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下一个钢板切割工件：各种法兰定做：偏心法兰钢板零售 一致，越易在收缩时产生裂纹。 此外，单相固溶体合钢板零售的锻造性能好，切削加工性较差，而两相合钢板零售的切削加工性较好，锻造性较差。 第二节铁碳合钢板零售相图 铁是过渡族钢板零售属元素，原子序数26，原子量55.85，密度7.37克/厘米3。纯铁的塑性、韧性好，易于加工变形，但强度、硬度低，工业上使用的大都是铁碳合钢板零售。铁碳合钢板零售的性能由组织决定，组织又由化学成分决定，而铁碳合钢板零售相图正是反映铁碳合钢板零售的组织与成分、温度之间关系的图解，因此，铁碳合钢板零售相图是研究钢铁材料组织、性能的理论基础，同时可作为制定铁碳合钢板零售各种加工工艺和热处理工艺的重要依据。 一、铁碳合钢板零售的平衡组织——相和组成物 铁碳合钢板零售平衡条件下的相和组成物，随含碳量、温度不同而不同，主要有以下几种： (一）铁素体（F) 铁素体是碳在a—Fe中的固溶体，具有体心立方晶格。铁素体的溶碳能力极小，室温时约为0.0008%，727C时溶碳能力知名，为0.02]8%。铁素体由全于含碳量极少，其性能与纯铁很相似，强度、硬度低，塑性、韧性很好，770C以下有磁性。 (二）奥氏体（A) 奥氏体是碳在Y—Fe中的固溶体，具有面心立方晶格，它 的溶碳能力比铁素体大得多,在H48C时知名，可达I.Iiy09727V时为O.77%。奥氏体无磁性，强度和硬度随含碳量增加而提高，由于具有面心立方晶格，不论含碳量多少，其塑性都很好。奥氏体是个高温相，在727C以上存在。 (三）渗碳体（Fe3C) 渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.69%，具有复杂的晶体结构。渗碳体的硬度很高（HB820)，但强度低、脆性大，塑性几乎等于零。 (四）珠光体（P) 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。含碳量为0.77%，铁素体和渗碳体的比大致为7:1。在显微镜下能看到珠光体呈层片状的特征。由于珠光体是由硬、脆的渗碳体片与软、韧的铁素体片彼此相间组成，因此，其性能介于二者之间。珠光体只存在于727X：以下，当温度高于727C时，就转变为奥氏体。 (五）莱氏体（Ld) 莱氏体含碳量4.3%,在温度高于727C时，是渗碳体和奥氏体的机械混合物；在温度低于72厂C时，是渗碳体和珠光体的机械混合物，这时也称变态莱氏体。莱氏体中有大量渗碳体，性能硬而脆。 铁素体、奥氏体和渗碳体都是铁碳合钢板零售组织的基本相，同时也是组织组成物。珠光体和莱氏体是组织组$物，不是相，是两相组成的机械混合物。 ‘? 二、铁碳合钢板零售相图及其分析 铁碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C,FeC等，因此，整个铁碳合钢板零售相图是由Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC、FeC—C等几个二元相图构成。工业上实际应用的铁碳合 FeQIZ946^tM禮 * *图4—16Fe—Fe3C相图此，我们只研究Fe—Fe3C部分，见图4—16。 铁碳合钢板零售相图看上很复杂，实际上是由包晶、共晶、共析三个基本类型相图组成的。 (一）相图中的特征点 铁碳合钢板零售相图中的特征点均采用固定的拉丁字母表示，116 碳在奥氏体中的溶解度线，常以Aon表示包晶转变线Lb十(?卢Aj 共晶转变线LC#AE+Fe3C 共折转变线As—Fp+Fe3C，常以Ai表不 (三）相图中的相区相图中有五个单相区、六个两相区、三条三相共存的水 平线。 单相区：ABCD液相线以上的液相（L)区、ANHA内的6相区、GPQG内的铁素体(F)相区、NJESGN内的奥氏体(A)相区、DFK垂线代表的渗碳体（Fe3C)相区。 两相区：分别存在于两个单相区之间，它们是ABJHA内的L+6、JBCEJ内的L+A、CDFC内的L+Fe3c、NHJN内的6+A、GSPG内的F+A、SEFKS内的A+Fe3c、PSK线和PQ线以内的F+Fe3c。 三相共存的水平线：HJB包晶线上L、6、A三相共存、ECF共晶线上L、A、Fe3C三相共存、PSK共析线上A、F、Fe3C三相共存。 三、铁碳合钢板零售按相分类 铁碳合按在相图中的位置不同可分为三类： (一）工业纯铁（c<0.0218%) (二）钢（0.0218%<c<2.11%)。钢又分为亚共析钢(0.0218%<c<0.77%)；共析钢（c=0.77%);过共析钢(0.77%<c<2.U%)0 (三）生铁（2. 11%<c<6.69%)也叫白口铁。生铁又分为亚共晶生铁（2.11%<c<4.3%);共晶生铁（c=4.3%);过共晶生铁（4.3%<c<6.69%)。 0. 77 2.11含碳量，％4.3 6.69 图4一17六种典型合钢板零售的结晶过程分析 对其平衡的结晶过程进行分析，见图4一17。 (一）共析钢（C=O.77%) 图4一17中合钢板零售I为共析钢。共析钢在温度高于I点时，合钢板零售为液溶体，当温度降至I点时，从液溶体中开始结晶出奥氏体，温度在I点与2点之间时，为液溶体与奥氏体两相共存，随着温度的降低，奥氏体量不断增加，冷却到2点时，液溶体全部结晶成奥氏体，合钢板零售具有单相奥氏体组织，继续冷却到3点（S点）时，发生共析转变，奥氏体全部转变成珠 光体。温度再继续降低时，珠光体基本上不再发生变化，所 图4一18共析钢的显微组织 以常温下共析钢的组织是珠光体，其显微组织见图4一18。 (二）亚共析钢（CC0.77&) 图4—17中合钢板零售I为亚共析钢。温度在I点和3点之间时的结晶过程与共析钢相似。当温度降至3点与GS线相交后，从奥氏体中开始析出铁素体，称为先共析铁素体。随着温度的下降，奥氏体含碳量增加，相对量不断减少，当温度降至4点（727°C)时，剩余的奥氏体含碳量为0.77%，发生共析转变，生成珠光体。温度在4点以下继续冷却过程中铁素体析出三次渗碳体（Fe3Cd,但数量极少，可忽略不计。因此，亚共析钢的室温的平衡组织为铁素体和珠光体，其显微组织见图4一19。 (三）过共析钢（0. 77%<C<2.11%) 图4一I7中合钢板零售I为过井析钢。温度在I点和3点之间的结晶过程与共析钢相似。当温度降至3点与ES线相交后， 120 图4一19亚共析钢的显微组织 从奥氏体中开始析出渗碳体，以网状分布在奥氏体晶界上，这种由奥氏体中单独析出的渗碳体，叫做二次渗碳体。随着温度的下降，析出二次渗碳体的数量增多，奥氏体中含碳量相对降低，当温度降至4点，与PSK线相交时，奥氏体含碳量已降至d.77%，发生共析反应转变成珠光体。过共析钢常温组织为珠光体和网状土次渗碳体，其显微组织见图4一20。 (四）共晶生铁（C=4.3%) 图4一17中合钢板零售IV为共晶生铁。温度在I点以上时，合钢板零售为液溶体。