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1、LOGO大连理工大学出版社大连理工大学出版社“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材经全国职业教育教材审定委员会审定经全国职业教育教材审定委员会审定(第四版)模具材料与热处理新世纪高职高专教材编审委员会组编主编吴元徽赵利群主审雷勇涛课题二课题二 钢的热处理钢的热处理任务一任务一 分析并应用铁碳合金相图分析并应用铁碳合金相图 任务二任务二 认识钢的组织转变认识钢的组织转变任务三任务三 掌握钢的整体热处理掌握钢的整体热处理任务五任务五 了解热处理新技术了解热处理新技术任务四任务四 熟悉钢的表面热处理熟悉钢的表面热处理任务任务 钢铁材料是现代模具工钢铁材料是现代模具工业中应用最广泛的
2、金属材料，业中应用最广泛的金属材料，数控车床是加工模具最常用的数控车床是加工模具最常用的设备，生产中的碳钢和铸铁均设备，生产中的碳钢和铸铁均属于铁碳合金。不同的材料，属于铁碳合金。不同的材料，其性能不同，应用的范围也不其性能不同，应用的范围也不同。请确定图中各部件用什么同。请确定图中各部件用什么材料制造，分析碳含量和性能材料制造，分析碳含量和性能之间的关系，通过分析，掌握之间的关系，通过分析，掌握铁碳合金相图的应用知识。铁碳合金相图的应用知识。图图2-1 数控车床示意图数控车床示意图 任务一分析并应用铁碳合金相图任务分析任务分析 图图2-1所示的数控车床的防护罩、控制面板、冷却液所示的数控车床
3、的防护罩、控制面板、冷却液箱和排屑机壳等部件，都是冲压加工并焊接成型的，因此箱和排屑机壳等部件，都是冲压加工并焊接成型的，因此应选用具有一定强度并且塑性好的低碳钢应选用具有一定强度并且塑性好的低碳钢;而床身、尾座架而床身、尾座架及主轴电动机壳则由于这些部位对力学性能要求不高，大及主轴电动机壳则由于这些部位对力学性能要求不高，大都是铸造成型的，所以可优先选用铸铁，因为铸铁生产成都是铸造成型的，所以可优先选用铸铁，因为铸铁生产成本低廉，具有优良的铸造性，其切削加工性、减振性及耐本低廉，具有优良的铸造性，其切削加工性、减振性及耐磨性都较好，刚好可以满足其使用性能的要求磨性都较好，刚好可以满足其使用性
4、能的要求;而主轴和回而主轴和回转刀架不但对于强度有较高的要求，而且要能经受一定的转刀架不但对于强度有较高的要求，而且要能经受一定的冲击载荷，其冲击韧性要求要好，所以一般选用冲击载荷，其冲击韧性要求要好，所以一般选用45钢等中钢等中碳钢调质处理。碳钢调质处理。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，这个过程决定了工件的组织和性能，并直接影响随程，这个过程决定了工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工艺性能及零件的使用性能。相图后的
5、锻压和热处理等工艺性能及零件的使用性能。相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，是人们研究物质相变的过程及产物的有效工具。图解，是人们研究物质相变的过程及产物的有效工具。在生产中，相图可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻在生产中，相图可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规范的主要依据。造和热处理等工艺规范的主要依据。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 结晶：金属与合金从一种原子排列状态结晶：金属与合金从一种原子排列状态（晶态或非晶态）（晶态或非晶态
6、）转变转变为另一种原子规则排列状态为另一种原子规则排列状态（晶态）（晶态）的过程。的过程。金属材料冶炼后，浇注到锭模或铸模中，通过冷却，液态金属金属材料冶炼后，浇注到锭模或铸模中，通过冷却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。固态金属处于晶体转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。固态金属处于晶体状态，因此状态，因此金属从液态（非晶态）转变为固态（晶态）的过程称为金属从液态（非晶态）转变为固态（晶态）的过程称为结晶过程结晶过程。（如图如图）通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固
7、体晶态的过程称为二次结晶或金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。重结晶。结晶过程是一个十分复杂的现象，它不仅是材料从液态到固态结晶过程是一个十分复杂的现象，它不仅是材料从液态到固态的转变，也是一个相变过程。因此，掌握结晶过程的基本规律将为的转变，也是一个相变过程。因此，掌握结晶过程的基本规律将为研究其它相变奠定基础。为了揭示结晶的基本规律，将先从结晶的研究其它相变奠定基础。为了揭示结晶的基本规律，将先从结晶的宏观现象宏观现象入手，进而再去研究结晶过程的入手，进而再去研究结晶过程的微观本质微观本质。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、
