1、第四章 铁碳合金第一节 铁碳合金的相结构与性能一、纯铁的同素异晶转变-Fe-Fe-Fe体心 面心 体心同素异晶转变固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象。特点： 是形核与长大的过程（重结晶） 将导致体积变化（产生内应力） 通过热处理改变其组织、结构 性能二、铁碳合金的基本相基本相 定义 力学性能 溶碳量铁素体 F 碳在 -Fe 中的间隙固溶体 强度,硬度低，塑性,韧性好 最大 0.0218%奥氏体 A 碳在 -Fe 中的间隙固溶体 硬度低，塑性好 最大 2.11%渗碳体 Fe3C Fe 与 C 的金属化合物 硬而脆 800HBW,=k=0 9.69%第二节 铁碳合金相图一、相图分析两组
2、元：Fe、 Fe3C 上半部分图形（二元共晶相图）共晶转变：1148 727L4.3 A2.11+ Fe3C P + Fe3C 莱氏体 Ld Ld 2、下半部分图形（共析相图）两个基本相：F 、Fe3C共析转变：727A0.77 F0.0218 + Fe 3C珠光体 P二、典型合金结晶过程分类：三条重要的特性曲线 GS 线- 又称为 A3 线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线. ES 线-是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫 Acm 线. PQ 线
3、- 是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于 727C 时达到最大值 0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在 300C 以下溶碳量小于 0.001%.因此当铁素体从 727C 冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为 Fe3C.工业纯铁（ Tr Tr+150250C. 扩散退火:是指为了改善和消除在冶金过程中形成的成分不均匀性而实行的退火.(1) 通过扩散退火可以使在高温下固溶于钢中的有害气体(主要是氢)脱溶析出这时称为脱氢退火.(2) 均匀化退火的任务在于消除枝晶成分偏析改善某些可以溶入固溶体夹杂物(如硫化物)的状态从而使钢的组织与性能趋与均一.扩散退
4、火的加热温度 Ac3 Acm 在固相线以下高温加热同时也要考虑不使奥氏体晶粒过于长大.碳钢 11001200D. 完全退火:是指将充分奥氏体化的钢缓慢冷却而完成重结晶过程的退火.加热温度 Ac3+3050E. 等温退火:是指将奥氏体用较快的速度冷却到临界点以下较高温度范围进行珠光体等温转变的退火.加热温度 Ac3Ac12. 正火:是指将碳合金加热到临界点 Ac3 以上适当温度并保持一定时间然后在空气中冷却的工艺方法 .过共析钢正火后可消除网状碳化物而低碳钢正火后将显著改善钢的切削加工性.所有的钢铁材料通过正火均可使锻件过热晶粒细化和消除内应力.正火比退火的冷却速度快正火后的组织比退火后的组织细
5、.3. 淬火与回火(1). 淬火:是指将钢通过加热、保温和大于临界淬火速度(Vc) 的冷却是过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法.(2). 钢的淬透性:就是钢在淬火时能够获得马氏体的能力它是钢材本身固有的一个属性 .(3). 当淬火应力在工件内超过材料的强度极限时在应力集中处将导致开裂.(4). 回火:本质上是淬火马氏体分解以及碳化物析出、聚集长大的过程.它与淬火不同点是由非平衡态向平衡态(稳定态)的转变.4. 化学热处理:是将工件放在一定的活性介质中加热使非金属或金属元素扩散到工件表层中、改变表面化学成分的热处理工艺.(如:渗入碳、氮、硼、钒、铌、铬、硅等元素)第五部分 宏观检验一.
