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现代工业中使用最广泛的钢铁材料都属于铁碳合金的范畴。
普通碳钢和铸铁是铁碳合金,合金钢和合金铸铁实际上是加入合金元素的铁碳合金。
因此,为了认识铁碳合金的本质并了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系,以便在生产中合理地使用,首先必须了解铁碳合金的相图
一、相图的分析
图1.1是Fe—Fe3C相图。
相图中各点的温度、含碳量及其含义见表1.1。
二、相图的分析
图1.1是Fe—Fe3C系相图
表1.1Fe—Fe3C相图中的特性点
铁碳合金相图主要由包晶、共晶、共析三个基本转变所组成,现分别说明如下:
1.包晶转变发生于1495℃(水平线HJB),其反应式为:
L0.53%C十δ0.09%CA0.17%C
包晶转变是在恒温下进行的,其产物是奥氏体。
凡含碳0.09%~0.53%的铁碳合金结晶时均将发生包晶转变。
2.共晶转变发生于1148℃(水平线ECF),其反应式如下:
L4.30%CA2.11%C十Fe3C
共晶转变同样是在恒温下进行的。
共晶反应的产物是奥氏体和渗碳体的共晶混合物,称为莱氏体,用字母Ld表示。
凡含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却至1148℃时,将发生共晶转变,从而形成莱氏体。
3.在727℃(水平线PSK)发生共析转变。
其转变式如下:
A0.77%CF0.0218%C十Fe3C
共析转变也是在恒温下进行的。
反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物,称为珠光体,用字母P代表。
共析温度以A1表示。
凡含碳量大于0.0218%的铁碳合金冷却至727℃时,其中的奥氏体必将发生共析转变。
此外,在铁碳合金相图中还有三条重要的特性线。
它们是ES线、PQ线和GS线。
ES线是碳在奥氏体中的固溶线。
随温度变化,奥氏体的溶碳量将沿ES线变化。
含碳量大于0.77%的铁碳合金,自1148℃冷至727℃的过程中,必将从奥氏体中析出渗碳体。
为区别自液相中析出的渗碳体,通常把从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)。
ES线称为Acm线。
PQ线是碳在铁素体中的固溶线。
铁碳合金由727℃冷却至室温时,将从铁素体中析出渗碳体。
这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CⅢ)。
对于工业纯铁及低碳钢,由于三次渗碳体沿晶界析出,使其塑性、韧性下降,因而要重视三次渗碳体的存在与分布。
在含碳量较高的铁碳合金中,三次渗碳体可忽略不计。
GS线称为A3线。
它是冷却过程中,由奥氏体中析出铁素体的开始线。
或者说是在加热时,铁素体完全溶入奥氏体的终了线。
三、铁碳合金的平衡结晶过程分折
1.含碳为0.01%的工业纯铁
该合金在相图上的位置见图1.2-
(1)。
液态合金在1—2点温度之间,按匀晶转变结晶出单相δ固溶体。
δ冷却到3点时,δ开始向A转变。
这一转变于4点结束,合金全部转变为单相奥氏体(A)。
奥氏体冷到5点时,开始形成铁素体(F)。
冷到6点时,合金成为单相的铁素体。
铁素体冷到7点时,碳在铁素体中的溶解量呈饱和状态。
因而自7点继续降温时,将自铁素体中析出的Fe3C,,它一般沿铁素体晶界呈片状分布。
工业纯铁缓冷到室温后的显微组织如图1.3所示。
图1.2典型铁碳合金在Fe—Fe3C相图中的位置图1.3纯铁的显微组织(200×
)
2.共析钢
共析钢在相图上的位置见图1.2-
(2)。
共析钢在温度1—2之间按匀晶转变形成奥氏体。
奥氏体冷至727℃(3点)时,将发生共析转变,即As→P(Fp十Fe3C)形成珠光体。
珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
当温度由727℃继续下降时,铁素体沿固溶线PQ改变成分,析出Fe3CⅡ。
Fe3CⅡ常与共析渗碳体连在—起,不易分辨,且数量极少,可忽略不计。
图1.4是共析钢的显微组织(珠光体)。
图1.4共析钢的显微组织图(400×
)图1.5亚共析钢的显微组织图
3.亚共析钢
以含碳量为0.45%的合金为例来进行分析,见图1.2中合金成分(3)。
在1点以上合全为液体。
温度降至1点以后,开始从液体中析出δ固溶体,1—2点间为L十δ。
HJB为包晶线,故在2点发生包晶转变,形成奥氏体(A),即LB十δH→AJ。