8、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 液态金属结构液态金属结构固态金属结构固态金属结构任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象（一）纯金属的冷却曲线和过冷现象（一）纯金属的冷却曲线和过冷现象1、冷却曲线冷却曲线 通过实验，测得液体金属在结晶时的通过实验，测得液体金属在结晶时的温度温度-时间曲线称为冷却曲线。图时间曲线称为冷却曲线。图2-4是纯金属结晶时的冷是纯金属结晶时的冷却曲线却曲线（1）热分析法：先将金属熔化，然后以极缓慢的速度）热分析法：先将金属熔化，然后以极缓慢的速度进行冷却在冷却过程中，每隔一定时间，记录一个温度值，进行冷
9、却在冷却过程中，每隔一定时间，记录一个温度值，并以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出温度与时间的关并以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出温度与时间的关系曲线。系曲线。（2）结晶潜热）结晶潜热：一摩尔物质从一个相转变为另一个：一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。金属熔化相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。金属熔化时从固相转变为液相是吸收热量，称为熔化潜热；而结晶时从固相转变为液相是吸收热量，称为熔化潜热；而结晶时从液相转变为固相则放出热量称为结晶潜热。时从液相转变为固相则放出热量称为结晶潜热。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象
10、一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 图图2-2 热分析装置示意图热分析装置示意图 纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 从图中曲线上可以看出，液态金属随着冷却时间的从图中曲线上可以看出，液态金属随着冷却时间的增加，由于它的热量向外散失，温度将不断地降低。当增加，由于它的热量向外散失，温度将不断地降低。当冷却到某一温度时，冷却时间虽然增长，但温度不并不冷却到某一温度时，冷却时间虽然增长，但温度不并不下降，在曲线上出现了一个平台，这个平台所对应的温下降，在曲线上出现了一个平台，这个平
11、台所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。因此度就是纯金属进行结晶的温度。因此纯金属都有一个固纯金属都有一个固定的熔点（或结晶温度）定的熔点（或结晶温度）从图中曲线上可以看出，当液态金属冷却到熔点从图中曲线上可以看出，当液态金属冷却到熔点T0时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到T0之下某一温之下某一温度度T1，液态金属才开始结晶。，液态金属才开始结晶。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 2、纯金属结晶的条件、纯金属结晶的条件过冷现象过冷现象:实际结晶温度低于理论结晶温度的现象实际结晶温度低于
12、理论结晶温度的现象理论结晶温度（熔点）：纯金属液体在无限缓慢的冷却条理论结晶温度（熔点）：纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下（平衡条件）结晶的温度。件下（平衡条件）结晶的温度。实际结晶温度：纯金属液体在快速冷却条件下结晶的实际结晶温度：纯金属液体在快速冷却条件下结晶的温度温度过冷度：理论结晶温度过冷度：理论结晶温度T0与开始结晶温度与开始结晶温度 T1之差叫做之差叫做过冷度过冷度,用用 T 表示。表示。T=T0-T1金属结晶时的过冷度不是一个恒定值，液体金属的金属结晶时的过冷度不是一个恒定值，液体金属的冷冷却速度越快，实际结晶温度就越低，即过冷度越大。却速度越快，实际结晶温度就越低，即过冷度越大
13、。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象（二）纯金属的结晶过程（二）纯金属的结晶过程从微观的角度看，金属结晶是由晶核的形成和长大从微观的角度看，金属结晶是由晶核的形成和长大这两个基本过程组成。这两个基本过程组成。（1）晶核的形成）晶核的形成 液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的微小液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体称为晶核，它的形成有两种方式。自发形核和非自晶体称为晶核，它的形成有两种方式。自发形核和非自发形核。发形核。（2）晶核的长大）晶核的长大晶核形成后，随后便是长大。晶核长大的实质，就晶核形成后，随后便是
