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工程 材料 基础
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第1章 工程材料基础 1.1金属材料的性能 1.2晶体的结构、金属结晶、二元合金晶体结构 1.3 铁碳合金 1.4 钢的热处理 1.5 工程材料简介材 料 是 人 类 用 来 制 作 各 种 产 品 的 物 质 。 机 械 工 程 中 使 用 的 材 料 常 按 化 学 组 成 分 为 金 属 材 料 、 高 分 子 材 料 、 陶 瓷 材 料 三 大 类 。第一节 工程材料的性能 材 料 性 能 的 决 定 因 素 : 化 学 成 分 、 内 部 组 织 和 状 态 。 其 中 “ 化 学 成 分 ” 是 改 变 性 能 的 基 础 , “ 处 理 ” 是 改 变 性 能 的 手 段 , “ 组 织 ” 是 性 能 变 化 的 根 据 。 在工程材料领域,力学性能是工程材料的 重 要 性 能 。 力 学 性 能 ( 或 机 械 性 能 , Mechanical Performance)是指材料受到外加 载荷作用时,所反映出来的固有性能。一、强度 强度(Strength)是指材料抵抗由外力载荷所 引起的应变或断裂的能力,外力载荷方式不同, 描述强度的指标也不同。 (一)抗拉强度 塑性较好的金属或高分子材料常用抗拉强度 衡量其抵抗破坏的能力,它是通过标准试样在拉 伸试验机上通过拉伸试验测出来的。图1-1为低 碳钢拉伸试样的形状和尺寸示意图。1、金属材料抗拉强度 图1-2a为低碳钢的拉伸曲线。 图1-2b为不同金属材料的应力-应变拉伸曲线图。 抗拉强度是表示材料在拉伸过程中单位面积所能承受 的最大拉伸力,用 σ b (单位MPa)表示,计算方法为: σ b =P b /A 0 式中:P b ——试样拉伸时的最大拉力(N) A 0 ——试样的原始载面积(m 2 ) 屈服强度是工程材料在外力作用下开始产生屈服时单 位面积所能承受的最大拉伸力。用σs表示,计算方法为: σ s =Ps/A 0 式中:Ps ——试样产生屈服现象时的对应载荷(N)。 2、高分子材料抗张(拉)强度 图1-3为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。(二)抗折(弯)强度 图1-4(a) ,1-4(b)分别为三点、四点弯曲 加载示意图 其中三点弯曲抗折强度计算公式为: 式中,P为断裂载荷(N),L为下支点间跨距 (mm),b为试样的宽度(mm),h为试样的厚 度(mm)。强度单位为MPa。 2 2 3 bh PL f = s二、塑性 工程材料的塑性(plasticity)是指工程材料 在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 对应拉伸变形,通常用两种方式来表示,即伸长 率(δ)和断面收缩率(Ψ)。 δ=(L 1 -L 0 )/L0×100% Ψ=(A 0 -A 1 )/A0×100% 式中L 0 --试样标距的原始长度; L 1 --试样拉断瞬间标距的实际长度; A 0 --试样原始截面积; A 1 --试样断囗处的截面积。三、冲击韧度 冲击韧度是指被冲击试件在一次冲击试验时 被冲断所吸收的能量A k 除以原试件的最小横截面 积A 0 所得的值。用符号a k (单位为J/m)表示。工 程上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧度,图 1-5为试验示意图 a k =A K /A 0 式中 A K --摆锤对冲击试样做的功(J); A 0 --试样缺口处截面积(cm 2 )。四、疲劳强度 图1-6列出了几种变动载荷示意图。 疲劳强度(fatigue strength)是工程材料 承受规定循环次数(常取10 6 -10 7 )而不失效 的最大应力,用σγ 表示。下标γ表示应力 循环对称系数,由下式确定: γ=σ min /σ max 式中σ min --循环应力中数值最小的应力; σ max --循环应力中数值最大的应力。 试样承受不同的应力幅σ a [σ a =(σ max - σ min )/2]与循环断裂周次N之间的关系曲线, 称疲劳曲线,如图1-7所示。五、硬度 硬度(Hardness)是指更硬的 外来物体作用于固体材料上时, 固体材料抵抗塑性变形、压入 或压痕的能力。