6、 宏观检验主要可分为低倍组织及缺陷酸蚀检验、断口检验、硫印检验等.二. 酸蚀试验在宏观检验领域中酸蚀检验是最常用的检验金属材料缺陷、评定钢铁产品质量的方法.如果一批钢材在酸蚀中显示出不允许存在的缺陷或超过允许程度的缺陷时其它检验可不必进行.1. 酸蚀试验:是用酸蚀方法来显示金属或合金的不均匀性.(1) 热酸浸蚀实验方法(2) 冷酸浸蚀实验方法(3) 电解腐蚀实验方法2. 酸蚀试验所检验的常见组织和缺陷A:偏析:是钢中化学成分不均匀现象的总称.在酸蚀面上偏析若是易蚀物质和气体夹杂物析集的结果将呈现出颜色深暗、形状不规则而略凹陷、底部平坦的斑点;若是抗蚀性较强元素析集的结果则呈颜色浅淡、形状不规则
7、、比较光滑微凸的斑点.根据偏析的位置和形状可分为中心偏析、锭型偏析(或称方框偏析) 、点状偏析、白斑和树枝状组织.中心偏析:出现在试面中心部位形状不规则的深暗色斑点.锭型偏析:具有原钢锭横截面形状的、集中在一条宽窄不同的闭合带上的深暗色斑点.B. 疏松:这种缺陷是钢凝固过程中由于晶间部分低熔点物最后凝固收缩和放出气体而产生的孔隙.在横向酸蚀面上这种孔隙一般呈不规则多边形、底部尖狭的凹坑这种凹坑多出现在偏析斑点之内.根据疏松分布的情况可分为中心疏松和一般疏松.C. 夹杂:宏观夹杂可分为外来金属、外来非金属和翻皮三大类.D. 缩孔:由于最后凝固的钢液凝固收缩后得不到填充而遗留下来的宏观孔穴.E.
8、气泡:由于钢锭浇注凝固过程中所产生和放出气体所造成的.一般可分为皮下气泡和内部气泡两类.a. 皮下气泡: 由于浇注时钢锭模涂料中的水分和钢液发生作用而产生的气体.b. 内部气泡:又可分为蜂窝气泡和针孔气泡.蜂窝气泡是由于钢液去气不良所导致一般为不允许存在的缺陷存在钢坯内部在试面上较易浸蚀象排列有规律的点状偏析但颜色更深暗些;针孔是因为较深的皮下气泡在锻轧过程中未焊合而被延伸成细管状在横试面上呈孤立的针状小孔.白点:也称发裂是由于氢气脱溶析集到疏松孔中产生巨大压力和钢相变时所产生的局部内应力联合造成的细小裂缝.在横试面上呈细短裂缝三. 硫印检验是一种定性检验是用来直接检验硫元素并间接检验其它元素
9、在钢中偏析或分布情况的操作.硫印检验时先用 510%的稀硫酸水溶液浸泡相纸 5 分钟左右后取出去除多余的硫酸溶液把湿润的相纸感光面贴到受检表面上应确保相纸与试样面的紧密接触不能发生任何滑动 排除相纸与试样面的气泡和液滴.其化学反应大致为:MnS+H2SO4MnSO4+H2SFeS+H2SO4FeSO4+H2SH2S+2AgBr2HBr+Ag2S几秒到几分钟后将从试面上揭下的相纸在水中冲洗约 10 分钟然后放入定影液中定影 10 分钟以上取出后在流动水中冲洗 30 分钟以上干燥后既成.四. 断口检验1. 脆性断口:通常工程上把没有明显塑性变形的断裂统称为脆性断裂发生脆性断裂的断口为脆性断口.脆性
10、断口也称晶状断口是指出现大量晶界破坏的耀眼光泽断口断口中晶状区的面积与断口原始横截面积的百分比则是脆性断面率也称晶状断面率.2. 结晶状断口:此种断口具有强烈的金属光泽 有明显的结晶颗粒断面平齐而呈银灰色.是一种正常的断口.属于脆性断口.3. 纤维状断口:这种断口呈无光泽和无结晶颗粒的均匀组织.通常在断口的边缘有明显的塑性变形.一般情况下是允许存在的.属于韧性断口.4. 瓷状断口:是一种类似瓷碎片的断口呈亮灰色、致密、有绸缎的光泽和柔和感.是一种正常的断口.5. 台状断口:这种断口出现在纵向断面上呈比基体颜色略浅、变形能力稍差、宽窄不同、较为平坦的片状(平台状).多分布在偏析内.6. 撕痕状断