当温度降至I点即C点（1M8C)时，发生共晶转变生成莱氏体Ld(A+Fe3c),继续冷却过程中莱氏体中奥氏体不断析出二次渗碳体，二次渗碳体主要分布在奥氏体边界上，与共晶渗碳体连成一片，无法分辨。当温度降至2点 121 图4一20过共析钢（1.2%C)的显微组织250X与PSK线相交时，剩余奥氏体发生共析转变生成珠光体。此时，高温时的莱氏体（A+Fe3c)转变成低温莱氏体（P+Fe3C)又叫变态莱氏体，用Ld表示。继续冷却至宇温合钢板零售的组织不再发生变化，室温平衡组织为低温莱氏体，由条状或粒状珠光体和渗碳体基体组成，其显微组织见图4一21。 ?(五）亚共晶生铁（2.11%<C<4.3%) 图4一17中合钢板零售V为亚共晶生铁。温度降至I点时，合钢板零售液溶体中析出奥氏体，叫做先共晶奥氏体，继续冷却先共晶奥氏体增多，降至2点时，剩余液溶体发生共晶反应，生成高温莱氏体（A+Fe3c)。在2点以下，继续冷却，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中都析出二次渗碳体，随着二次渗碳体的析出，奥氏体含碳量减少，冷却至3点奥氏体发生共析反应，生成珠光体，高温莱氏体转变为低温莱氏体，3点以下继续冷却，合钢板零售的组织不再发生变化，室温组织为珠光体、低温莱 1%-0.77% 6.69%—0.77% 第三节平衡条件下铁碳合钢板零售的性能 合钢板零售的性能受其组织影响。平衡条件下铁碳合钢板零售的室温组织是由铁素体和渗碳体两相组成，铁素体是个软而韧的相，渗碳体是个硬而脆的相，铁碳合钢板零售的力学性能受这两相影响，情况如下： 硬度主要受组成相的硬度及相对量影响，而受第二相形状、分布影响较小，所以随着含碳量的增加渗碳体数量增加，合钢板零售的硬度呈直线关系增加。 强度的大小除受组成相或组成物性能、相对量影响外，受第二相形状、分布影响很明显。亚共析钢的组织组成物为铁素体和珠光体，渗碳体全部存在于珠光体中，由于珠光体是铁素体和渗碳体层片相间的组织，且组织均匀、细密，有很高的强度，所以在亚共析钢范围内，随着含碳量的增加，珠光体数量增加，钢的强度呈直线增加。含碳量达到0.时，即共析钢，其组织全部是珠光体，这时钢的性能就是珠光体的性能。含碳量超过0.77%以后，为过共析钢，组织由珠光体和二次渗碳体组成，随着含碳量的增加，二次渗碳体析出量增加，并呈网状分布在珠光体周围，起着削弱合钢板零售强度的作用，在含碳量小于1%时，由于二次渗碳体析出量少，且未连成网，钢的强度随含碳量增加仍提高，但已不再成直线关系了，含碳量为1%时，强度达到知名值，含碳量大于1%以后，由于二次渗碳体析出量增加，并形成网状，钢的强度迅速下降，含碳量增加到2.11%后组织中出现莱氏体，强度降到很低。 铁素体具有良好的塑性和韧性，随含碳量的增加，铁素体不断减少，因此，合钢板零售的塑性、韧性不断降低，当渗碳体形成网状后，?塑性、韧性都急剧降低。 平衡条件下含碳量对铁碳合钢板零售力学性能的影响见图4一 为了保证工业用钢具有足够的强度和一定的塑性、韧性，其含碳量一般不超过I.4%。生铁组织中有大量的渗碳体，又硬又脆，难以压力加工和切削加工，故应用不广，主要用作炼钢和铸铁的原料。 图4一25含碳量对钢力学性能的影响 二、物理、化学性能 随着含碳量的增加，铁碳合钢板零售组织中渗碳体增多，合钢板零售的矫顽力呈直线增加；知名导磁率接近呈直线下降，因此，高碳钢可制造永久磁铁（硬磁材料）纯铁可制造电磁铁的铁芯(软磁材料）。此外，随着含碳量的增加，电阻也接近呈直线增加，耐蚀性逐渐下降。 