六、断裂韧性 断裂韧性K IC 是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量,是材料抵抗低应力 脆性断裂的能力。 K IC 主要用于脆性材料,断裂韧性的测量方法与抗折强度 测量方法相类似(见图1-11)。不同之处是在弯曲试样中部预制一个0.1mm 左右宽的小口,以模拟材料内部微裂纹的一半,然后加载后测量其断裂韧性 K IC 。K IC 计算公式: Y--是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数 σ c --裂纹失稳扩展的应力,即断裂应力. a--材料内部裂纹长度的一半 韧 性 , 表 示 材 料 在 塑 性 变 形 和 断 裂 过 程 中 吸 收 能 量 的 能力 a Y K c Ic s =物 理 性 能 指 不 发 生 化 学 反 应 就 能 表 现 出 来 的 性 能 , 如 密 度 、 熔 点 、 导 热 性 、 导 电 性 、 热 膨 胀 性 和 磁 性 等 。 七 、 金 属 材 料 的 物 理 和 化 学 性 能 化 学 性 能 是 材 料 在 化 学 介 质 的 作 用 下 所 表 现 出 来 的 性 能 。 如 材 料 的 耐 腐 蚀 性 能 、 抗 氧 化 性 能 和 化 学 稳 定 性 能 等 。1 ) 导 热 性 。 指材料传导热量的能力用导热系数表示, 当温度垂直梯度为1℃/m 时,单位时间内通过单位水平 截面积所传递的热量 。 与 热 有 关 的 性 能 2 ) 热 容 。 指 材 料 在 加 热 时 能 吸 收 热 量 , 冷 却 时 能 放 出 热 量 的 性 质 , 单 位 质 量 材 料 每 升 高 一 度 所 需 要 的 热 量 称 为 比 热 容c(J/kg·K) 。 3 ) 耐 热 性 。 指 材 料 长 期 在 热 环 境 下 抵 抗 热 破 坏 的 能 力 。 4 ) 耐 燃 性 。 指 材 料 对 火 焰 和 高 温 的 抵 抗 性 能 ; 可 分 为 不 燃 材 料 、 难 燃 材 料 , 易 燃 材 料 。 5 ) 耐 火 性 。 指 材 料 长 期 抵 抗 高 热 而 不 熔 化 的 性 能 , 耐 熔 性 , 耐 火 材 料 还 应 不 变 形 , 能 承 载 ; 分 为 耐 火 材 料 、 难 熔 材 料 、 易 熔 材 料 。八 、 金 属 材 料 的 工 艺 性 能 金 属 材 料 的 工 艺 性 能 指 金 属 材 料 适 应 加 工 工 艺 要 求 的 能 力 。 按 工 艺 方 法 的 不 同 , 可 分 为 铸 造 性 能 、 锻 造 性 能 、 焊 接 性 能 、 切 削 加 工 性 能 和 热 处 理 性 能 。1 ) 铸 造 性 能 。 指 利 用 金 属 的 可 熔 性 将 其 熔 化 后 , 注 入 铸 型 制 成 铸 件 的 难 易 程 度 , 包 括 金 属 液 体 的 流 动 性 和 收 缩 性 。 2 ) 锻 造 性 能 。 指 金 属 材 料 在 锻 造 过 程 中 承 受 压 力 加 工 而 具 有 的 塑 性 变 形 能 力 。 3 ) 焊 接 性 。 指 材 料 被 焊 接 的 难 易 性 质 。 4 ) 切 削 加 工 性 。 表 示 对 材 料 进 行 切 削 的 难 易 程 度 , 可 用 切 削 抗 力 的 大 小 、 加 工 表 面 质 量 、 排 屑 的 难 易 程 度 和 切 削 刀 具 的 寿 命 来 衡 量 。 5 ) 热 处 理 工 艺 性 。 指 标 有 淬 硬 性 、 淬 透 性 、 淬 火 变 形 与 淬 裂 、 表 面 氧 化 与 脱 碳 、 过 热 与 过 烧 、 回 火 稳 定 性 与 脆 性 。低 碳 钢 拉伸试样示意图低 碳 钢 拉伸曲线示意图不 同 金 属的应力- 应变拉伸曲线图聚 合 物 应力应变图三 点 弯 曲加载示意图三 点 弯 曲加载示意图冲 击 韧 性实验示意图变 载 荷 示意图疲 劳 曲 线图断 裂 韧 性测量示意图第2节 金 属 材 料 的 结 构 1 ) 晶 体 。 其 内 部 原 子 在 空 间 作 有 规 则 的 排 列 , 如 食 盐 、 金 刚 石 等 ; 纯 金 属 及 合 金 均 属 于 晶 体 。 2 ) 非 晶 体 。 其 内 部 原 子 杂 乱 无 章 地 不 规 则 的 堆 积 , 如 玻 璃 、 沥 青 等 。 