14、长大。晶核长大的实质，就是原子由液体向固体表面的转移。是原子由液体向固体表面的转移。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 自发形核自发形核在液态金属中，存在大在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫成为结晶核心。这个过程叫自发形核。这种由液态金属自发形核。这种由液态金属内部由金属原子自发形成的内部由金属原子自发形成的晶核叫自发晶核。晶
15、核叫自发晶核。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 非自发形核非自发形核实际金属内部往往含实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。这种依附叫非自发形核。这种依附于杂质而形成的晶核叫做于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。非自发晶核。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 金属的结晶过程如图金属的结晶过
16、程如图2-5所示。液态金属冷却到所示。液态金属冷却到凝固温度时，首先形成晶凝固温度时，首先形成晶核，在继续冷却的过程中，核，在继续冷却的过程中，晶核吸收周围的原子而长晶核吸收周围的原子而长大，与此同时，又有新的大，与此同时，又有新的晶核不断地形核和长大，晶核不断地形核和长大，直至相邻晶体彼此接触，直至相邻晶体彼此接触，液态金属完全消失，最后液态金属完全消失，最后得到由许多形状、大小和得到由许多形状、大小和晶格位向都不相同的小晶格位向都不相同的小晶晶粒粒组成的组成的多晶体。多晶体。图图2-5 纯金属结晶过程纯金属结晶过程示意图示意图 任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构
17、现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象（三）金属结晶后的晶粒大小（三）金属结晶后的晶粒大小晶粒是构成金属晶体的最小单位，晶粒大小是金属组晶粒是构成金属晶体的最小单位，晶粒大小是金属组织的重要标志之一。织的重要标志之一。1 晶粒度晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的指标，可用晶粒的平均面积晶粒度是表示晶粒大小的指标，可用晶粒的平均面积或平均直径来表示。工业上通常采用晶粒度等级来表示晶或平均直径来表示。工业上通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度分为八级，一级最粗，八级最细。粒大小。标准晶粒度分为八级，一级最粗，八级最细。2 晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响一般来说，金属的晶粒越
18、细，常温下的机械性能越好。一般来说，金属的晶粒越细，常温下的机械性能越好。所以细化金属晶粒是提高其常温性能的最佳手段之一。所以细化金属晶粒是提高其常温性能的最佳手段之一。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 3 晶粒大小的控制晶粒大小的控制（1）决定晶粒度的因素决定晶粒度的因素结晶时，每个晶核都长大形成一个晶粒，所以在长结晶时，每个晶核都长大形成一个晶粒，所以在长大速度相同的情况下，形核越多，晶粒越细。通常把单大速度相同的情况下，形核越多，晶粒越细。通常把单位时间单位体积内形成晶核的数目叫做位时间单位体积内形成晶核的数目叫做形
19、核率形核率（N）；）；把晶核在单位时间内生长的长度叫做把晶核在单位时间内生长的长度叫做长大速率长大速率（G）。）。其比值其比值N/G越大，晶粒越细小。越大，晶粒越细小。任务一分析并应用铁碳合金相图（2）控制晶粒度的方法控制晶粒度的方法 a）增加过冷度：如金属型铸造）增加过冷度：如金属型铸造 b）变质处理：在液态金属结晶前加入）变质处理：在液态金属结晶前加入变质剂变质剂，以，以增加形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法。增加形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法。c）附加振动：使生长中的枝晶破碎。）附加振动：使生长中的枝晶破碎。d）降低浇注速度：冲击碎化先形成晶粒。降低浇注速度：冲击碎化先形