三、工艺造性 1. 铸造性 从铁碳合钢板零售相图可看出，接近共晶成分（d=4.3%)的生铁，液相线和固相线距离最小，而且熔点低，铸造性能好。此外，低碳钢的液相线和固相线距离小，铸造性也很好，但培点较高。 2. 压力加工性 钢的冷压力加工性（指冲压性）随含碳量增加而降低，而128 图4一25含碳量对钢力学性能的影响 二、物理、化学性能 随着含碳量的增加，铁碳合钢板零售组织中渗碳体增多，合钢板零售的矫顽力呈直线增加；知名导磁率接近呈直线下降，因此，高碳钢可制造永久磁铁（硬磁材料）纯铁可制造电磁铁的铁芯(软磁材料）。此外，随着含碳量的增加，电阻也接近呈直线增加，耐蚀性逐渐下降。 三、工艺造性 I-铸造性 从铁碳合钢板零售相图可看出，接近共晶成分（d=4.3%)的生铁，液相线和固相线距离最小，而且熔点低，铸造性能好。此外，低碳钢的液相线和固相线距离小，铸造性也很好，但熔点较高。 2.压力加工性 钢的冷压力加工性（指冲压性）随含碳量增加而降低，而 格，塑性好。 第四节合钢板零售元素对铁碳合钢板零售相图的影响 铁碳合钢板零售中的钢是我们下面学习的重点。钢中除了铁和碳以外，还含有硅、锰、硫、磷、氮、氧、氢等元素，这些元素是原料或冶炼过程中带入的，叫做常存元素。为了适应某些使用要求，特意提高硅、锰的含量或特意加进铬、镍、钨、钼、钒等元素，这些特意加进的或提高含量的元素叫做合钢板零售斥素。 含有合钢板零售元素的钢，叫做合钢板零售钢，在合钢板零售钢中，组织与成分、温度之间关系要用三元或多元相图表示，很复杂。为了便于研究，人们习惯于以铁碳二元合钢板零售相图为基础，来考虑合钢板零售元素对它的影响，以此作为研究合钢板零售钢组织和性能的依据。同时，合钢板零售钢在使用时都要进行热处理，钢在热处理时往往是加热到使组织转变为奥氏体，然后以不同速度冷却，获得所需要的组织和性能。因此，我们在此着重研究合钢板零售元素对铁碳合钢板零售相图中奥氏体相区和S点、E点的影响及其实际意义。 一、对奥氏体相区的影响 I-扩大奥氏体相区 扩大奥氏体相区的元素有锰、镍、铜、氮等。 锰、镍与丫一Fe晶体结构相同，原子半径差很小，能和V —Fe形成无限固溶体。它们加入钢中后，能使相图中的NJ线上升，GS线和PSK线下降，使奥氏体存在范围扩大。图4—26为锰对奥氏体相区的影响。随着它们含量的增多，可以把奧氏体相区扩大到室温，使原先仅在高温存在的奥氏体能在室温稳定地保留下来。这样钢在室温时便具有单相奥氏体组织，这类钢也叫奥氏体钢。工业上广泛应用的高锰耐磨钢、铬镍不锈钢等都属于奥氏体钢。这类钢由于具有单相奥氏体组织，因而有很好的塑性、韧性，同时也具有很大的加工硬化 能力。 氮、铜能部分熔于V—Fe中，形成间隙固溶体，也能扩大奥氏体相区，但由于它们只能部分溶入V-Fe，所以只能少量加入钢中”对钢获得单一奥氏体组织起辅助作用。 2.缩小奥氏体相区130 600 SOO 卞 0.20.40.60.81.01.21-4I. TT8 含碳ac,% 图427铬对奥氏体相区的影响 缩小奥氏体相区的元素有硅、铬、钼、钨、钒、钛等。除硅外，它们的晶体结构多为体心立方晶格，与ex—Fe相同，在Fe中的溶解度远大于在v—Fe中的溶解度，因而都能缩小麩氏体相区。其中铬、钒与《—Fe原子半径也很接近，与《-Fe能无限互溶，当这些元素含量达到-定量时，可使奥氏体相区封闭以致完全消失。当钢中加入这些元素后，能使相图中的NJ线下降，GS线和PSK线上升，使奥氏体相区缩小，以至消失。