一 、 金 属 的 晶 体 结 构 3 ) 晶 体 结 构 。 指 晶 体 中 原 子 排 列 的 方 式 , 如 图 2 - 1 a 所 示 。 4 ) 晶 格 。 把 晶 体 内 的 每 一 个 原 子 看 成 一 个 小 球 , 把 这 些 小 球 用 线 条 连 接 起 来 , 形 成 一 个 空 间 格 架 , 这 种 空 间 格 架 叫 晶 格 , 如 图 2 - 1 b 所 示 。 5 ) 晶 胞 。 晶 格 的 最 小 几 何 组 成 单 元 , 如 图 2 - 1 c 所 示 。晶 体 点 阵和晶胞示意图6 ) 晶 格 常 数 。 晶 胞 中 各 棱 边 的 长 度 , 单 位 为 ÷ ? ? ? è ? = - m 10 A 1 A 10 0 0 7) 金 属 中 常 见 的 晶 体 结 构 体 心 立 方 晶 格 : 晶 胞 是 一 个 正 六 方 体 , 立 方 体 的 八 个 角 上 和 立 方 体 的 中 心 各 有 一 个 原 子 , 如 图 1 - 2 a 。 其 原 子 个 数 为 : , 如 铬 、 钠 等 。 2 1 8 8 / 1 = + ′面 心 立 方 晶 格 : 晶 胞 是 一 个 正 六 方 体 , 立 方 体 的 八 个 角 上 和 立 方 体 的 六 个 面 的 中 心 各 有 一 个 原 子 , 如 图 。 其 原 子 个 数 为 : , 如 铝 , 铜 等 。 4 6 2 / 1 8 8 / 1 = ′ + ′密 排 六 方 晶 格 : 晶 胞 是 一 个 正 六 方 柱 体 , 在 六 方 柱 体 的 十 二 个 角 上 和 上 、 下 底 面 的 中 心 各 有 一 个 原 子 , 在 上 、 下 底 面 之 间 还 均 匀 分 布 着 三 个 原 子 如 图 示 , 如 镁 、 锌 等 。 6 3 2 2 / 1 12 6 / 1 = + ′ + ′4.多晶结构(多晶体) 大块金属材料通常是由许多小晶体组成的, 如图。5.晶体缺陷 (1)点缺陷 常见的点缺陷有三种,即空位、间隙原子和 置换原子,如图所示。5.晶体缺陷 (2)线缺陷 刃型位错是一种比较典型的线缺陷,其结构 特点如图所示。 (3)面缺陷二 、 金 属 的 结 晶 1、 结 晶 。 指 金 属 的 原 子 由 近 程 有 序 状 态 ( 液 态 ) 转 变 成 长 程 有 序 状 态 ( 晶 态 ) 的 过 程 。 2 、 纯 金 属 结 晶 的 冷 却 曲 线 。 金 属 液 非 常 缓 慢 的 冷 却 时 , 记 录 温 度 随 时 间 而 变 化 的 曲 线 , 如 图 所 示 。 出 现 水 平 线 段 的 原 因 是 结 晶 时 放 出 大 量 的 结 晶 潜 热 , 补 偿 了 金 属 向 周 围 散 失 的 热 量 。 3 、 过 冷 。 在 实 际 结 晶 过 程 中 , 金 属 液 只 有 冷 却 到 理 论 结 晶 温 度 ( 熔 点 ) 以 下 的 某 个 温 度 时 才 结 晶 的 现 象 。 理 论 结 晶 温 度 和 实 际 结 晶 温 度 之 间 的 温 度 差 叫 过 冷 度 , 它 与 冷 却 速 度 有 关 , 冷 却 越 快 , 过 冷 度 越 大 。 0 T n T T D 冷 却 曲 线 图4 、 结 晶 过 程 。 晶 体 形 核 和 成 长 过 程 。 如 图 所 示 , 在 液 体 金 属 开 始 结 晶 时 , 在 液 体 中 某 些 区 域 形 成 一 些 有 规 则 排 列 的 原 子 团 , 成 为 结 晶 的 核 心 , 即 晶 核 ( 形 核 过 程 ) 。 然 后 原 子 按 一 定 规 律 向 这 些 晶 核 聚 集 , 而 不 断 长 大 , 形 成 晶 粒 ( 成 长 过 程 ) 。 在 晶 体 长 大 的 同 时 , 新 的 晶 核 又 继 续 产 生 并 长 大 。 当 全 部 长 大 的 晶 体 都 互 相 接 触 , 液 态 金 属 完 全 消 失 , 结 晶 完 成 。 由 于 各 个 晶 粒 成 长 时 的 方 向 不 一 , 大 小 不 等 , 在 晶 粒 和 晶 粒 之 间 形 成 界 面 , 称 为 晶 界 。 在晶界处,晶粒之间的晶向和晶面均不相同。 ? 晶 向 : 晶 体 中 质 点 的 位 置 、 质 点 列 ( 在 一 个 方 向 上 的 质 点 , “ 可 用 一 条 线 串 起 来 的 质 点 ” ) 的 方 向 ? 