20、成晶粒。一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象（四）（四）铁的同素异晶转变铁的同素异晶转变铁具有多晶型性，图铁具有多晶型性，图2-6是是铁的冷却曲线。铁的冷却曲线。1.纯铁在纯铁在1538结晶为结晶为-Fe，它具有体心立方晶格。，它具有体心立方晶格。图图2-6 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线 任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 2.当温度继续冷却至当温度继续冷却至1394时，时，Fe转变为面心转变为面心立方晶格的立方晶格的Fe，通常把，通常把FeFe 的转变称为的转变称为A4转变，转变的平
21、衡临界点称为转变，转变的平衡临界点称为A4点。点。3.当温度继续冷却至当温度继续冷却至912时，面心立方晶格的时，面心立方晶格的-Fe又转变为体心立方晶格的又转变为体心立方晶格的Fe，把，把FeFe的转变称为的转变称为A3转变，转变的平衡临界点称为转变，转变的平衡临界点称为A3点。点。任务一分析并应用铁碳合金相图一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象一、纯金属的结晶过程及铁的同素异构现象 4.在在912以下，铁的晶体结构不再发生变化。因此，以下，铁的晶体结构不再发生变化。因此，铁具有三种同素异晶状态，即铁具有三种同素异晶状态，即-Fe、-Fe和和Fe。5.Fe在在770还将发生磁性转变，即由高
22、温的顺还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁磁性状态。称为磁性状态转变为低温的铁磁性状态。称为A2转变，把磁转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。磁性转变时，铁的晶格类型性转变温度称为铁的居里点。磁性转变时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。不变，所以磁性转变不属于相变。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析（一）铁碳合金的基本组织（一）铁碳合金的基本组织 铁碳合金是以铁和碳为铁碳合金是以铁和碳为基本组元的二元合金，其组织是随成分、温度的不同而变基本组元的二元合金，其组织是随成分、温度的不同而变化的，但归纳起来仍然是固溶体、金属化合物和机械
23、混合化的，但归纳起来仍然是固溶体、金属化合物和机械混合物三种形态。物三种形态。任务一分析并应用铁碳合金相图包括铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体（1）铁素体）铁素体 碳溶解在碳溶解在-Fe中所形成的间隙固溶体称中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号为铁素体，用符号“F”来表示。由于碳和铁的原子直径和来表示。由于碳和铁的原子直径和晶格类型存在很大差异，所以当它们以固溶体的形式结合晶格类型存在很大差异，所以当它们以固溶体的形式结合时，只能是间隙固溶体。而时，只能是间隙固溶体。而-Fe是体心立方晶格，晶格间是体心立方晶格，晶格间隙半径较小，因此碳在隙半径较小，因此碳在-Fe中的固溶度也较小。在中的固溶度
24、也较小。在727时，时，-Fe中碳的最大溶解量仅为中碳的最大溶解量仅为 Wc=0.0218%，并随着温度的，并随着温度的下降而逐渐减小，至室温时降到最低点下降而逐渐减小，至室温时降到最低点 Wc =0.0008%。铁素体是铁碳合金在室温下的主要组织，起着基体相的作铁素体是铁碳合金在室温下的主要组织，起着基体相的作用。由于碳质量分数甚微，固溶强化作用小，所以铁素体用。由于碳质量分数甚微，固溶强化作用小，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性、较低的强度和硬的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性、较低的强度和硬度。度。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析（2）
25、奥氏体）奥氏体 碳溶解在碳溶解在-Fe中所形成的间隙固溶体称中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号为奥氏体，以符号“A”表示。和铁素体相同，当碳原子表示。和铁素体相同，当碳原子溶入溶入-Fe形成奥氏体时，也只能是间隙固溶体。可是由于形成奥氏体时，也只能是间隙固溶体。可是由于面心立方晶格的空隙较集中，有利于碳原子的溶入，所以面心立方晶格的空隙较集中，有利于碳原子的溶入，所以奥氏体的固溶度比铁素体大得多，它的最大固溶度为奥氏体的固溶度比铁素体大得多，它的最大固溶度为Wc=2.11%（1148）。奥氏体是铁碳合金的高温组织，在平）。奥氏体是铁碳合金的高温组织，在平衡条件下，它的最低存在温度是衡条件下