11、口:这种断口出现在纵向断面上沿热加工方向呈灰白色、变形能力差致密而光滑的条带.7. 层状断口:这种断口出现在纵向断面上呈劈裂的朽木状或高低不平的、无金属光泽的、层次起伏的条带条带中伴有白亮或灰色线条.8. 缩孔残余断口:出现在纵向断口的轴心区是非结晶状条带或疏松区有时伴有非金属夹杂物或夹杂沿条带常带有氧化色.9. 石状断口:在断口表面呈现粗大而凹凸不平的沿晶界断裂的粗晶颜色暗灰而无金属光泽象有棱角的沙石颗粒堆砌在一起.10. 萘状断口:是一种脆性穿晶的粗晶断口在断口面上呈现弱金属光泽的亮点或小平面用掠射光线照射时由于各个晶面位向不同这些亮点或小平面闪耀着萘状晶体般的光泽.11. 疲劳断口:在远
12、低于金属材料的抗拉强度的交变应力作用下经过一定周次后材料会发生突然破断但在破断前夕没有明显的宏观塑性变形这种现象称为疲劳破坏.疲劳断口的宏观特征通常呈现为两个断裂区即平滑区和粗粒状区.12. 韧性(塑性) 断口:通常工程上把发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂其断口形貌为韧性 (塑性)断口.它的形貌特征为:断口呈暗灰色没有金属光泽看不到颗粒状形貌断口上有相当大的延伸边缘有比较大的剪切唇.13. 穿净断裂即可以是韧性断裂也可以是脆性断裂.五.钢的凝固过程钢液浇注后由于模壁的散热作用使靠模壁处的钢液先达到过冷状态加上模壁对形核起促进作用所以接触模壁处的钢液首先形核结晶.离模壁越近温度越低则形核率愈
13、大其结果形成细小的等轴晶粒.随着细晶区的形成钢液冷却速度大为减慢这种情况虽然限制了晶核的生成但仍具备晶体长大的热力学条件.由于主轴方向与模壁垂直的晶粒散热速度最快故晶体也就在垂直模壁的方向上以很大的线速度向液体内伸展.这时树枝晶的主轴差不多垂直于模壁结晶放出的潜热通过已结晶的固体和模壁散失.这样在细小等轴晶粒内层长成粗大的、单方向的柱状晶体.当中心区域的钢液温度继续下降出现过冷条件同时存在着促使非自发形核的夹杂物时以致使整个残留液体中几乎同时出现结晶核心而且这些结晶核心长出的树枝晶可向各个方向生长故最后在锭中心形成无定向的粗大等轴晶粒.第六部分 金相检验一. 试样的制备过程1. 镶嵌:当试样形
14、状不规则或较小(如线材、细小管材、薄板等) 、较软、易碎或者边缘需要保护时必须将试样镶嵌起来变成易于制备的试样.2. 磨(抛) 光: 磨(抛)制试样时用力一定要均匀同时要保证试样的温度不能升高以免对组织产生影响.3. 腐蚀二. 金相显微镜1. 物镜:显微镜成象质量主要决定于物镜的优劣因此它是显微镜中最重要的光学零件. 物镜外壳上的标记:45 / 0.65 a. 放大倍数:用符号“x”表示也有省去 “x”仅刻数字的如 45 倍刻成 45x 或 45 .b. 数值孔径一般直接标注在放大倍数之下如 0.65 .d. 机械镜筒长度用数字表示如 160 毫米为 160;而“”表示物镜象差是按任意镜筒长度
15、校正的.2. 物镜的分辨率:是指将试样上细微组织构成清晰可分的能力.3. 象差:一般实用光束均要有一定宽度而且物体的发光点也不可能全部都在光轴上对不同波长的光折射率也不相同因此实际的光学系统与近轴光学系统所得图象有所偏差这就是象差.4. 目镜:是将物镜放大的中间象再放大.5. 放大倍数=物镜放大倍数 X 目镜放大倍数6. 观察:为了保证在聚焦过程中不使物镜触及试样操作的次序是先调节粗动螺丝使物镜接近试样表面再通过目镜观察试样时调整粗动螺丝再用微动螺丝对准物象.三. 暗室技术1. 底片:是在透明的片基上涂上感光银盐制成的.2. 相纸:是在厚 0.150.30 毫米的高级纸上涂上感光乳剂制成.3.
