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1、五五铁碳合金状态图组织转变及应用铁碳合金状态图组织转变及应用1、分析自液态冷却至室温时、分析自液态冷却至室温时合金的组织转变过程及室合金的组织转变过程及室温组织温组织 室温组织室温组织:PFAFAA+AA1）共析钢（）共析钢（T8钢）钢）1点以上点以上L12LA23A3点点AP3点以下点以下PA共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程2）亚共析钢）亚共析钢(45钢）钢）室温组织：室温组织：室温组织：室温组织：F+PF+P亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程FFAAAAAAAAFFFA 1点以上点以上L(12L)23A+L34A45A+F5点点AP5点以下点以下P+F3）过共析钢（）过共析钢（T10)室
2、温组织：室温组织：室温组织：室温组织：P+Fe3C（网状）（网状）过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程AAAAAAFAF 1点以上点以上L12L+A23A34A+Fe3CII4点点AP4点以下点以下P+Fe3CII4）亚共晶白口生铁）亚共晶白口生铁AAAAAAAALeLeLe1点以上点以上L12A+L2点点共晶反应共晶反应23A+Fe3CII+Ld3点点共析反应共析反应3点以下点以下P+Fe3CII+Ld 注明：注明：Fe3CII二次渗碳体二次渗碳体Ld高温莱氏体高温莱氏体Ld低温莱氏体低温莱氏体室温组织室温组织室温组织室温组织P+Fe3CII+LdP+Fe
3、3CII+Ld2、分析钢从室温加热转变至奥氏体状态、分析钢从室温加热转变至奥氏体状态(俗称奥氏体化俗称奥氏体化)的组织变化的组织变化AFPLeLe共共析析钢钢 PA 亚共析钢亚共析钢 F+PFAA过共析钢过共析钢 PFe3CIIA Fe3CII 钢和白口铸铁结晶过程分析钢和白口铸铁结晶过程分析 典型铁碳合金在相图中的位置典型铁碳合金在相图中的位置231LAAL+P1LAAL+A+P+F432F41LL+A+P+Fe3C23AAFe3C1L2LeLe1LA+L+LeP+Fe3C+LeA+Le+32AFe3C31L2L+Fe3CFe3C+Fe3C+LeLe1 1钢钢2生铁生铁 共析钢共析钢:亚共析
4、钢亚共析钢:过共析钢过共析钢:共晶生铁共晶生铁:亚共晶生铁亚共晶生铁:过共晶生铁过共晶生铁:铁碳合金的结晶过程及组织转变过程总结铁碳合金的结晶过程及组织转变过程总结复复习习题题1.说明晶粒粗细对力学性能的影响说明晶粒粗细对力学性能的影响2.何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和何谓铁的同素异晶转变，并用反应式和冷却结晶曲线分别描述冷却结晶曲线分别描述3.说明说明F、A、Fe3C、P的名称、含碳量、的名称、含碳量、晶体类型及力学性能特征晶体类型及力学性能特征4.依依Fe-C状态图分析缓慢冷却条件下状态图分析缓慢冷却条件下45钢和钢和T10钢的结晶过程与室温钢的结晶过程与室温组织。第三章第三章钢的热处
5、理钢的热处理 1、概述、概述应用应用:机床制造中，热处理零件占机床制造中，热处理零件占60%70%，汽车制造中，热处理零件占汽车制造中，热处理零件占70%80%。刀具、模具和滚动轴承约占刀具、模具和滚动轴承约占100%。方法方法:通过对钢件重新通过对钢件重新加热，保温加热，保温并并在不同条件下的在不同条件下的冷却冷却获得所需组织和获得所需组织和性能。性能。普通热处理普通热处理:退火、正火、淬火、回火；退火、正火、淬火、回火；表面热处理表面热处理:表面淬火、化学热处理表面淬火、化学热处理意义意义:将钢件在将钢件在固态下固态下使之改善使之改善内部组织内部组织和提高其力学和提高其力学性能，但不允许性
6、能，但不允许改变形状改变形状。热处理工艺的包括热处理工艺的包括加热、加热、保温、和冷却保温、和冷却三个基本阶段三个基本阶段 由于各种热处理时起作用由于各种热处理时起作用的主要因素是的主要因素是温度温度和和时间，时间，所所以各种热处理都用以各种热处理都用温度温度时间时间坐标图的曲线来表示坐标图的曲线来表示热处热处理工艺曲线。理工艺曲线。临界温度临界温度 保温保温冷冷却却加加热热时间时间温温度度 2.钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 为了在热处理后获得所需的性能，大多数工艺为了在热处理后获得所需的性能，大多数工艺（淬火、正火、退火）都要将钢加热到（淬火、正火、退火）都要将钢加热到临界温度临