26、，它的最低存在温度是727，此时奥氏体的，此时奥氏体的Wc=0.77%。虽然奥氏体的碳质量分数略高于铁素体，但由。虽然奥氏体的碳质量分数略高于铁素体，但由于晶格类型的原因，其性能特点仍然是塑性好，而强度、于晶格类型的原因，其性能特点仍然是塑性好，而强度、硬度低，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的硬度低，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。另外，奥氏体的一个重要物理性能是没有铁磁性。组织。另外，奥氏体的一个重要物理性能是没有铁磁性。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析（3）渗碳体）渗碳体 渗碳体是铁和碳以一定比例化合而成的渗碳体是铁和碳以一
27、定比例化合而成的亚稳定的金属化合物，其分子式为亚稳定的金属化合物，其分子式为Fe3C，以符号，以符号“Cm”来来表示。它的表示。它的Wc=6.69%，是一个固定值。渗碳体具有复杂，是一个固定值。渗碳体具有复杂晶格，其性能特点是高硬度、高脆性及高熔点，并且几乎晶格，其性能特点是高硬度、高脆性及高熔点，并且几乎没有塑性，它是铁碳合金中的强化相。通过不同的热处理没有塑性，它是铁碳合金中的强化相。通过不同的热处理方法，可以改变渗碳体在铁碳合金中的形态、大小、多少方法，可以改变渗碳体在铁碳合金中的形态、大小、多少及分布，从而改变材料的性能。这正是热处理的重要原理及分布，从而改变材料的性能。这正是热处理的
28、重要原理之一。之一。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析（4）珠光体）珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体所组成的机械珠光体是铁素体和渗碳体所组成的机械混合物，它是平衡条件下混合物，它是平衡条件下Wc=0.77%的奥氏体在的奥氏体在727进进行共析转变的产物，以符号行共析转变的产物，以符号“P”表示。珠光体中的铁素表示。珠光体中的铁素体和渗碳体呈片层相间的形态，称为片状珠光体。经过一体和渗碳体呈片层相间的形态，称为片状珠光体。经过一定的处理，可以得到铁素体基体上分布着颗粒状的渗碳体，定的处理，可以得到铁素体基体上分布着颗粒状的渗碳体，称为粒状（球状）珠光体。珠光体
29、的强度、硬度较铁素体称为粒状（球状）珠光体。珠光体的强度、硬度较铁素体高，但塑性、韧性差。在硬度相同的情况下，球状珠光体高，但塑性、韧性差。在硬度相同的情况下，球状珠光体的塑性、韧性要好于片状珠光体。由此可见，珠光体的力的塑性、韧性要好于片状珠光体。由此可见，珠光体的力学性能主要取决于其组成相的形态、大小和分布。学性能主要取决于其组成相的形态、大小和分布。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析（5）莱氏体）莱氏体 莱氏体是莱氏体是Wc=4.3%的铁碳合金，在的铁碳合金，在1148发生共晶转变而从液相中同时析出的奥氏体和渗发生共晶转变而从液相中同时析出的奥氏体和
30、渗碳体的机械混合物，用符号碳体的机械混合物，用符号“Ld”来表示。由于奥氏体来表示。由于奥氏体在在727时还将转变成珠光体，所以在室温下的莱氏体由时还将转变成珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种机械混合物称为低温莱氏体，珠光体和渗碳体组成，这种机械混合物称为低温莱氏体，用用“Ld”来表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，来表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。硬度很高，塑性很差。任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析 任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析 1、特征点、特征点符号 温度,碳质量
31、分数(C)%含义 A 1538 0 纯铁的熔点纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4.30 共晶点共晶点Lc AE+Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔点的熔点 E 1148 2.11 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C的成分 G 912 0 -Fe-Fe同素异构转变点同素异构转变点(A3)H 1495 0.09 碳在-Fe中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点LB+HAJ K 727 6.69 Fe3C的成分 N 1394 0-Fe-Fe同素异构转变点(A4)P 727 0.0218 碳在碳在