包晶转变结束后,除奥氏体外还有过剩的液体。
温度继续下降时,在2—3点之间从液体中继续结晶出奥氏体,奥氏体的浓度沿JE线变化。
到3点后合金全部凝固成单相奥氏体。
温度由3点降至4点时,是奥氏体的单相冷却过程,没有相和组织变化。
继续冷却至4—5点时,由奥氏体结晶出铁素体。
在此过程中,奥氏体成分沿GS线变化,铁素体成分沿GP线变化。
当温度降到727℃,同时奥氏体的成分达到S点(0.77%)则发生共析转变,即As→P(Fp十Fe3C),形成珠光体。
此时原先析出的铁素体保持不变。
所以共析转变后,合金的组织为铁素体和珠光体。
当继续冷却时,铁素体的含碳量沿PQ线下降,同时析出三次渗碳体。
同样,三次渗碳体的量极少,一般可忽略不计。
因此,含碳量为0.45%的铁碳合金,其室温组织是由铁素体和珠光体组成。
它的显微组织如图1.5所示。
所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成。
其差别仅在于珠光体(P)与铁素体(F)的相对量不同。
含碳量越高,则珠光体越多,铁素体越少,相对量可用杠杆定律计算。
4.过共析钢
以含碳量为1.2%的合金为例,该合金在相图上的位置见图1.2-(4),合金在1—2点之间按匀晶过程转变为单相奥氏体组织。
在2—3点之间为单相奥氏体的冷却过程。
自3点开始,由于奥氏体的溶碳能力降低,从奥氏体中析出Fe3C,,并沿奥氏体晶界呈网状分布。
温度在3—4之间,随着温度的降低,析出的二次渗碳体量不断增多。
与此同时,奥氏体的含碳量也逐渐沿ES线降低。
当冷到727℃(4点)时,奥氏体的成分达到S点,于是发生共析转变。
As→P(Fp十Fe3C),形成珠光体。
4点以下直到室温,合金组织变化不大。
因此常温下过共析钢的显微组织由珠光体和网状二次渗碳体所组成。
如图1.6所示。
图1.6过共析钢的显微组织图可用同样的方法分析共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁及过共晶白口铸铁的结晶过程。
它们的常温组织分别为变态莱氏体(图1.7);
珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体(图1.8);
一次渗碳体和变态莱氏体(图1.9)。
图1.7共晶白口铸铁图1.8亚共晶白口铸铁图1.9过共晶白口铸铁
显微组织图显微组织图显微组织图
四、实验步骤及内容
1.观察表1.2中试样的显微组织
表1.2Fe-C合金平衡组织观察试样状态
序号
材料
热处理状态
放大倍数
浸蚀剂
组织及特征
1
工业纯铁
退火
400×
3%硝酸酒精
单一等轴晶F(少量夹杂),在显微镜中只能见F晶界及夹杂
2
20#
同上
F(白色晶粒)+P(黑色块状晶粒)
3
45#
同上,但P量多
4
65#
F(白色网状晶粒)+P(黑色片状晶粒)
5
T8
片状P(Fp十Fe3C混合物),无晶界显示
6
T12
沿晶界白色网状Fe3CII,晶内黑色P(局部少量的片状P)
7
200×
碱性苦味酸钠溶液
P+Fe3CII,Fe3CII为黑色网络状,余为P,片状P为显示。
8
亚共晶白口铸铁
组织为(P+Fe3CII)+Le,黑色树枝状为P,Fe3CII与Fe3C连成一片不可分辨,Le是Fe3C(白色)和P(均匀分布黑色小点或条状组织)
9
共晶白口铸铁
共晶Le是由P+Fe3CII组成。
P组织细小,成园粒及长条在Fe3C基体上为黑色。
Fe3CII与共晶Fe3C连成一片呈白色,不可分辨。
10
过共晶白口铸铁
Fe3CI+Le。
Fe3CI呈白亮色粗大的板条状,而Le仍为黑白相间的斑点状。
2.掌握工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的平衡结晶过程。
3.掌握铁素体、珠光体、渗碳体、莱氏体组织的相组成、组织特征、性能特点以及成分范围。
五、实验报告
1.及时编写实验报告书。
2.了解金相样品的制备过程,学习金相显微镜的使用方法,观察表1中样品的显微组织。
六、实验要求:
1.携带铅笔(2B、1H各一支)和橡皮擦等在实验室中做实验。
2.用铅笔画表1.2中1~6样品的显微组织;
每一种样品都各画在一个30mm的圆内,并用箭头标出图中各相组织(用符号表示),在圆的下方标注材料名称,热处理状态,放大倍数和浸蚀剂等。
3.估计20钢、45钢中P和F的相对量(即估计所观察视场中P和F各自所占的面积百分比),并应用Fe-Fe3C相图从理论上计算这两种材料的P和F组织相对量,与实验估计值进行比较。
七、讨论内容
1.杠杆原理的理论和实验意义是什么?