7、界温度以以上，获得上，获得全部或部分奥氏体组织全部或部分奥氏体组织，并使其成分均匀，并使其成分均匀化，即进行化，即进行奥氏体化奥氏体化组织转变组织转变,再以不同的再以不同的冷冷却方式却方式或速度转变成或速度转变成所需要的组织所需要的组织,已获得已获得预期的预期的性能。性能。转变温度转变温度C%在加热（冷却）时在加热（冷却）时FeFe3C状态图中各临界点的状态图中各临界点的位置位置 根据相图，共析钢根据相图，共析钢加热加热PSK线线（A1）以上时，完以上时，完全转变为奥氏体；而全转变为奥氏体；而亚共亚共析钢和过共析钢析钢和过共析钢必须加热必须加热到到GS线线（A3）和和ES线线（Acm)以上才能
8、全部获得以上才能全部获得奥氏体。奥氏体。铁碳合金状态图中的组铁碳合金状态图中的组织转变的临界温度织转变的临界温度是是A1、A3、Acm。实际加热时临实际加热时临界温度的位置用界温度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；实际冷却时的表示；实际冷却时的位置位置A r1、Ar3、Arcm 表示。表示。奥氏体的形成奥氏体的形成共析钢中奥氏体形成过程示意图共析钢中奥氏体形成过程示意图 奥氏体的形成分四个步骤：奥氏体的形成分四个步骤：奥氏体晶核的形成；奥氏体晶核的形成；奥氏体晶核的长大；奥氏体晶核的长大；剩余渗碳体的溶解；剩余渗碳体的溶解；奥氏体成分的均匀化。奥氏体成分的均匀化。?亚共析钢亚共析钢A化过程
9、化过程?过共析钢过共析钢A化过程化过程加热温度和保温时间，加热温度和保温时间，温度越高，时间越温度越高，时间越长，长，A晶粒越粗大晶粒越粗大碳含量：碳含量：C%越大，越大，A晶粒越粗大晶粒越粗大合金含量：除合金含量：除Mn、P外大多数合金能阻碍外大多数合金能阻碍A晶粒长大晶粒长大一一般采用般采用快速快速高温加热的高温加热的短时保温短时保温以获得以获得细小细小A晶粒。晶粒。3.钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 室温时钢的力学性能，不仅与加热、保温后所获得的室温时钢的力学性能，不仅与加热、保温后所获得的奥奥氏体晶粒大小氏体晶粒大小等有关，而且决定于奥氏体经冷却转变后所等有关，而且决定于奥氏
10、体经冷却转变后所获得的获得的组织组织，而而冷却方式冷却方式和和冷却速度冷却速度对奥氏体的组织转变对奥氏体的组织转变有直接的关系。有直接的关系。冷却方式通常有两种：冷却方式通常有两种：连续冷却连续冷却使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变的过程中发生组织转变 。如在热处理生产上经常使用的，。如在热处理生产上经常使用的，在在水中、油中或空气中水中、油中或空气中冷却等都是连续冷却方式。冷却等都是连续冷却方式。等温冷却等温冷却使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到速度冷到A1线以下线以下的一定的温度，这时奥氏体尚未
11、转变，的一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。但成为过冷奥氏体。然后进行保温然后进行保温，使奥氏体使奥氏体等温等温下发下发生生转变。转变。转变完成后再冷却到室温。如转变完成后再冷却到室温。如等温退火等温退火属于等属于等温冷却方式。温冷却方式。等温转变等温转变：是指进行一系是指进行一系列不同过冷度的列不同过冷度的等温冷却等温冷却实验实验，可以测出，可以测出过冷奥氏过冷奥氏体体保温过程中保温过程中开始转变时开始转变时间间和和转变终了时间转变终了时间,标注在标注在温度温度时间时间坐标系中，然坐标系中，然后将开始转变时间和转变后将开始转变时间和转变终了时间分别连接起来，终了时间分别连接起来
12、，这种曲线类似英文字母这种曲线类似英文字母“C”又称又称“C”曲线。曲线。共析钢奥氏体的等温转变曲线共析钢奥氏体的等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变曲线 共析钢奥氏体等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变曲线珠光体转变区珠光体转变区高温转变产物（高温转变产物（F+Fe3C）在在Ar1550之间等温转变成片层之间等温转变成片层状状珠光体产物。珠光体产物。珠光体（珠光体（P)）Ar1650 粗片层粗片层索氏体（索氏体（S)650600 细片细片托氏体（托氏体（T）600550 极细片极细片 都是由都是由铁素体和渗碳体铁素体和渗碳体的片层所的片层所组成的机械混合物。组成的机械混合物。