32、-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点共析点(A1)ASFP+Fe3C Q 600 0.0057 600时碳在-Fe中的溶解度 (室温)(0.0008)任务一分析并应用铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析 2、主要特性线、主要特性线相图中各不同成分的合金具有相同意义的临界点的边线。相图中各不同成分的合金具有相同意义的临界点的边线。（1）ACD线：液相线，在此线以上合金处于液体状态，线：液相线，在此线以上合金处于液体状态，用符号用符号“L”表示，合金冷却到此线时开始结晶。表示，合金冷却到此线时开始结晶。结晶开始线结晶开始线（2）AECF线：固相线，液
33、体合金冷却至此线全部结晶为线：固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相线。固体，此线以下为固相线。结晶终了线结晶终了线（3）ECF水平线：共晶线，在此线上的液态合金冷却时水平线：共晶线，在此线上的液态合金冷却时将发生共晶转变。将发生共晶转变。Lc Ld(AE+Fe3C)高温莱氏体：奥氏体与渗碳体的共晶混和物高温莱氏体：奥氏体与渗碳体的共晶混和物,以符号以符号 Ld表表示示 低温莱氏体：珠体体与渗碳体的共晶混和物低温莱氏体：珠体体与渗碳体的共晶混和物,以符号以符号 Ld表表示示性能：与渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性极差性能：与渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性极差任务一分析并应用
34、铁碳合金相图二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析（4）PSK水平线：共析线又称水平线：共析线又称A1线线，在这条线上，在这条线上固态奥氏体将发生共析转变。固态奥氏体将发生共析转变。AC P（F+Fe3C）珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物。性能：强度、硬度较高，具有一定的塑性，是一种性能：强度、硬度较高，具有一定的塑性，是一种综合力综合力 学性能较好的组织。学性能较好的组织。（5）GS线：又称线：又称A3线线。Wc C，在奥氏体中出现碳的，在奥氏体中出现碳的浓度梯度。并引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低浓浓度梯度。并引起碳在奥氏体中不断地由高浓度向低
35、浓度的扩散。度的扩散。（3）扩散的结果，奥氏体与铁素体相邻的边界处）扩散的结果，奥氏体与铁素体相邻的边界处碳浓度升高，而与渗碳体相邻的边界处碳浓度降低。从碳浓度升高，而与渗碳体相邻的边界处碳浓度降低。从而破坏了相界面的平衡，使系统自由能升高。而破坏了相界面的平衡，使系统自由能升高。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变（4）为了恢复平衡，渗碳体势必溶入奥氏体，使它们相邻）为了恢复平衡，渗碳体势必溶入奥氏体，使它们相邻界面的碳浓度恢复到界面的碳浓度恢复到Cc。与此同时，另一个界面上，发生。与此同时，另一个界面上，发生奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使铁素体转变为奥
36、氏体，使奥氏体碳原子向铁素体的扩散，促使铁素体转变为奥氏体，使它们之间的界面恢复到它们之间的界面恢复到C。从而恢复界面的平衡，降低系。从而恢复界面的平衡，降低系统的自由能。统的自由能。（5）奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，）奥氏体的两个界面就向铁素体和渗碳体两个方向推移，奥氏体便长大。奥氏体便长大。由于奥氏体中碳的扩散，不断打破相界面平衡，又通过渗碳体由于奥氏体中碳的扩散，不断打破相界面平衡，又通过渗碳体和铁素体向奥氏体转变而恢复平衡的过程循环往复地进行。和铁素体向奥氏体转变而恢复平衡的过程循环往复地进行。（6）在铁素体内，铁素体与渗碳体和铁素体与奥氏体接触）在铁素体内，铁素体
37、与渗碳体和铁素体与奥氏体接触的两个界面之间也存在着碳浓度差的两个界面之间也存在着碳浓度差Cc C。，因此，。，因此，碳在奥氏体中扩散的同时，在铁素体中也进行着扩散。碳在奥氏体中扩散的同时，在铁素体中也进行着扩散。由于扩散的结果，促使铁素体向奥氏体转变，从而促进奥由于扩散的结果，促使铁素体向奥氏体转变，从而促进奥氏体长大。氏体长大。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变3、残留渗碳体的溶解、残留渗碳体的溶解铁素体、渗碳体、奥氏体三相比较：铁素体的碳浓铁素体、渗碳体、奥氏体三相比较：铁素体的碳浓度和晶体结构与奥氏体相近，所以铁素体先于渗碳体消度和晶体结构与奥氏体相
