《机械工程材料(第4版)》教学课件-第2章碳钢2.ppt

1、第二章第二章 碳钢碳钢CARBON STEEL纯金属的组织和性能纯金属的组织和性能铁碳合金中的相和组织组成物铁碳合金中的相和组织组成物Fe-Fe3C相图相图钢中常存杂质元素对钢性能的影响钢中常存杂质元素对钢性能的影响钢锭的组织和缺陷钢锭的组织和缺陷碳钢的分类、牌号及用途碳钢的分类、牌号及用途压力加工对钢组织和性能的影响压力加工对钢组织和性能的影响纯铁的晶体结构纯铁的晶体结构纯铁的结晶纯铁的结晶第一节第一节 纯铁的组织和性能纯铁的组织和性能STRUCTURE AND PROPERTIES OF PURE IRON工业纯铁的组织和性能工业纯铁的组织和性能THE END 1.1.过冷现象和过冷度过冷

2、现象和过冷度 一、纯铁的结晶一、纯铁的结晶 纯铁的冷却曲线（部分）纯铁的冷却曲线（部分）1)1)冷却曲线冷却曲线THE END2)2)过冷现象过冷现象 实际开始结晶温度低于理论结实际开始结晶温度低于理论结 晶温度的现象晶温度的现象不同冷却速度下的冷却曲线不同冷却速度下的冷却曲线THE END3)3)过冷度过冷度 实际开始结晶温度与理论温实际开始结晶温度与理论温 度的差值度的差值T0nTTT0T 理论结晶温度理论结晶温度 实际开始结晶温度实际开始结晶温度nT4)4)结晶的必要条件结晶的必要条件 过冷度大于零过冷度大于零0TTHE END晶核形成晶核形成 晶核长大晶核长大纯铁结晶过程示意图纯铁结晶

3、过程示意图 2.2.结晶过程结晶过程 提高冷却速度，如用提高冷却速度，如用 金属模等金属模等 加形核剂加形核剂(孕育处理孕育处理)搅拌、振动搅拌、振动 4.4.铸造工艺中细化晶粒铸造工艺中细化晶粒 的方法的方法THE END 3.3.细晶强化细晶强化 同一金属同一金属,晶粒细小晶粒细小的有更高的强度、硬度、的有更高的强度、硬度、塑性和韧性塑性和韧性 1.1.晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念1)1)晶体晶体 原子原子(或原子团，离子或离子团，分或原子团，离子或离子团，分 子或分子团子或分子团)在空间有规则的周期性在空间有规则的周期性 重复排列的固体重复排列的固体 二、纯铁的晶体结构二、纯铁的

4、晶体结构纯铁晶粒纯铁晶粒的内部结的内部结构示意图构示意图THE END2)2)金属的典型金属的典型 晶体结构晶体结构三种常见的金属晶胞三种常见的金属晶胞 a)a)bcc b)fcc c)cph体心立方结构体心立方结构(bcc)面心立方结构面心立方结构(fcc)密排六方结构密排六方结构(cph)THE ENDBCC 结构结构FCC 结构结构CPH 结构结构 2.2.晶体缺陷的基本概念晶体缺陷的基本概念 晶体缺陷晶体缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷(位错位错)面缺陷面缺陷点缺陷示意图点缺陷示意图1)1)点缺陷点缺陷空位空位间隙原子间隙原子THE END(1)(1)刃型位错刃型位错2)2)线缺陷（位错）

5、线缺陷（位错）刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错(2)(2)螺螺 型型 位位 错错3)3)面缺陷面缺陷晶界晶界 亚晶界亚晶界相界相界晶界晶界(a)(a)及亚晶界及亚晶界(b)(b)的示意图的示意图(1)(1)晶界及亚晶界晶界及亚晶界THE END(2)(2)单晶体的各向异性和多晶体的各向同性单晶体的各向异性和多晶体的各向同性金属单晶体金属单晶体 (a)和多晶体和多晶体 (b)结构示意结构示意图图THE END4)4)晶体缺陷对金属力学性能的影响晶体缺陷对金属力学性能的影响晶体缺陷晶体缺陷 晶格畸变晶格畸变 强化强化金属的屈服强度与其中位错密度的关系金属的屈服强度与其中位错密度的关系THE END

6、纯铁的屈服强度纯铁的屈服强度(a)(a)和韧性和韧性(b)(b)与晶粒大小的关系与晶粒大小的关系THE END 3.3.纯铁的晶体结构及同素异构转变纯铁的晶体结构及同素异构转变纯铁有三种不同晶体结构纯铁有三种不同晶体结构T91213941538)(bccFe)(fccFe)(bccFeTHE END 1.1.工业纯铁室温下的组织工业纯铁室温下的组织工业纯铁的显微组织工业纯铁的显微组织 125 三、工业纯铁的组织和性能三、工业纯铁的组织和性能n 多晶体多晶体n bcc 结构结构Fen THE END 2.2.工业纯铁室温下的性能工业纯铁室温下的性能 n 低强度低强度=100170 MPas=18