晶 面 : 阵 点 ( 晶 粒 中 有 序 排 列 的 原 子 、 离 子 、 分 子 等 质 点 ) 构 成 的 平 面a) d) c) b) 液态金属的结晶过程示意图5 ) 单 晶 体 。 结 晶 后 , 每 个 晶 核 长 成 为 一 个 晶 体 , 称 为 单 晶 体 。 6 ) 多 晶 体 。 由 许 多 外 形 不 规 则 、 大 小 不 等 、 排 列 位 向 不 同 的 小 颗 粒 晶 体 组 成 。 在 多 晶 体 中 , 这 些 小 颗 粒 晶 体 叫 晶 粒 ; 晶 粒 与 晶 粒 之 间 的 界 面 叫 晶 界 。 晶 粒 的 大 小 影 响 材 料 的 力 学 、 物 理 、 化 学 性 能 , 一 般 情 况 下 , 晶 粒 越 细 , 强 度 和 硬 度 越 高 , 塑 性 和 韧 性 越 好 。 因 为 晶 粒 越 细 小 , 晶 界 就 多 , 晶 界 处 的 晶 体 排 列 极 不 规 则 , 界 面 犬 牙 交 错 , 互 相 咬 合 , 因 而 加 强 了 金 属 之 间 的 结 合 力 。 7 ) 细 晶 强 化 。 用 细 化 晶 粒 的 方 法 来 提 高 金 属 材 料 的 力 学 性 能 。 金 属 凝 固 后 的 晶 粒 大 小 与 凝 固 过 程 中 形 核 的 多 少 和 晶 核 长 大 速 度 有 关 , 晶 核 越 多 , 长 大 速 度 越 慢 , 晶 粒 越 细 。 而 过 冷 度 越 大 , 产 生 的 晶 核 越 多 , 晶 核 多 , 每 个 晶 核 长 大 受 到 制 约 , 形 成 的 晶 粒 就 越 细 小 。 8 ) 金 属 的 细 晶 强 化 方 法 。 增 加 过 冷 度 、 变 质 处 理 、 附 加 振 动 。二 、 合 金 的 晶 体 结 构 1 . 固 溶 体 合 金 在 固 态 下 溶 质 原 子 溶 入 溶 剂 , 仍 保 持 溶 剂 晶 格 。 根 据 固 溶 体 晶 格 中 溶 剂 与 溶 质 原 子 的 相 互 位 置 的 不 同 , 可 分 为 置 换 固 溶 体 ( 如 黄 铜 ) 和 间 隙 固 溶 体 ( 如 铁 素 体 和 奥 氏 体 ) , 如 图 所 示 。 合 金 是 指 由 两 种 或 两 种 以 上 的 金 属 元 素 或 金 属 元 素 和 非 金 属 元 素 , 通 过 熔 化 或 其 它 方 法 结 合 而 成 的 具 有 金 属 特 性 的 物 质 。 组 元 ( 组 分 , 基 于 化 学 角 度 而 言 ) 是 组 成 合 金 的 最 基 本 的 、 独 立 的 单 元 。 组 元 可 以 是 金 属 元 素 、 非 金 属 元 素 或 化 合 物 ( 如 渗 碳 体 ) 。 相 , 成 分 相 同 、 结 构 相 同 、 性 能 均 匀 , 并 与 其 他 部 分 以 界 面 分 开 的 均 匀 组 成 部 分 ( 基 于 化 学 、 组 织 结 构 、 性 能 而 言 ) 。 按 照 晶 格 结 构 的 基 本 属 性 , 固 态 合 金 的 相 可 以 分 为 固 溶 体 、 金 属 化 合 物 。固 溶 强 化 : 当 溶 质 原 子 溶 解 在 溶 剂 晶 体 中 时 , 溶 剂 的 晶 格 将 发 生 畸 变 , 晶 格 常 数 发 生 变 化 。 原 子 尺 寸 相 差 大 , 化 学 性 质 不 同 , 都 使 畸 变 增 大 . 融 入 固 溶 体 中 的 原 子 造 成 晶 格 畸 变 , 晶 格 畸 变 增 大 了 位 错 运 动 的 阻 力 , 使 塑 性 变 形 更 加 困 难 , 从 而 使 合 金 固 溶 体 的 强 度 与 硬 度 增 加 。 这 种 通 过 形 成 固 溶 体 使 金 属 强 化 的 现 象 称 为 固 溶 强 化 。 ( 如 钢 和 铁 ) 固 溶 体 的 晶 格 畸 变2 . 金 属 化 合 物 组 成 合 金 的 元 素 相 互 化 合 形 成 一 种 新 的 晶 格 组 成 的 物 质 。 它 的 晶 体 结 构 与 性 能 , 和 原 两 组 元 都 不 同 , 如 渗 碳 体 就 是 铁 和 碳 组 成 的 晶 格 复 杂 的 碳 化 物 , 一 般 具 有 高 硬 度 和 高 脆 性 。 C Fe 3 3 . 机 械 混 合 物 由 两 种 或 两 种 以 上 的 组 元 、 固 溶 体 或 金 属 化 合 物 按 一 定 重 量 比 例 组 成 的 均 匀 物 质 称 为 机 械 混 合 物 。 