图4-27为铬对奥氏体相区的影响。如钢中含有大量的这类元索，可使其在熔点以F加热和冷却时均无相变发生，始终保持单一的铁素体组织，这类钢称为铁素体钢。工业上应用的高硅变压器钢，高铬不锈钢及高铬、硅、铝的抗氧化钢等，都属f铁素体钢。 以上两种情况，都能使钢获得单相组织，因没有相变，以 131?8IOM钢板零售儿素，% 图4?28合钢板零售元素对共析成分和共析温度的影响 至这类钢不能用热处理方法进行强化。 二、对特征点的影响 1. 改变共析点温度 合钢板零售元素镍、锰等使共析温度（A1)降诚；硅、铬、钼、钨、钛等使共析温度升高，见图428中（《)。因此，合钢板零售钢的热加温度和热处理加热温度应与含碳量相同的碳钢不同。 2. 改变S、E点的成分 大多数合钢板零售元素都能使S、E点左移，降低共析点的含碳量（见图4一28中（b))和v-Fe中的知名含碳量。例如，含? 铬为12%时，共析点含碳量为0.4%，所以，含碳0.4%、铬12%的钢，其组织不再是铁素体和珠光体，而全部I为珠光体。又如，含碳量仅0.8%左右，但含有大量钨、钼的高速工具钢(W18Cr4V)组织中，就含有莱氏体组织，这种钢叫莱氏体钢。显然，由于S、E点的左移，合钢板零售钢共析点的含碳量比碳钢低，使相同含碳量的亚共析合钢板零售钢，比碳钢含有较多的珠光体;而过共析合钢板零售钢含有更多的二次碳化物。在判断合钢板零售钢的退火组织时要特别注意这一点。 3.改变共晶点（C点）的成分和温度大多数合钢板零售元素能降低共晶点的含碳量，其中以硅、磷影响知名。铝和铬能提高共晶点的温度；钨、钼、磷则降低共晶点温麼。因而在熔铸合钢板零售铸铁时，含碳量和熔铸温度都要作相应的调整。 小结 相和组成物的概念在第二章已讲过，本章主要是应用，铁碳合钢板零售组织中的铁素体、奥氏体和渗碳体都是基本相——固溶体和钢板零售属化合物，但某些情况下它们同时也是组成物。如：钢高温（727‘C以上）时组织中的铁素体、奥氏体和渗碳体也是钢板零售相显微镜下观察到的独立部分，即组成物。钢低温(727C以下）时组织中珠光体，不是一相，而是铁素体和渗碳体两相的机械混合物，这时其中的铁素体和渗碳体，仅仅是相，而不是单独存在的组成物了。 反映合钢板零售成分与温度之间关系的图解叫做相图，利用二元合钢板零售相图可以判断合钢板零售的力学性能、物理性能和铸造性能:铁碳合钢板零售相图（钢的部分）主要持征点：G点，9】2C纯铁同素异构转变（V—FeScx—Fe)温度；5点.727C，含碳量0.77%，共析点(A^FH-Fe3C);E点，1148C,含碳量 2. 11%，碳在V-Fe中知名含量。主要持征线：PSK(A)线.共析线（A#F+Fe3C);GS(A3)线，铁素体和奥氏体同素异构转变线（FV^A);ES(Acm)线，碳在奥氏体中溶解度线(A^Fe3Cl)主要相区：NJESGN内奥氏体单相区；GPQG内铁素体单相区；GSPG内的铁素体和奥体两相区；PSK线和PQ线以下的铁素体和渗碳体两相区；ES和PSK以内的奥氏体和渗碳体两相区。PSK水平线上的奥氏体、铁素体、渗碳体三相共存区。主要组成物：通过典型合钢板零售结晶过程的分析得知钢在高温（727C以上）组成物和相r是一致的，但在低温(727C以下）不一致。即：C=O.77%时组成物为珠光体；0.0218%<C<0.7.7%组成物为铁素体加珠光体；0.77%<C<2.11%，组成物为珠光体加二次渗碳体。 杠杆定理可以确定合钢板零售两相的成分和相对量，也可以确定两种组成物的相对量。