7、0230 MPabn 高塑性和韧性高塑性和韧性=30%50%=70%80%=160200J/cm2Kan 铁磁性铁磁性n 低硬度低硬度 80HBS 3.3.工业纯铁的应用工业纯铁的应用:电工材料电工材料 THE END第二节铁碳合金中的相第二节铁碳合金中的相PHASE IN Fe-C ALLOY相相 体系中成分、结构、性能相同且与体系中成分、结构、性能相同且与 其他部分有界面隔开的均匀部分其他部分有界面隔开的均匀部分合金中的相合金中的相固溶体固溶体化合物化合物THE END一、铁与碳形成固溶体一、铁与碳形成固溶体 铁素体和奥氏体铁素体和奥氏体置换固溶体置换固溶体 (a)及间隙固溶体及间隙固溶体

8、 (b)示意图示意图 1.1.固溶体固溶体置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体THE ENDn 铁素体的晶体结构铁素体的晶体结构 bccn 铁素体的最大固溶度铁素体的最大固溶度 0.0218%(727)2.2.铁素体铁素体 (F 或或 )碳原子固溶在碳原子固溶在 -Fe 中的间隙固溶体中的间隙固溶体n 奥氏体的晶体奥氏体的晶体结构结构 fccn 奥氏体的最大固溶度奥氏体的最大固溶度 2.11%(1148)3.3.奥氏体奥氏体 (A 或或 )碳原子固溶在碳原子固溶在 -Fe中中 的间隙固溶体的间隙固溶体 4.4.固溶强化固溶强化 与纯金属相比，固溶体的硬度与纯金属相比，固溶体的硬度 强度升高

9、，而塑性韧性下降强度升高，而塑性韧性下降形成置换固溶体形成置换固溶体（a)和间隙固溶和间隙固溶（b)时的晶格畸变时的晶格畸变 5.5.铁素体和奥氏体的力学性能特点铁素体和奥氏体的力学性能特点n 较高的硬度和强度较高的硬度和强度(与纯铁相比与纯铁相比)n 较高的塑性和韧性较高的塑性和韧性(与渗碳体相比与渗碳体相比)THE ENDn 非常复杂非常复杂 二、铁和碳形成化合物二、铁和碳形成化合物 渗碳体渗碳体Fe3C渗碳体的晶胞结构渗碳体的晶胞结构 1.1.渗碳体的晶体结构渗碳体的晶体结构 2.2.渗碳体的力学性渗碳体的力学性 能特点能特点高硬度、低强度、高硬度、低强度、高脆性高脆性(与铁素体与铁素体

10、相比相比)THE END相图的基本概念相图的基本概念Fe-Fe3C第三节第三节 相图相图 PHASE DIAGRAMFe-Fe3C相图分析相图分析Fe-Fe3C典型铁碳合金平衡结晶过程分析典型铁碳合金平衡结晶过程分析THE END一、相图的基本概念一、相图的基本概念 1.1.相图相图 描述缓慢冷却的平衡状态下合金中描述缓慢冷却的平衡状态下合金中 相的种类和数量与温度、成分间关相的种类和数量与温度、成分间关 系的图解。又称状态图或平衡图系的图解。又称状态图或平衡图 T91213941538)(bccFe)(fccFe)(bccFeT1227Fe3CTHE END 2.2.相图的建立相图的建立(以

11、热分析法建立以热分析法建立Cu-NiCu-Ni相图为例相图为例)用热分析法测定用热分析法测定 Cu-Ni 相图相图 3.3.利用相图分析合金的平衡结晶过程利用相图分析合金的平衡结晶过程利用相图分析合金的平衡结晶过程利用相图分析合金的平衡结晶过程L110L0THE END 4.4.杠杆定律杠杆定律已知：合金成分（含已知：合金成分（含Ni量）为量）为r%,合金中液相合金中液相 成分为成分为a%,相成分为相成分为b%求：合金中液相的质量分数及求：合金中液相的质量分数及 相的质量相的质量分数分数MLM 得：得：%100abarM%100abrbMLM1解：MLM ML aM br杠杆定律的力学比喻杠杆

12、定律的力学比喻 rTHE END二、相图分析二、相图分析Fe-Fe3C 1.1.相图中的点、线、区相图中的点、线、区 Fe-Fe3C THE END莱氏体的室温莱氏体的室温组织组织 (200)200)1)1)共晶转变共晶转变 恒定温度下从液相中同时结晶出恒定温度下从液相中同时结晶出两个不同成分的固相的转变两个不同成分的固相的转变 11484.32.113()CLFe C 莱氏体(Ld)2.2.相图中的三相恒温转变相图中的三相恒温转变Fe-Fe3C n 莱氏体硬而脆莱氏体硬而脆THE END2)2)共析转变共析转变 恒定温度下从固相中同时析出恒定温度下从固相中同时析出两个不同成分的固相的转变两个