混 合 物 中 各 组 成 部 分 仍 按 自 己 原 来 的 晶 格 形 式 结 合 成 晶 体 , 如 铁 素 体 和 渗 碳 体 形 成 珠 光 体 。 混 合 物 的 性 能 取 决 于 组 成 混 合 物 的 各 部 分 的 性 能 , 及 其 数 量 、 大 小 、 分 布 和 形 态 。三.二元合金相图(Phase Diagram) 对于单一的一种合金(某一比例组元的合金), 我们可以通过冷却曲线来描述温度与时间的关系,研 究相之间的平衡。 然而,对于整个合金体系(不同比列组元的合 金),例如Fe-C合金体系,不同成分、不同温度时相 或组织的组成及其变化规律,仅仅靠冷却曲线方法是 不够的,可以考虑用一系列的冷却曲线来分析。 将同一合金体系的不同冷却曲线组合在一起,组 成合金相图(又称状态图、平衡图),用来描述合金 在平和条件下,不通过成分、不同温度时相或组织的 组成及其变化规律。三.二元合金相图(Phase Diagram) 1.相图的建立方法与步骤 以铜镍(Cu-Ni)为例 (1)配制一系列成分不同的合金。 (2) 作出各种不同成分合金的冷却曲线,并找出 冷却曲线上相变点(转折点)的温度,如图a)所示。1.相图的建立方法与步骤 (3)以温度为纵座标、成分为横座标建立一个 直角座标系,将相变点分别标在这个座标系上,如图。 (4)把具有相同意义的各相变点连成曲线,即 将所有上相变点相连,所有下相变点相连,则构成了 图所示的Cu-Ni二元合金相图。2.匀晶相图(两组元在固态下互溶,结晶成单 一的相) Cu-Ni合金相图既是匀晶相图, 如图 所示。3.共晶相图(两组元在固态下不能互溶,在一 定温度下结晶出两种具有不同成分的相固(体) 相) 下图为Pb-Sn二元共晶相图。第3节 铁 碳 合 金 Fe α Fe γ Fe δ C 912 C 1394 C 1538 0 0 0 - ? ? ? ? - ? ? ? ? - ? ? ? ? 纯 铁 液 体 ( 体 心 立 方 晶 格 ) ( 面 心 立 方 晶 格 ) ( 体 心 立 方 晶 格 ) 一 、 铁 碳 合 金 的 基 本 组 织 和 性 能 1. 铁 的 同 素 异 晶 转 变 金 属 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 构 转 变 如 下 所 示 。2 . 铁 素 体 ( F ) 碳 溶 于 中 的 固 溶 体 , 它 保 持 体 心 立 方 晶 格 结 构 。 溶 解 度 ( 0 .0 0 8 % 0 . 0 2 % ) , 故 性 质 接 近 纯 铁 , 强 度 、 硬 度 低 , 塑 性 、 韧 性 好 。 Fe α- 3 . 奥 氏 体 ( A ) 碳 溶 于 中 固 溶 体 , 保 持 面 心 立 方 晶 格 结 构 。 溶 解 度 ( 0 . 7 7 % 2 . 1 1 % ) , 其 强 度 和 硬 度 略 高 于 铁 素 体 , 塑 性 、 韧 性 较 好 。 Fe γ- 4 . 渗 碳 体 ( F e 3 C ) 铁 和 碳 组 成 的 金 属 化 合 物 , 复 杂 斜 方 晶 体 结 构 。 含 碳 量 为 6 . 6 9 % , 其 硬 度 很 高 , 塑 性 、 韧 性 几 乎 为 零 , 脆 性 极 大 , 在 一 定 条 件 下 分 解 为 铁 和 石 墨 。6 . 莱 氏 体 L d 莱 氏 体 在 7 2 7 0 C 以 上 , 由 奥 氏 体 与 渗 碳 体 组 成 的 机 械 混 合 物 , 称 为 高 温 莱 氏 体 L d ; 在 7 2 7 0 C 以 下 , 该 组 织 转 变 为 由 珠 光 体 与 渗 碳 体 组 成 的 机 械 混 合 物 , 称 为 低 温 莱 氏 体 L d ’ 。 其 力 学 性 能 与 渗 碳 体 相 似 , 硬 度 较 高 , 脆 性 较 大 。 5 . 珠 光 体 P 珠 光 体 是 铁 素 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 。 珠 光 体 强 度 较 高 , 塑 性 、 韧 性 和 硬 度 介 于 渗 碳 体 和 铁 素 体 之 间 。二 、 铁 碳 合 金 相 图 铁 碳 合 金 相 图 : 表 示 在 平 衡 状 态 下 铁 碳 合 金 的 化 学 成 分 、 相 、 组 织 与 温 度 的 关 系 图 。 