2.Fe-C合金平衡组织中,渗碳体可能有几种存在方式和组织形态?
试分析它对性能有什么影响?
3.铁碳合金的C%与平衡组织中的P和F组织组成物的相对数量的关系是什么?
4.珠光体P组织在低倍观察和高倍观察时有何不同?
为什么?
(请将讨论内容和金相组织画到相应实验报告中)
实验二碳钢热处理后的显微组织观察与分析实验
1.观察和研究碳钢在不同热处理状态下的显微组织的特点;
2.了解热处理工艺对钢组织和性能的影响;
钢经退火处理后的显微组织基本上与铁碳相图中的各种平衡组织相似,但在快速冷却条件下的显微组织就不能用铁碳相图来加以分析,而应由过冷奥氏体等温或连续冷却转变曲线(C曲线)来确定。
随着冷却条件的不同,过冷奥氏体将发生不同类型的转变。
共析钢过冷奥氏体在不同温度条件下转变的组织特征及性能如表3.1所示。
表3.1共折碳钢(T8)过冷奥氏体在不同温度转变的组织及性能
1.钢的退火和正火组织
对于亚共析成分的碳钢一般采用完全退火,可得到接近于平衡状态的组织。
而过共析成分的碳钢则都采用球化退火,使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体呈颗粒状(见图3.1)。
45钢经正火后的组织通常要比退火组织为细,珠光体的相对含量也比退火组织中为多(见图3.2),原因是正火的冷却速度要大于退火的冷却速度。
过共析钢的正火一般是为球化退火作准备,很少用作最终热处理,这是由于网状渗碳体的存在会降低钢的性能。
图3.1T12钢经球化退火后的显微组织(400×
)图3.245钢正火后显微组织(400×
2.钢的淬火组织
45钢经正常淬火后将获得细针状马氏体组织,如图3.3所示。
如果淬火温度过高,则得到粗大针状马氏体组织;
如果淬火冷却速度不足,则得到马氏体和部分屈氏体或少量贝氏体的混合组织(见图3.4所示)。
图3.345钢经830℃正常淬火后的显微组织(500×
)图3.445钢经850℃油淬后的的显微组织(500×
T12钢经正常淬火后的显微组织,除细小的马氏体外,还存在部分颗粒状的渗碳体(显亮白色)。
当淬火温度过高时,出现粗大的马氏体组织,并且还存在—定数量(15%~30%)的残余奥氏体。
3.淬火后的回火组织
钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织,通过回火处理后,可使这些不稳定的组织转变成较为稳定的组织,以改善淬火钢的性能。
淬火钢经不同温度回火所得到的组织通常可分为三种:
1)回火马氏体
淬火钢经低温回火(150~250℃)后,马氏体内析出与母相保持共格关系的ε碳化物,这种组织称为回火马氏体。
回火马氏体仍保持针片状特征,但容易受浸蚀,呈暗黑色的针状组织。
2)回火屈氏体
淬火钢经中温回火(350~500℃)后得到在铁素体基体中弥散分布的微小粒状渗碳体的组织,称为回火屈氏体。
回火屈氏体中的铁素体仍基本保持原来针状马氏体的形状,渗碳体则呈细小的颗粒状,在光学显微镜下不易分辨。
3)回火索氏体
淬火钢经高温回火(500~650℃)后得到的组织称为回火索氏体,其特征是渗碳体粒已经聚集长大,且均匀分布于铁素体基体上。
1.观察碳钢热处理(正火、油淬、水淬、回火、固溶处理)后的典型组织形态,并绘出所观察样品的显微组织示意图,并说明其各自的组织特点,注明组织名称、热处理条件及放大倍数等;
17
45#
正火
4%硝酸酒精
F+S,白色条块状为F,沿晶界析出;
黑色块状为S。
18
油淬
M+T,沿晶界分布的黑色团块为T,白色为淬火M。
19