13、贝氏体转变区贝氏体转变区 中温中温转变产物（转变产物（B）在在550 230（MS）之间）之间的等温转变产物为贝氏体。的等温转变产物为贝氏体。550 350 上贝氏体上贝氏体 350 230 下贝氏体下贝氏体由由含碳过量的铁素体和微小含碳过量的铁素体和微小的渗碳体的渗碳体混合而成。比珠光混合而成。比珠光体的硬度更高。体的硬度更高。马氏体转变区马氏体转变区低温转变产物（低温转变产物（M）共析钢奥氏体过冷到共析钢奥氏体过冷到230（MS）以下转变以下转变产物为马氏体。产物为马氏体。它实质上它实质上C在在-Fe中的中的过饱和过饱和固溶体。固溶体。4、钢的退火和正火、钢的退火和正火 1）退火）退火 将
14、将钢件加热，保温至钢件加热，保温至奥氏体化后奥氏体化后随炉或埋入随炉或埋入石灰中石灰中使其冷却使其冷却(缓慢缓慢)的热处理工艺。的热处理工艺。目的目的细化晶粒，提高塑性和韧性；细化晶粒，提高塑性和韧性；降低表层硬度，利于切削加工；降低表层硬度，利于切削加工；消除内应力。消除内应力。主要应用于主要应用于铸钢件、锻件、焊件铸钢件、锻件、焊件等多种毛坯等多种毛坯加工前的加工前的预备热处理。预备热处理。应用应用退火按其钢种的应用不同，分为退火按其钢种的应用不同，分为完全退火、球化退火完全退火、球化退火和和低温退火低温退火三种不同工艺三种不同工艺完全退火完全退火加热温度：加热温度：Ac3+3050，完全
15、奥氏体化；完全奥氏体化；冷却：炉冷至冷却：炉冷至500后开炉空冷后开炉空冷缓慢缓慢冷却。冷却。应用：应用：亚共析钢亚共析钢的铸钢件、锻的铸钢件、锻、焊件焊件。球化退火球化退火应用：应用：过共析钢过共析钢（刀具、刃具）（刀具、刃具）作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火作用：降低硬度，利于切削加工，并为进一步淬火做准备。做准备。组织变化特征：组织变化特征：加热温度：加热温度：Ac1+2030；冷却：随炉冷却：随炉缓慢缓慢冷却；冷却；低温退火低温退火(去应力退火去应力退火)加热温度：加热温度：500650以下以下(60HRC）用途：做小型工、模具用途：做小型工、模具牌号：用牌号：用“T”表示
16、，其后面的一位或两位表示表示，其后面的一位或两位表示钢中平均含碳量的钢中平均含碳量的千分之几。千分之几。如：如：T8，T10，T10A，T12；后面后面A表示表示高级优质高级优质碳素工具钢一般均为优质钢。见碳素工具钢一般均为优质钢。见P32表表1-6二、低合金钢低合金钢低合金钢指合金总含量低（低合金钢指合金总含量低（3%）、含碳量也较低）、含碳量也较低的合金结构钢。的合金结构钢。热处理：热处理：退火或正火退火或正火性能：性能：较高的强度、塑性、韧性和耐磨性、较高的强度、塑性、韧性和耐磨性、良好的焊接性。良好的焊接性。用途：用途：桥梁、桥梁、汽车、汽车、铁路、船舶、锅炉、高铁路、船舶、锅炉、高压
17、容器、钢筋、矿用设备等压容器、钢筋、矿用设备等分类：可焊接低合金高强度钢分类：可焊接低合金高强度钢、低合金耐火钢、低合金耐火钢、低合金钢筋钢、铁路用低合金钢、矿用低合金钢低合金钢筋钢、铁路用低合金钢、矿用低合金钢应用最广是应用最广是低合金高强度钢，低合金高强度钢，其牌号表示方法与碳素结构钢相同。其牌号表示方法与碳素结构钢相同。见见P33表表1-7三、合金钢三、合金钢1、合金结构钢、合金结构钢分类及用途：低碳合金结构钢用于渗碳件；中碳合金结构钢调分类及用途：低碳合金结构钢用于渗碳件；中碳合金结构钢调质、渗氮件；质、渗氮件；高碳合金结构钢用于制造弹簧。高碳合金结构钢用于制造弹簧。牌号：牌号：采用采
18、用“数字数字+元素符号元素符号+数字数字”来表示。来表示。前面的数字表示前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几钢的平均含碳量，以万分之几表示，如：平表示，如：平均含碳量为均含碳量为0.25%，以，以25表示；表示；后面后面的数字表示的数字表示合金的含量，合金的含量，以平均含量的以平均含量的百分之几百分之几表示，表示，合金元素小于合金元素小于1.5%时，编号中只标明元素，不标明含量如果时，编号中只标明元素，不标明含量如果平均含量等于和大于平均含量等于和大于1.5%、2.5%、3.5%，则相应的用，则相应的用2、3、4.表示，如：含表示，如：含0.370.45%C、0.81.1%Cr的铬钢的铬钢