38、近，所以铁素体先于渗碳体消失。奥氏体形成后，仍有未溶解的渗碳体存在。随着保失。奥氏体形成后，仍有未溶解的渗碳体存在。随着保温时间的延长，未溶渗碳体将继续溶解，直至全部消失。温时间的延长，未溶渗碳体将继续溶解，直至全部消失。4、奥氏体成分均匀化、奥氏体成分均匀化当残留渗碳体全部溶解完时，原渗碳体存在的地方当残留渗碳体全部溶解完时，原渗碳体存在的地方含碳量比原铁素体存在的地方含碳量要高。需要继续延含碳量比原铁素体存在的地方含碳量要高。需要继续延长保温时间，让碳原子充分扩散，使奥氏体的含碳量均长保温时间，让碳原子充分扩散，使奥氏体的含碳量均匀化。匀化。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变
39、一、钢在加热时的组织转变（三）奥氏体转变速度的影响因素（三）奥氏体转变速度的影响因素奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过奥氏体的形成是通过形核和长大过程进行的，整个过程受原子扩散控制。主要因素如加热温度、原始组织和化程受原子扩散控制。主要因素如加热温度、原始组织和化学成分等。学成分等。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1、加热温度的影响、加热温度的影响（1）加热温度必须高于）加热温度必须高于Ac1点，珠光体才能向奥氏体点，珠光体才能向奥氏体转变。温度越高，孕育期越短。转变。温度越高，孕育期越短。（2）转变温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所）转
40、变温度越高，奥氏体的形成速度越快，转变所需要的时间越短。需要的时间越短。温度越高则奥氏体与珠光体的自由能差越大，转变温度越高则奥氏体与珠光体的自由能差越大，转变的推动力越大；的推动力越大；温度越高则原子扩散越快，因而碳的重新分布与铁温度越高则原子扩散越快，因而碳的重新分布与铁的晶格改变越快。的晶格改变越快。（3）同样一个奥氏体化状态，既可通过较低温度较长）同样一个奥氏体化状态，既可通过较低温度较长时间的加热得到，也可由较高温度较短时间的加热得到。时间的加热得到，也可由较高温度较短时间的加热得到。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变2、加热速度的影响、加热速度
41、的影响连续升温加热时，加热速度越快，则珠光体的过连续升温加热时，加热速度越快，则珠光体的过热度越大。转变的开始温度热度越大。转变的开始温度Acl越高，终了温度也越高。越高，终了温度也越高。但转变的孕育期越短，转变所需的时间也就越短。但转变的孕育期越短，转变所需的时间也就越短。3、化学成分的影响、化学成分的影响（1）钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。）钢中含碳量越高，奥氏体的形成速度越快。随含碳量增加，铁素体和渗碳体相界面的面积随含碳量增加，铁素体和渗碳体相界面的面积增加，增加了奥氏体形核的部位，增大奥氏体的形核增加，增加了奥氏体形核的部位，增大奥氏体的形核率。率。碳化物数量增加，又使碳的扩
42、散距离减小，碳碳化物数量增加，又使碳的扩散距离减小，碳和铁原子的扩散系数将增大，增大奥氏体的长大速度。和铁原子的扩散系数将增大，增大奥氏体的长大速度。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变（2）钢中加入合金元素，减慢奥氏体化过程的进行）钢中加入合金元素，减慢奥氏体化过程的进行速度。速度。（3）合金元素影响的原因如下：）合金元素影响的原因如下：合金元素会改变钢的平衡临界点：如镍、锰、铜合金元素会改变钢的平衡临界点：如镍、锰、铜等都使临界点降低，而铬、钨、钒、硅等则使之升高。等都使临界点降低，而铬、钨、钒、硅等则使之升高。合金元素在珠光体中的分布是不均匀的。如铬、
43、合金元素在珠光体中的分布是不均匀的。如铬、钼、钨、钒、钛等能形成碳化物的元素，主要存在于共析钼、钨、钒、钛等能形成碳化物的元素，主要存在于共析碳化物中，镍、硅、铝等不形成碳化物的元素，主要存在碳化物中，镍、硅、铝等不形成碳化物的元素，主要存在于共析铁素体中。合金钢奥氏体化时，除了必须进行碳的于共析铁素体中。合金钢奥氏体化时，除了必须进行碳的扩散重新分布外，还必须进行合金元素的扩散重新分布。扩散重新分布外，还必须进行合金元素的扩散重新分布。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变某些合金元素会影响碳和铁的扩散速度。如铬、钼、某些合金元素会影响碳和铁的扩散速度。如铬
44、、钼、钨、钒、钛等都显著减慢碳的扩散。钴、镍等则加速碳的钨、钒、钛等都显著减慢碳的扩散。钴、镍等则加速碳的扩散，硅、铝、锰等影响不大。扩散，硅、铝、锰等影响不大。极易形成碳化物的元素：如钛、钒、锆、铌、钼、极易形成碳化物的元素：如钛、钒、锆、铌、钼、钨等，会形成特殊碳化物，稳定性比渗碳体高，很难溶入钨等，会形成特殊碳化物，稳定性比渗碳体高，很难溶入奥氏体，必须进行较高温度较长时间加热才能完全溶解。奥氏体，必须进行较高温度较长时间加热才能完全溶解。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变4、原始组织的影响、原始组织的影响钢的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快：钢
