的硬度極高（950～1050HV），可刻劃玻璃，但極脆，塑性、韌性幾乎為零。 。,4.珠光體P：鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。珠光體wc0.77％，強(qiáng)度(770MPa)較高，硬度（180～200HBS）適中，有一定的塑性（δ≈20％～35％）和韌性,綜

12、合力學(xué)性能較好。適于壓力加工及切削加工。相圖中珠光體是層片狀的組織。如圖4-12 光學(xué)顯微鏡觀察組織 電子顯微鏡觀察組織 圖4-12 珠光體顯微組織,5.萊氏體：分為高溫萊氏體和低溫萊氏體。 高溫萊氏體：奧氏體（A）和滲碳體(Fe3C)的混合物，用符號Ld表示。 727℃以上。 低溫萊氏體：室溫下的萊氏體，由珠光體(

13、P)和滲碳體(Fe3C)組成，用符號Ld′表示。 727℃以下。如圖4-13 萊氏體wc4.3％，F(xiàn)e3C 相對量也較多（約占64％以上），故萊氏體的性能與滲碳體相似，即硬而脆。 圖4-13 低溫萊氏體顯微組織,機(jī)械混合物：是在結(jié)晶過程中形成的兩相組織，例如可以是純金屬、固溶體、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各組成相之間，和各相的形狀、大小、和分

14、布有關(guān)。,鐵碳合金相圖：表示在平衡條件下，不同成分的鐵碳合金、在不同溫度下與組織或狀態(tài)之間關(guān)系的圖形。如圖4-14，4-15 圖4-14 簡化的鐵碳相圖,二、鐵碳合金的結(jié)構(gòu)和相圖,,鐵碳合金狀態(tài)圖的分析 1.四個單相區(qū)：1)液相（L） 2）奧氏體相（A） 3）鐵素體相（F）

15、 4）滲碳體相（Fe3C） 2.相圖中的特征點(diǎn) 見表1-1 表1-1 鐵碳合金狀態(tài)圖中各特征點(diǎn)的意義,,,,3.特性線 1）ACD線——液相線，用L表示，此線以上是液體，溫度降至此線開始結(jié)晶。 2）AECF線——固相線，合金溫度降至此線全部結(jié)晶成固態(tài)。 *注意液相線和固相線之間的區(qū)域：L+A和L+Fe3CI（一次滲碳體、初生滲碳體） *C點(diǎn)：溫度為1148

16、86;C含碳量為4.3％，發(fā)生共晶反應(yīng)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體，是一種機(jī)械混合物，稱為萊氏體，Ld，反應(yīng)式為： 1148ºC Lc ------- Ld（A+Fe3C） 3）ECF線—共晶線，含碳量為2.11％～6.639％得所有合金（即鑄鐵）經(jīng)此線都要發(fā)生共晶反應(yīng)，形成一定量的萊氏體，只有C點(diǎn)全部結(jié)晶為萊氏體。,4）GS線——常用A3表示，溫度降至

17、此線奧氏體析出鐵素體，這是同素異晶轉(zhuǎn)變的結(jié)果。 5）ES線——碳在奧氏中的溶解度曲線，常用Acm表示，溫度越低，奧氏體的溶碳量越小，過飽和的碳將以滲碳體的形式析出 6）PSK線——共析線，當(dāng)S點(diǎn)成分的奧氏體冷卻到PSK線時，發(fā)生共析反應(yīng)，同時析出鐵素體和滲碳體，合稱珠光體P。反應(yīng)式為： 727ºC As P(F+Fe3C),,

18、,,*注意各種成分的鐵碳合金冷卻到PSK線時都要發(fā)生共析反應(yīng)，除S點(diǎn)外，其他的合金都將形成一定量的珠光體。 7）PQ線——碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵素體冷卻到此線，將以Fe3C形式析出過飽和的碳，形成的滲碳體，稱為三次滲碳體Fe3CIII，三次滲碳體數(shù)量極少，對鋼鐵性能影響一般可忽略不計(jì)。 4.相圖中五個兩相區(qū)：L+A、L+ Fe3C 、A+F 、A+ Fe3C 、F+ Fe3C 5.兩個三相共存區(qū)：L+A+

19、Fe3C 、A+F+ Fe3C 6.鐵碳相圖中鐵碳合金的分類 分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵。 1）工業(yè)純鐵：wC＜0.0218%的鐵碳合金，其室溫組織：鐵素體。,2） 鋼：含碳量小于2.11％的鐵碳合金，按室溫組織不同又可分為三類，以0.77％為界： 共析鋼：成分為0.77%C的鐵碳合金，室溫組織：珠光體； 亞共析鋼：成分為0.0218~0.77%C的鐵碳合金，室溫組織：鐵素體+珠光體；

20、 過共析鋼：成分為0.77~2.11%C的鐵碳合金，室溫組織：珠光體+二次滲碳體。 3)鑄鐵:即生鐵 含碳量為2.11％～6.69％的鐵碳合金，安室溫組織的不同，分為三類： 共晶白口鑄鐵：4.3%C的鐵碳合金，室溫組織：變態(tài)萊氏體； 亞共晶白口鑄鐵：成分為2.11~4.3%C的鐵碳合金，室溫組織：變態(tài)萊氏體+珠光體+二次滲碳體； 過共晶白口鑄鐵：成分為4.3~6.69%C的鐵碳合金，室溫組織：變態(tài)

21、萊氏體+一次滲碳體 。,三、典型成分合金平衡結(jié)晶過程分析 圖4-16 典型成分合金平衡結(jié)晶過程,1.共析鋼：室溫組織珠光體。如圖4-17 圖4-17 共析鋼結(jié)晶過程,2.亞共析鋼：室溫組織鐵素體和珠光體。如圖4-18 圖4-18 亞共析鋼結(jié)晶過程 3

22、.過共析鋼 ：室溫組織珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體。如圖4-19 圖4-19 過共析鋼結(jié)晶過程,4.共晶白口鑄鐵：室溫組織：珠光體+二次滲碳體+共晶滲碳體，即變態(tài)萊氏體（L’d）。如圖4-20 圖4-20 共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程 5.亞共晶白口鑄鐵:室溫組織珠光體、二次滲碳體和變態(tài)萊氏體 。如圖

23、4-21 圖4-21 亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程,6.過共晶白口鑄鐵:室溫組織一次滲碳體+變態(tài)萊氏體 。如圖4-22 圖4-22 過共晶白口鑄鐵,1.鐵碳合金成分與組織間的關(guān)系 如圖4-23 圖4-23 鐵碳合金的相組成物、組織組成物的相對含量與含碳量關(guān)系,,2.含碳量對鐵碳合金力學(xué)性能的影響wC＜0.9%時，含碳量?