大工14春《机械工程材料》辅导资料5..docVIP

《机械工程材料》辅导资料五 主 题：第章 这周我们将本课程第章， 2、凝固组织及其控制 一、铁碳合金相图 铁碳合金是碳钢和铸铁的总称。含碳量0.0218％c-2.11%c的称为“碳钢”。大于2.11%c，小于6.69%c的称为“铸铁”。 铁碳合金相图实际上是Fe—Fe3C相图，因为含碳量大于6.69%c铁碳合金脆性过大，在工业上无意义。 （一）铁碳合金的组元和相 1、纯铁及铁基固溶体 纯铁在固态下有三种同素异构体，δ－Fe、γ－Fe、α－Fe。 通常所说的工业纯铁是指室温下的α－Fe，0.2=100-170MPa；σb=180-270MPa；δ=30-50%；ψ=70-80%，HB=50-80，aK=18-25J/cm2。 铁素体：碳溶解在α－Fe中形成的固溶体，F”。 体心立方晶格，最高存在温度：912℃。 含碳量:727℃；0.0218%c；:0.0008%C； 显微组织：明亮的，多边形颗粒。如下图所示； 性能：与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性高。 图1 铁素体组织 2、铁与碳形成的化合物（Fe3C）称为“渗碳体”。用符号“Fe3C”或“Cm”表示。 复杂斜方晶格；最高存在温度1227℃。 含碳量：6.69%c； 性能：硬而脆，HB≈800；aK≈0； Fe3C→3Fe＋C，所分解出的单质碳称为“石墨”。这一分解在铸铁中有着重要意义。 由于碳在α－Fe中的溶解度很低，所以铁碳合金常温下碳主要是以渗碳体或石墨的形式存在。 （二）铁碳合金相图的分析 1、Fe－Fe3C相图 图2 以相组成物标注的铁碳合金相图 图中，共有三个基本相图组成（包晶、共晶、共析相图）。 有5个基本相：液相L、高温铁素体相δ、铁素体相F、奥氏体A、渗碳体相Fe3C。 5个单相区，L、δ、F、A、Fe3C； 7个两相区：L＋δ、L＋A、L＋Fe3C、 δ＋A、A＋Fe3C、A＋F、F＋Fe3C；ABCD液相线、AHJECF固相线； 各特征点的温度、成分及含义见表1。 表1 铁碳合金相图中各特征点的说明 三条水平线（三相区）： HJB线，包晶线（1495℃） 成分范围：0.09%-0.53%c；L0.53+δ0.09→A0.17； 转变产物：奥氏体； ECF线，共晶线（1148℃） 成分范围：2.11%-6.69%c 共晶反应：L4.3→A2.11＋Fe3C； Le（A＋Fe3C共晶)； 莱氏体是Fe3C基分布着A的机械混合物。显微组织形态：蜂窝状； 性能：硬而脆（HB700）。 PSK线，共析线（727℃）， A1线； 成分范围：0.0218%-6.69%c；A0.77→F0.0218+Fe3C共析 反应产物：珠光体P（F0.0218+Fe3C共析） 珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物 显微组织：片层状 性能：介于两相之间。 2、根据母相、组织形态渗碳体可分为五种： 一次渗碳体（由液体中直接结晶，，， 1、工业纯铁（＜0.0218%c） 显微组织铁素体晶粒，工业上很少使用。 2、碳钢（0.0218%c-2.11%c） 高温组织为奥氏体塑性好，(0.0218%c-0.77%c；共析钢（0.77%c）；过共析钢（0.77%c-2.11%c）三种。 3、白口铸铁（2.11%c-6.69%c） 特点铸造性能好，硬而脆。 亚共晶白口铁（2.11%c-4.3%c）；共晶白口铁（4.3%c）；过共晶白口铁（4.3%c-6.69%c）。 白口铸铁通常在工业上很少直接应用，因为其硬度高，不利于机械加工，铸造性能也不如灰口铸铁。 二、凝固组织及其控制 对于单相合金而言晶粒的尺度对性能的影响很大，对于多相合金第二相的尺寸、形态、分布状态往往是合金性能的决定因素。 此外，合金在结晶过程中的边缘效应，对结晶过程的影响，以及结晶后的组织影响也是不容小觑的。 （一）晶粒度 晶粒度通常是指对晶粒的大小的度量。通常使用长度、面积、体积或晶粒度级别数来评定或测定晶粒的大小。 在100倍下645。16mm2N与显微晶粒度级别数G的关系为：N＝2G－1。 比较法详见GB/T6394－2002。 （二）决定晶粒尺寸的因素 结晶后晶粒的尺寸决定于形核速率和长大速度。 形核率：单位时间、单位体积内形成晶核的数目称为“形核率”用“N”来表示。 长大速度：单位时间内晶核生长的长度。用“G”来表示。可见，N/G越大晶粒越细小。 （三）控制晶粒尺寸的方法 1、控制过冷度 通常，N/G值增大，N和G的影响见图3。 图3 过冷度对形核率和长大速度的影响 2、变质处理 有意相液态金属中加入非自发形核物质，从而细化晶粒的方法。所加入的物质称为“变质剂”。金属不同所加入的变质剂不同。 3、振动的、搅拌 结晶时，通过机械振动、电磁搅拌及超声波等方法，打碎树枝晶，并