45、的原始组织越细，则奥氏体的形成速度越快：（1）原始组织中碳化物分散度的增大，铁素体和渗）原始组织中碳化物分散度的增大，铁素体和渗碳体相界面增多，加大了奥氏体的形核率。碳体相界面增多，加大了奥氏体的形核率。（2）珠光体片层间距减小，使奥氏体中的碳浓度梯）珠光体片层间距减小，使奥氏体中的碳浓度梯度增大，使奥氏体的长大速度增加。度增大，使奥氏体的长大速度增加。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变（四）（四）奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素 细化晶粒已经成为强化金属材料的重要方法。根据细化晶粒已经成为强化金属材料的重要方法。根据奥氏体的形成过程及
46、长大倾向，奥氏体的晶粒度可以用奥氏体的形成过程及长大倾向，奥氏体的晶粒度可以用起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度等描述。起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度等描述。1、起始晶粒度、起始晶粒度钢加热时，当珠光体刚刚转变为奥氏体时，奥氏体钢加热时，当珠光体刚刚转变为奥氏体时，奥氏体晶粒大小叫起始晶粒度，此时的晶粒均较细小，若温度晶粒大小叫起始晶粒度，此时的晶粒均较细小，若温度提高或时间延长，晶粒会长大。提高或时间延长，晶粒会长大。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变2、实际晶粒度、实际晶粒度在每一个具体加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小，在每一个具体加热条件下所得到
47、的奥氏体晶粒大小，称为称为“实际晶粒度实际晶粒度”。（1）奥氏体的起始晶粒形成后，继续在临界点以上）奥氏体的起始晶粒形成后，继续在临界点以上升温或保温，晶粒就会自动长大。升温或保温，晶粒就会自动长大。（2）晶粒长大的推动力是界面能的降低，而晶粒长）晶粒长大的推动力是界面能的降低，而晶粒长大的阻力来自第二相的阻碍作用。大的阻力来自第二相的阻碍作用。（3）晶粒长大是依靠原子扩散与晶界推移，由大晶）晶粒长大是依靠原子扩散与晶界推移，由大晶粒吞并小晶粒而进行的。粒吞并小晶粒而进行的。（4）温度越高，时间越长，晶粒越大。）温度越高，时间越长，晶粒越大。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、
48、钢在加热时的组织转变3、本质晶粒度、本质晶粒度（1）本质晶粒度就是反映钢材加热时奥氏体晶粒）本质晶粒度就是反映钢材加热时奥氏体晶粒长大倾向的一个指标。长大倾向的一个指标。凡是奥氏体晶粒容易长大的钢就称为凡是奥氏体晶粒容易长大的钢就称为“本质粗晶本质粗晶粒钢粒钢”，反之，奥氏体晶粒不容易长大的钢则称为，反之，奥氏体晶粒不容易长大的钢则称为“本本质细晶粒钢质细晶粒钢”。随着加热温度升高，本质粗晶粒钢的奥氏体晶粒随着加热温度升高，本质粗晶粒钢的奥氏体晶粒一直长大，逐渐粗化。本质细晶粒钢的奥氏体晶粒长大一直长大，逐渐粗化。本质细晶粒钢的奥氏体晶粒长大很缓慢，一直保持细小晶粒。很缓慢，一直保持细小晶粒。
49、任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变超过一定温度以后，本质细晶粒钢晶粒急剧长大，超过一定温度以后，本质细晶粒钢晶粒急剧长大，突然粗化。突然粗化。这个晶粒开始强烈长大的温度称为这个晶粒开始强烈长大的温度称为“晶粒粗化温度晶粒粗化温度”。本质细晶粒钢只有在晶粒粗化温度以下加热时，本质细晶粒钢只有在晶粒粗化温度以下加热时，晶粒才不容易长大，超过这一温度以后，与本质粗晶粒晶粒才不容易长大，超过这一温度以后，与本质粗晶粒钢没有什么区别。钢没有什么区别。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变（2）冶金部的部颁标准）冶金部的部颁标准YB2
50、777(钢的晶粒度测定钢的晶粒度测定法法的规定的规定将钢在将钢在(9301000)保温保温3h8h冷却后测定奥氏体晶冷却后测定奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。通常是在放大粒大小称为本质晶粒度。通常是在放大100倍的情况下，倍的情况下，与标准晶粒度等级图进行比较评级。与标准晶粒度等级图进行比较评级。晶粒度是晶粒度是1级级4级的定为本质粗晶粒钢，级的定为本质粗晶粒钢，5级级8级的级的定为本质细晶粒钢。定为本质细晶粒钢。任务二认识钢的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变钢的本质晶粒度决定于钢的成分和冶炼条件。能用铝钢的本质晶粒度决定于钢的成分和冶炼条件。能用铝脱氧的钢都是本质细晶