利 用 它 可 以 研 究 钢 和 铸 铁 的 内 部 组 织 及 其 变 化 规 律 , 从 而 为 更 好 的 利 用 它 们 , 并 为 制 定 热 处 理 、 压 力 加 工 等 工 艺 规 程 打 下 基 础 。 在 工 程 中 一 般 研 究 的 铁 碳 合 金 状 态 图 实 际 上 都 是 铁 与 渗 碳 体 两 组 元 构 成 的 状 态 图 。 钢 : 含 碳 量 小 于2.11% 的 铁 碳 合 金 ; 铸 铁 : 含 碳 量 大 于2.11% 的 铁 碳 合 金 。二、铁碳合金相图 1.铁碳合金的基本相 (1)铁素体 碳原子溶于α-Fe中形成间隙 固溶体,原子排列仍为体心立方点阵,该结构即 为铁素体,用F或α表示。 (2)奥氏体 碳原子若溶于γ-Fe中,形成 间隙固溶体,仍保持面心立方晶体结构,该结构 称为奥氏体,用A或γ表示。 (3)渗碳体 是铁和碳的化合物,含碳量为 6.69 wt%,晶体结构复杂,呈复杂斜方晶体结 构。 2.铁碳合金相图分析 下图为简化的铁碳合金相图。相图中各主要 特征点均具有重要含义,连接各特征点将组成特 征线,特征线则将相图分成特征区,点、线、面 及其含义。相 图 上 的 特 性 线 和 点 如 下 : 2) A E C F 线 ( 固 相 线 ) 。 当 合 金 冷 却 到 此 线 时 , 金 属 液全 部 结 晶 为 固 相 , 在 此 线 以 下 区 域 为 固 相 。 1 ) A C D 线 ( 液 相 线 ) 。 当 金 属 液 冷 却 到 此 线 时 开 始 结 晶 , 在 此 线 以 上 区 域 为 液 相 。 由 于 图 中 左 上 角 部 分 在 实 用 中 用 处 不 大 , 故 不 予 分 析 。 3) A 点 。 纯 铁 的 熔 点 ( 1 5 3 8 0 C ) 。 4 ) D 点 。 渗 碳 体 的 熔 点 ( 1 2 2 7 0 C ) 。 5 ) C 点 。 共 晶 点 , 温 度 1 1 4 8 0 C , 成 分 4 . 3 % C 。 共 晶 : 指 合 金 在 一 定 的 条 件 ( 温 度 、 成 分 ) 下 , 由 液 体 合 金 中 同 时 结 晶 出 两 种 不 同 的 晶 体 , 而 形 成 一 种 特 殊 的 共 晶 体 组 织 的 转 变 。 即( ) 6.69%C 3 2.11%C 4.3%C C 1148 4.3%C C Fe A Ld L 0 + ? ? ? ? 6 ) E C F 线 ( 共 晶 线 ) 。 含 碳 量 在 2 . 1 1 % ~ 6 . 6 9 % 的 铁 碳 合 金 , 冷 却 到 此 线 时 ( 1 1 4 8 度 ) , 将 发 生 共 晶 反 应 , 同 时 结 晶 出 奥 氏 体 和 渗 碳 体 的 共 晶 混 合 物 莱 氏 体 。 7 ) E S 线 。 是 碳 在 中 的 溶 解 度 曲 线 , E 点 表 示 在 1 1 4 8 0 C 时 碳 在 中 的 最 大 溶 解 度 为 2 . 1 1 % 。 随 着 温 度 降 低 , 溶 解 度 下 降 , 即 含 碳 量 大 于 0 . 7 7 % 的 奥 氏 体 冷 却 过 程 中 都 将 从 奥 氏 体 中 析 出 渗 碳 体 ( 次 生 渗 碳 体 ) , 常 称 为 A c m 线 Fe γ- Fe γ- 8 ) G S 线 。 是 冷 却 过 程 不 同 含 碳 量 的 奥 氏 体 中 析 出 铁 素 体 的 转 变 线 , 常 称 为 A 3 线 。1 0 ) P S K 线 ( 共 析 线 ) 。 含 碳 量 在 0 . 0 2 % ~ 6 . 6 9 % 的 铁 碳 合 金 , 冷 却 到 此 线 时 ( 7 2 7 0 C ) , 将 发 生 共 析 反 应 , 从 奥 氏 体 中 同 时 结 晶 出 铁 素 体 和 渗 碳 体 的 共 析 混 合 物 珠 光 体 。 即 A 1 线 。 9 ) S 点 。 共 析 点 , 温 度 7 2 7 0 C , 成 分 0 . 7 7 % 。 共 析 转 变 : 指 合 金 在 一 定 条 件 下 , 由 一 种 固 相 转 变 成 两 个 固 相 的 机 械 混 合 物 的 过 程 。 即 : ( ) 6.69%C 3 0.02%C 0.77%C 727 0.77%C C Fe F P A 0 + ? ? ? ? C3. 