860℃水淬
中碳M,M成板条和针状混合分布。
20
水淬+低温回火
回火中碳M,M中渗碳体析出,使M呈黑色。
21
水淬+中温回火
回火T,回火T是从M分解出的F基体上分布极细粒状渗碳体的混合物组织。
22
水淬+高温回火
回火S,回火S是F基体上分布细粒状渗碳体。
2根据铁碳相图及有关C曲线图,分析各种组织的形成原因及其过程。
2.用铅笔画出45钢的典型的退火、正火、淬火和三种回火组织的显微组织;
3.分析45钢中三种回火组织的形成机理及对钢的性能的影响。
实验三有色金属及铸铁金相组织观察与分析实验
1.了解Al合金变质与未变质的组织形态;
2.了解铜合金及铸铝的显微组织;
3.从组成物和形态上区别白口铸铁与灰口铸铁;
4.掌握灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁中石墨形态的特征;
5.掌握铸铁的三种不同基体;
6.了解轴承合金的显微组织。
铝及铝合金
一)、纯铝
铝是目前工业中用量最大的有色金属。
铝的相对密度小,仅为2.7,大约是铜或铁的三分之一,熔点为660°
C,在冷却过程中无同素异构转变;
铝的导电、导热性好,仅次于银、铜、和金;
其价格较低,资源丰富;
铝在空气中有良好的抗蚀性,由于铝与氧亲合力强,在大气中铝极易在表面形成—层致密的A1203膜,阻止铝的进—步氧化;
铝具有面心立方晶格,强度低,塑性好,可以进行各种压力加工,具有良好的加工性能和焊接性能。
影响纯铝性能的主要因素是其所含的杂质,随着Fe、Si、Cu、Zn等杂质含量的增加,纯铝的性能将下降。
工业纯铝的牌号有L1、L2、….、L7。
“L”是铝字的汉语拼音字首,后面的数字表示纯度,数字越大,则纯度越低。
高纯铝的牌号以LG1、LG2、…表示。
其数字愈大,纯度愈高。
二)、铝合金的分类
纯铝的强度很低,无法作为承受载荷的结构材料使用。
所以,通常在铝中加入“定量的其它元素以制成具有较高强度的铝合金。
铝合金的分类可根据其成分和工艺特点分为形变铝合金和铸造铝合金的两大类。
图4.1为铝合金状态图的一般类型,图中成分在D’点左边的铝合金没有共晶体,并且在加热到DF线以上时,能形成单相的、塑性好的固溶体、易于压力加工,因而称为形变铝合金。
形变铝合金又可分为两类:
成分小于F点的合金称为不能热处理强化铝合金,因为其固溶体的成分不随温度的变化而变化;
而成分在F与D’点之间的合金称为可热处理强化铝合金,因其成分随温度的变化而改变,可利用固溶—时效的热处理方式强化。
成在D’点以右的合金。
其组织中有不同程度的低熔点共晶体,流动性好、塑性相对较差,适于铸造,故称为铸造铝合金。
图4.1铝合金状态图的一般类型
1.形变铝合金
根据主要的性能特点和用途,形变铝合金又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。
硬铝合金的代号“LY”,是“硬铝”的汉语拼音字首。
硬铝合金可通过适当的时效强化,但固溶处理的加热温度范围很窄。
例如LY12的处理温度是在490-503°
C,若低于此温度范围,合金元素溶入量小,降低时效强化效果。
若超过此温度范围,则将易产生过烧现象。
2.铸造铝合金
铸造铝合金应具有良好的铸造性能,其成分接近共晶点。
为了提高其综和力学性能,常采用变质处理和固溶热处理。
铸造铝合金的代号为“ZL”,是“铸铝”的汉语拼音字首,常用的铸造铝合金可分为AL—Si系、AL—Cu系、AL—Mg系和AL—Zn系四大类,其中应用最为广的是AL—Si系合金。