13、不同成分的固相的转变 7270.770.02183()CFe C 珠光体(P)珠光体的室温珠光体的室温组织组织(500)n 珠光体有良好的珠光体有良好的 综合力学性能综合力学性能THE END3)3)包晶转变包晶转变 恒定温度下一个液相与一个固恒定温度下一个液相与一个固相相生成另一个固相的转变生成另一个固相的转变 14950.090.53CL0.17 THE END三、典型铁碳合金平衡结晶过程分析三、典型铁碳合金平衡结晶过程分析相图中几种典型合金的位置相图中几种典型合金的位置Fe-Fe3C THE END 1.1.共析钢共析钢(=0.77%)的结晶过程的结晶过程Cw共析钢的室温共析钢的室温组织

14、组织 (500)n 室温组织：室温组织：PTHE END 2.2.亚共析钢亚共析钢(0.0218%0.77%)结晶过结晶过程程 Cw亚共析钢（亚共析钢（40钢）的结晶过程示意图钢）的结晶过程示意图亚共析钢亚共析钢（40钢钢）的的室温组织室温组织(500)n 室温组织：室温组织：P+FTHE ENDn 室温组织：室温组织：P+Fe3C过过共析钢共析钢(12钢钢)的室温组织的室温组织,a)硝酸酒精侵蚀硝酸酒精侵蚀,b)苦味酸纳侵蚀苦味酸纳侵蚀(a)(b)3.3.过共析钢过共析钢(0.77%2.11%)的结晶过程的结晶过程Cw 4.4.共晶白口铸铁共晶白口铸铁(=4.3%)的结晶过程的结晶过程Cw共

15、晶白口铸铁的共晶白口铸铁的室温组织室温组织(200)n 室温组织：室温组织：dLTHE END 5.5.亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁(2.11%4.3%)结晶过程结晶过程 Cw亚共晶白口铸铁的亚共晶白口铸铁的室温组织室温组织(250)n 室温组织室温组织:dL+P+Fe3CTHE END 6.6.过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁(4.3%T再再 时时 退火温度越高退火温度越高,再结晶晶粒越大再结晶晶粒越大THE END2)2)退火温度退火温度应变量及退火温度对低碳应变量及退火温度对低碳钢（钢（0.06%0.06%）再结晶）再结晶后晶体粒子大小的影响后晶体粒子大小的影响Cw不同变形度的工业纯铝相同温

16、度再结晶退火后的晶粒大小比较不同变形度的工业纯铝相同温度再结晶退火后的晶粒大小比较 3.3.再结晶理论的应用再结晶理论的应用n 再结晶再结晶 消除加工硬化消除加工硬化n 回复回复 去应力退火去应力退火 n 晶粒长大晶粒长大 制备单晶体制备单晶体THE END 三、热压力加工对钢组织和性能的影响三、热压力加工对钢组织和性能的影响钢在热轧时奥氏体的变形和再结晶钢在热轧时奥氏体的变形和再结晶THE END 1.1.热加工与冷加工的区别热加工与冷加工的区别 2.2.热压力加工钢的组织和性能热压力加工钢的组织和性能n 焊合气孔焊合气孔n 细化组织细化组织 n 冷加工冷加工:,只有加工硬化只有加工硬化,无

17、再结晶软化无再结晶软化T T再再n 形成热加工流线形成热加工流线THE END曲轴流线分布示意图曲轴流线分布示意图THE END第六节第六节 碳钢的分类、牌号碳钢的分类、牌号及用途及用途CLASSIFICATION AND NAME AND USE OF CARBON STEEL碳钢的分类碳钢的分类碳钢的牌号和用途碳钢的牌号和用途THE END 一、碳钢的分类一、碳钢的分类 0.25%CwCw=0.30%0.60%0.60%Cw按碳含量按碳含量中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢低碳钢低碳钢按质量按质量普通碳素钢普通碳素钢优质碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢高级优质碳素钢0.035%SwPw0.035%0.

18、030%SwPw0.030%0.020%SwPw0.030%按用途按用途碳素结构钢碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢THE END 二、碳钢的牌号和用途二、碳钢的牌号和用途 1.1.普通碳素结构钢普通碳素结构钢1)1)牌号：牌号：2)2)用途：构件，不重要的零件用途：构件，不重要的零件3)3)使用状态：供应态使用状态：供应态THE END 2.2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢1)1)牌号及用途牌号及用途08 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65构构 件件 渗碳件渗碳件轴类轴类弹弹 簧簧2)2)使用状态：各种热处理使用状态：各种热处理THE END 3.3.工具钢工具钢1)1)牌号牌号T7 T8 T9 T10 T11 T12 T132)2)用途用途:各种工具各种工具3)3)使用状态：各种热处理使用状态：各种热处理THE END