铁 碳 合 金 的 组 织 转 变 工 业 纯 铁 含 碳 量 小 于 0 . 0 2 1 8 % 的 铁 碳 合 金 , 钢 含 碳 量 在 0 . 0 2 1 8 % ~ 2 . 1 1 % 的 铁 碳 合 金 , 共 析 钢 含 碳 量 等 于 0 . 7 7 % , 亚 共 析 钢 含 碳 量 小 于 0 . 7 7 % , 过 共 析 钢 含 碳 量 位 于 0 . 7 7 % ~ 2 . 1 1 % , 白 口 铸 铁 含 碳 量 在2.11% ~6.69% 的 铁 碳 合 金 共 晶 白 口 铸 铁 含 碳 量 等 于4.3% , 亚 共 晶 白 口 铸 铁 含 碳 量 位 于2.11%~4.3% 过 共 晶 白 口 铸 铁 含 碳 量 位 于4.3% ~6.69%3.1.钢 的 结 晶 过 程 为 方 便 起 见 , 按 照 铁 碳 合 金 的 分 类 , 把 相 图 分 为 钢 和 白 口 铁 两 部 分 ; 如 图 为 经 过 简 化 的 钢 的 铁 碳 合 金 相 图 。 下 面 分 析 其 结 晶 过 程 : 1) 共 析 钢 ( 如 图I 号 合 金 ) 的 结 晶 过 程 ( ) C Fe F P A A L L 3 727 t t t 0 3 2 1 + ? ? ? ? ? ?? ? + ?? ? = C 其 室 温 组 织 为 珠 光 体 , 为 层 片 状 组 织 , 具 有 较 高 的 强 度 =800MPa , 硬 度 HBS=230,塑 性 较 低 =12% 。 b s d 钢 的 铁 碳 合 金 相 图 0.77 2.11 C%2 ) 亚 共 析 钢 ( 如 图II 号 合 金 ) 的 结 晶 过 程 F A A A L L 3 2 1 t t t + ?? ? ?? ? + ?? ? ( ) C Fe F P F 3 727 t 0 4 + + ? ? ? ? ? = C 其 室 温 组 织 为 铁 素 体 加 珠 光 体, 其 性 能 介 于 铁 素 体 和 珠 光 体 之 间 ; 随 含 碳 量 升 高 , 珠 光 体 量 增 多 , 故 强 度 硬 度 增 加 , 塑 性 韧 性 下 降 。 3 ) 过 共 析 钢 ( 如 图III 号 合 金 ) 的 结 晶 过 程 II 3 t t t C Fe A A A L L 3 2 1 + ?? ? ?? ? + ?? ? ( ) C Fe F P C Fe 3 II 3 727 t 0 4 + + ? ? ? ? ? = C 其 室 温 组 织 为 渗 碳 体 加 珠 光 体 , 随 含 碳 量 升 高 , 渗 碳 体 量 增 多 , 故 硬 度 增 加 , 韧 性 下 降 。 钢 的 铁 碳 合 金 相 图 0.77 2.11 C%铸 铁 根 据 含 碳 量 的 不 同 可 分 为 共 晶 白 口 铸 铁 ( 4.3%C ) 、 亚 共 晶 白 口 铸 铁 ( 4.3%C ) ; 下 面 分 别 分 析 其 结 晶 过 程 。 3.2 白 口 铸 铁 的 结 晶 过 程 生 铁 的 铁 碳 合 金 相 图 2.11 4.3 6.69 0 C 1 ) 共 晶 白 口 铸 铁 ( 如 图V ) 的 结 晶 过 程 ( ) ( ) C Fe C Fe A Ld C Fe A Ld L 3 II 3 t t 3 t 2 1 1 + + ? ? ? ? + ?? ? - ( ) C Fe C Fe P Ld' 3 II 3 727 t 0 2 + + ? ? ? ? ? = C 其 室 温 组 织 为 莱 氏 体 。其 室 温 组 织 为 珠 光 体 加 莱 氏 体 。 生 铁 的 铁 碳 合 金 相 图 2.11 4.3 6.69 0 C 2 ) 亚 共 晶 白 口 铸 铁 ( 如 图IV ) 的 结 晶 过 程 ( ) C Fe A Ld A A L L 3 t t 2 1 + + ?? ? + ?? ? ( ) C Fe C Fe A Ld C Fe A 3 II 3 II 3 t t 3 2 + + + + ? ? ? ? - ( ) C Fe C Fe P Ld' C Fe P 3 II 3 II 3 t 3 + + + + ?? ? 