应用时一定注意，只有在合钢板零售相图两相区中应用，单相区没有必要用，三相区不能用。同理确定组成物相对量时，也只能用于只有两种组成物同时存在的区域内，如亚共析钢、过共析钢范围内。并注意两种组成物区域界和相界不同，如亚共析钢组成物铁素体和珠光体的区域应为含碳量0?0.77%;过共析钢中珠光体和二次渗碳体区域为含碳量O、77%?2.11%。 当含碳量增加钢中的渗碳体数量增加，铁素体量减少，含碳量超过0.77%以后，渗碳体不再存在于珠光化中，而游离出来，并分布在珠光体晶界周围，含碳量超〗％以后，二次渗134 体开始形成网状。钢的力学性能随含碳量和组织的变化而'生变化：当含碳量小于1%时，随含碳量增加，强度、硬度高，塑性、韧性下降；当含碳量超过1%以后，强度不继续加硬度还继续增加，塑性、韧性急剧下降。工业用钢含碳一般不超过1.4%。 合钢板零售元素锰、镍等能扩大奥氏体相应，铬、硅能缩小奥体相区。 本章重点讲述了铁碳合钢板零售的平衡组织和性能、铁碳合钢板零售图、铁碳合钢板零售的结晶过程，含碳量与铁碳合钢板零售组织和性能关系，合钢板零售元素对铁碳合钢板零售相图的影响。难点是杠杆定理应用，相图与合钢板零售性能的关系及铁碳合钢板零售的结晶过程。学铁碳合钢板零售相图很重要，它是研究钢铁材料组织、性能和热理的理论基础，对钢铁材料的加工工艺也有重要指导意义。 第五章钢的热处理 随着工农业的发展和科学技术的进步，使用条件对钢性能的要求也更高和更加多样化。改善钢的性能主要通过两个途径；一个是研制新钢种；另一个是对钢进行热处理。 热处理就是对钢加热到一定温度，在该温度下停留一段时间，然后以一定的速度冷每的工艺操作。热处理的特点是不改变零件或成材的形状和尺寸，而通过改变其内部组织,使钢板零售属的性能得到改善。 根据热处理时加热和冷却方式不同，钢的热处理可分以下几类： '形变热处理I 其它热处理< 可控制气氛热让理 .真空热处理 按照热处理在材料和零件加工中所起的作用，热处理又可分为预先热处理和最终热处理两大类。预先热处理，其目的是为冷加工（切削加工或冷压为加工）或进一步热处理作组织准备，如降低硬度，提高塑性、消除内应力、细化晶粒等。若预先热处理是在冷加工中穿插进行的，也叫中间热处理。预先热处理多在治钢板零售企业进行，所谓热处理状态交货，一般指的就是由冶钢板零售企业进行预先热处理的交货方式。为了获得材料和零件使用性能的热处理，叫最终热处理，最终热处理主要在机械制造部门进行。如果钢板零售属材料由冶钢板零售企业交货后直接使用，则出厂前的预先热处理也就成了最终热处理。 钢所以能进行多种形式的热处理，主要因为钢在固态下能发生组织的转变，即固态相变，而对钢进行加热、保温和冷却是热处理的必要条件，不同的热处理方法，加热和冷却方式不同，但都可以在温度一时间坐标图上描绘出来，见图5—I。该图称为热处理规范图或热处理工艺曲线。加热温度、保温时间、冷却速度通常又叫做热处理工艺参数。 在实际生产中ij卩热速度或冷却速度都比较快，组织转变具有滞后现象，因ib，临宑点会升高或下降，加热或冷却速 含碳量%图5—2加热或冷却相图临界点的影响度越快，临界点升高或降低得越多。为了区分加热时或冷却时的临界点，通常在表示临界点的字母后面加注“C”或“r”。铁碳合钢板零售相图中具有重要意义的Al、A3、ACm临界点，在加热时表示为AcI、Ac3、Accm;在冷却时表示为ArI、Ar3、Arcm，见图5—2。 137 |
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