19、40Cr当钢中合金元素超过低合金钢的限度时当钢中合金元素超过低合金钢的限度时合金钢合金钢属于优质钢和高级优质钢属于优质钢和高级优质钢2、合金工具钢、合金工具钢用途：制造刀具、量具、模具等，工作温度达用途：制造刀具、量具、模具等，工作温度达600。C分类：刀具、量具用钢、耐冲击工具用钢、分类：刀具、量具用钢、耐冲击工具用钢、冷作模具钢、热作模具钢冷作模具钢、热作模具钢牌号：牌号：平均含碳量平均含碳量1.0%时，不标出，时，不标出，1.0%时以时以千分之几千分之几表示。表示。高高速钢速钢例外，例外，平均含碳量平均含碳量1.0%，Cr、Mn平均含量平均含量1.5%的合金工的合金工具钢，具钢，9SiC
20、r表示平均含碳量为表示平均含碳量为0.9%，Cr、Mn平均含量平均含量1.5%的合金工的合金工具钢，具钢，W18Cr4V表示表示含碳量为含碳量为0.700.80%，W、Cr、V平均含量分别为平均含量分别为18%、4%、1.5%的的高速钢高速钢3、特殊性能钢、特殊性能钢包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。包括不锈钢，耐热钢，耐磨钢，磁钢等。如：如：2Cr13，1Cr18Ni9等等不锈钢在石油、化工、食品、医药、装饰不锈钢在石油、化工、食品、医药、装饰应用最广。应用最广。合金钢的各种化学成分、热处理、用途合金钢的各种化学成分、热处理、用途见见P35表表1-8 选材的一般原则选材的一般原则1.材料的
21、力学性能材料的力学性能 在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所损坏形式找出所选材料的主要力学性能指标选材料的主要力学性能指标，这是保证，这是保证零件经久耐用的先决条件。零件经久耐用的先决条件。2.材料的工艺性能材料的工艺性能 材料的工艺性能的好坏对加工生产有直接的影响，材料的工艺性能的好坏对加工生产有直接的影响，几种重要的工艺性能如下：几种重要的工艺性能如下：铸造性能：包括流动性能、收缩、偏析等。铸造性能：包括流动性能、收缩、偏析等。锻造性能：包括可锻性、抗氧化性等锻造性能：包括可锻性、抗氧化性等机械加工性：包括光洁度、切削加
22、工性等机械加工性：包括光洁度、切削加工性等热处理工艺性：淬透性、回火脆性、氧化脱碳倾向等热处理工艺性：淬透性、回火脆性、氧化脱碳倾向等 一般来说，碳钢的锻造、切削加工性能较好，其机一般来说，碳钢的锻造、切削加工性能较好，其机械性能可以满足一般零件的工作条件要求，因此械性能可以满足一般零件的工作条件要求，因此碳钢碳钢的用途较广的用途较广。但其强度还不够高，淬透性差。制造大。但其强度还不够高，淬透性差。制造大面积形状复杂零件，常选用面积形状复杂零件，常选用合金钢。合金钢。3.材料的经济性材料的经济性 在满足使用性能的前提下，选用材料时还应注意降在满足使用性能的前提下，选用材料时还应注意降低零件的低
23、零件的总成本总成本。零件的总成本包括材料本身的价格。零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的一些费用。和与生产有关的一些费用。在金属材料中，在金属材料中，碳钢和铸铁碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，的价格是比较低廉的，因此在满足零件力学性能的前提下选用因此在满足零件力学性能的前提下选用碳钢和铸铁，碳钢和铸铁，不仅具有较高的加工工艺性能，而且可降低成本。不仅具有较高的加工工艺性能，而且可降低成本。复习题复习题1.何谓退火和正火？两者的特点和用途有什么不同？何谓退火和正火？两者的特点和用途有什么不同？2.钢淬火后所获得的马氏体组织与铁素体有何相同和钢淬火后所获得的马氏体组织与铁素体有何相同和不同之处？钢中的马氏体组织表现出什么特性？不同之处？钢中的马氏体组织表现出什么特性？3.钢在淬火后为什么要回火？三种类型回火的加热温钢在淬火后为什么要回火？三种类型回火的加热温度规范、目的和应用有什么不同？度规范、目的和应用有什么不同？4.说明锯条、汽车钢板弹簧、车床主轴、变速箱齿轮、说明锯条、汽车钢板弹簧、车床主轴、变速箱齿轮、发动机曲轴的最终热处理工艺。发动机曲轴的最终热处理工艺。