3 ) 过 共 晶 白 口 铸 铁 ( 如 图IIV ) 的 结 晶 过 程 ( ) I 3 3 t I 3 t C F C Fe A Ld C F L L 2 1 e e + + ?? ? + ?? ? ( ) I 3 3 II 3 t t C Fe C Fe C Fe A Ld 3 2 + + + ? ? ? ? - ( ) I 3 3 II 3 t C Fe C Fe C Fe P Ld' 3 + + + ?? ? 其 室 温 组 织 为 渗 碳 体 加 莱 氏 体 。第 四 节 钢 的 热 处 理 热 处 理 : 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 的 三 个 阶 段 : 加 热 、 保 温 、 冷 却 。 如 图 所 示 是 最 基 本 的 热 处 理 工 艺 曲 线 。 温 度 加 热 保 温 冷 却 时 间 图1-29 热 处 理 工 艺 曲 线( 1 ) . 加 热 和 冷 却 时 的 转 变 温 度 要 使 钢 的 组 织 发 生 变 化 , 必 须 加 热 到 相 变 温 度 以 上 , 相 变 温 度 可 由 相 图 来 确 定 。 但 在 实 际 加 热 和 冷 却 时 , 合 金 有 过 冷 和 过 热 现 象 , 如 图 所 示 , 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 越 严 重 。 常 用 、 、 表 示 加 热 时 偏 离 的 相 变 温 度 。 用 、 、 表 示 冷 却 时 偏 离 的 相 变 温 度 。 C Fe - Fe 3 c1 A c3 A ccm A r1 A r3 A rcm A 加 热 ( 冷 却 ) 时 相 变 温 度图 1 . 热 处 理 过 程 中 的 组织 转 变( 2 ) . 钢 在 加 热 时 的 组 织 转 变 奥 氏 体 化 : 为 使 热 处 理 获 得 所 需 的 性 能 , 将 钢 加 热 到 临 界 温 度 以 上 , 使 室 温 组 织 转 变 为 均 匀 的 奥 氏 体 的 过 程 。 奥 氏 体 的 形 成 : 以 共 析 钢 为 例 , 共 析 钢 的 组 织 室 温 时 为 珠 光 体 ( F + F e 3 C ) , 当 加 热 到 以 上 时 , 珠 光 体 转 变 为 奥 氏 体 。 其 过 程 如 下 : c1 A 2) 奥 氏 体 晶 核 长 大 。 通 过 原 子 扩 散 , 使 渗 碳 体 不 断 溶 解 和 铁 素 体 晶 格 由 体 心 立 方 晶 格 改 组 为 面 心 立 方 晶 格 。 1 ) 奥 氏 体 晶 核 形 成 。 首 先 在 铁 素 体 和 渗 碳 体 的 晶 界 上 出 现 奥 氏 体 晶 核 , 因 为 相 界 面 的 原 子 排 列 紊 乱 , 晶 体 缺 陷 较 多 , 易 于 形 核 。3 ) 残 余 渗 碳 体 的 溶 解 。 铁 素 体 先 消 失 , 渗 碳 体 继 续 向 奥 氏 体 溶 解 完 ; 4 ) 奥 氏 体 均 匀 化 。 残 余 渗 碳 体 溶 解 完 后 , 碳 的 浓 度 并 不 均 匀 , 在 原 来 渗 碳 体 的 地 方 碳 含 量 高 , 铁 素 体 处 低 , 保 温 一 定 时 间 , 碳 原 子 扩 散 , 得 到 均 匀 的 奥 氏 体 组 织 。 亚 共 析 钢 和 过 共 析 钢 , 加 热 到 时 , 只 有 珠 光 体 转 变 为 奥 氏 体 , 随 着 加 热 温 度 升 高 , 铁 素 体 和 二 次 渗 碳 体 才 不 断 向 奥 氏 体 转 变 , 到 加 热 温 度 超 过 或 时 , 才 全 部 转 变 成 奥 氏 体 。 珠 光 体 组 织 比 较 细 密 , 形 成 奥 氏 体 的 晶 核 较 多 , 因 而 珠 光 体 刚 转 变 成 奥 氏 体 时 , 其 晶 粒 比 较 细 小 。 但 若 升 高 温 度 或 保 温 时 间 过 长 , 晶 粒 将 长 大 。 c1 A c3 A ccm A( 3 ) . 钢 在 冷 却 时 的 组 织 转 变 热 处 理 工 艺 中 常 用 的 冷 却 方 式 : 连 续 冷 却 、 等 温 冷 却 。 钢 经 奥 氏 体 化 后 , 冷 却 条 件 不 同 , 转 变 产 物 的 组 织 结 构 、 性 能 均 不 同 。 1 ) 连 续 冷 却 。 将 已 奥 氏 体 化 的 钢 以 某 种 速 度 连 续 冷 却 , 使 其
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