16、 照片的制作过程照相底片的冲洗显影、冲洗( 停影)、定影、晾干印相( 或放大) 相纸的冲洗显影、冲洗( 停影) 、定影、晾干四.相关标准(一) 金属显微组织检验方法 GB/T13298-911. 试样的浸蚀一般情况下显示组织用 3%4%的硝酸酒精溶液浸蚀.2. 在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒.3. 渗碳体不会被硝酸酒精腐蚀所以在显微镜下呈现白亮颜色.但在碱性苦味酸中易被腐蚀因而此时被染为深色.4. 珠光体在高倍显微镜下可以看到条壮渗碳体分布于铁素体机体上;在低倍镜下珠光体呈片层壮特征.(二) 奥氏体晶粒度的概念1. 起始晶粒度:就是珠光体刚完全转变成奥氏体时的晶粒度.2. 实际晶粒
17、度:把在一个具体条件下所得到的奥氏体晶粒的大小叫做奥氏体的实际晶粒度.如热轧钢材一般是指热轧终了时的奥氏体晶粒度.3. 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.(三) 金属平均晶粒度测定法 GB 6394-86晶粒度:表示晶粒的大小通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示.1. 比较法是通过与标准评级图对比来评定晶粒度的.测定等轴晶粒的晶粒度使用比较法最简便.使用比较法时如需复验应改变观察的放大倍数以克服初验结果可能带有的主观偏见.2. 在有孪晶材料中每个晶粒和它内部的孪晶带应视为一个晶粒.3. 一般应用时每一个给定面积内含有 100 粒以上便可满足统计学条件实际测定时为便于计
18、数可降到 50 粒.4. 晶粒度级别指数 G:在 100 倍下 645.16mm面积内包含的晶粒数 n 与 G 有如下关系 n=2G-15. 测定晶粒度用的试样应在交货状态的材料上切取. 试样不允许重复热处理.6. 面积法是通过统计给定面积内晶粒数 n 来测定晶粒度的. 晶粒度级别指数 G=-2.9542+3.3219Lgna8. 截点法:是通过统计给定长度的测量网格上的晶界截点数来测定晶粒度的.截点 N:观测面上晶界与测量网格的交点. 截距 L:覆盖在一个晶粒上的测量线段的长度.平均截距=L/MN M:观测用的放大倍数 .晶粒度级别指数 G=-3.2877+6.6439Lg(MN/L)9.
19、若试样中发现晶粒不均匀现象经全面观察后如属偶然或个别现象可不予计算.如较为普遍则应计算不同级别晶粒在视场中各占的百分比.若占优势晶粒所占的面积不少于视场面积的 90%时则只记录此一种晶粒的级别指数.否则应用不同级别指数来表示该试样的晶粒度.其中第一个级别指数代表占优势的晶粒度.如:6级 70% 4 级 30% .(四) 钢的脱碳层深度测定法 GB224-871. 脱碳:金属表层上碳的损失.这种损失可以是部分脱碳;全(或近似于全) 脱碳.2. 总脱碳: 部分脱碳和全脱碳这两种脱碳的总和.3. 总脱碳层深度:从产品表面到碳含量等于基体碳含量的那一点的距离.4. 测定方法金相法:此方法是在光学显微镜
20、下观察试样从表面到中心随着碳含量的变化而产生的组织变化.对每一个试样在最深均匀脱碳区的一个显微镜视场内应随机进行至少五次测量以其平均值作为总脱碳层深度.(五) 钢中非金属夹杂物显微评定方法 GB10561-891. 取样部位:自钢材(或钢坯)上切取的检验面应为通过钢材(或钢坯)轴心之纵截面其面积约为 200mm2.2. 夹杂物试样不经过腐蚀在 100下观察.3. 夹杂物种类:A 类硫化物类型B 类氧化铝类型C 类硅酸盐类型D 类球状氧化物类型第七部 钢的分类一. 钢分为两大类1. 碳素钢2. 合金钢二. 碳素钢的分类1. 按含碳量的多少碳素钢可分为:(1) 低碳钢:含碳量小于 0.25%(2)
21、 中碳钢: 含碳量 0.25.06%(3) 高碳钢: 含碳量大于 0.6%2. 按钢的用途的不同 碳素钢可分为:(1) 碳素结构钢:这类钢可制造各种机器零件属于低、中碳钢.(2) 碳素工具钢: 这类钢主要用来制造各种刀具、量具和模具属于高碳钢 .部分钢号中的汉语拼音缩写字母符号表采用汉字及拼音名称汉字 拼音符号碳素工具钢 碳 Tan T焊条用钢 焊 Han H船用钢 船 Chuan C桥梁钢 桥 Qiao Q锅炉钢 锅 Guo g钢轨钢 轨 Gui U铆螺钢 铆螺 Mao Luo ML压力容器用钢 容 Rong R3. 按钢的质量分类根据钢中所含有害杂质硫、磷的多少碳钢可分为:(1) 普通碳素钢:钢中含 S0.055%; P0.045%(2) 优质碳素钢:钢中含 S0.040%; P0.040%(3) 高级优质碳素钢:钢中含 S0.030%; P0.035%4. 按退火状态下的金相组织分碳素钢可分为:(1) 亚共析钢:珠光体+ 铁素体(2) 共析钢:珠光体(3) 过共析钢:珠光体+ 二次渗碳体