铝硅铸造铝合金又称为硅铝明。
其相图如图4.2所示。
ZL102是简单的铝合金,含铝为11%-13%。
由相图可知,经铸造后的组织几乎都是由粗大针状硅晶体和α固溶体组成的共晶体(α+Si),如图4.3所示。
这种合金流动性好、熔点低、热裂倾向小,但共晶体中粗针状的硅晶体显著降
低了合金的力学性能。
因此,在生产中常采用变质
图4.2AL—Si合金相图处理来改变硅晶体的形态,以提高合金的力学性能。
常在浇注前向合金溶液中加入2/3NaF和1/3NaCl的混合物进行变质处理,加入量为合金重量的2%-3%,使共晶体由粗针状变成细小点状。
如图4.4所小。
从而使合金的力学性能得到显著的提高。
图4.3ZL102合金(变质前)的铸态组织(400×
)图4.4ZL102合金(变质后)的铸态组织(400×
铸铁
一、铸铁的石墨化
铸铁的石墨化就是铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程。
一般认为石墨既可以由液体铁水中析出,也可以由奥氏体中析出。
还可以由渗碳体分解得到。
1.Fe—Fe3C和Fe—C双重相图
生产实践和科学实验指出,渗碳体是一个亚稳定的相,石墨才是稳定相。
由此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有二个,一个是Fe—Fe3C系相图,另一个是Fe—C系相图。
把两者叠合在一起,就得到—个双重相图,如图4.5所示。
图中实线表示Fe—Fe3C系相图,部分实线再加上虚线表示Fe—C系相图。
显然,按Fe—Fe3C系相图进行结晶,就得到白口铸铁;
按Fe—C系相图进行结晶,就析出和形成石墨,即发生石墨化过程。
2.铸铁冷却和加热时的石墨化过程
按Fe—C系相图进行结晶,铸铁冷却时的石墨化过程应包括:
从液体中析出一次石墨,由共晶反应而生成的共晶石墨;
由奥氏体中析出二次石墨;
由共析反应而生成的共析石墨。
铸铁加热时的石墨化过程:
亚稳定的渗碳体,当在比较高的温度下长时间加热时,会发生分解,产生石墨化,即
Fe3C→3Fe十C
加热温度越高,分解速度相对就越快。
无论是冷却时的石墨化过程或是加热时的石墨化过程,凡是发生在P’S’K’线(温度)以上,统称为第—阶段石墨化;
凡是发生在P’S’K’线(温度)以下统称为第二阶段石墨化。
3.影响铸铁石墨化的因素
1)化学成分的影响图4.5Fe—Fe3C和Fe—C双重相图
碳、硅、锰、硫、磷对石墨化有不同的影响。
其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素,锰和硫是阻碍石墨化的元素。
在生产实际中,碳、硅的含量过低,铸铁易出现白口,力学性能与铸造性能都较差;
碳、硅的含量过高,铸铁中石墨数量多且粗大,基体内铁素体量多,力学性能下降。
2)冷却速度的影响
铸件冷却速度越缓慢,即过冷度较小时,越有利于按照Fe—C相图进行结晶和转变,越有利于石墨化过程充分进行。
当铸件冷却速度较快时,即过冷度增大时,原子扩散能力减弱,越有利于按照Fe—Fe3C系相图进行结晶和转变,不利于石墨化的进行。
二、常用铸铁
根据碳在铸铁中存在的形式及石墨的形态,可将铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁等。
灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁中的石墨都是自液体铁水在结晶过程中获得的,而可锻铸铁中的石墨则是由白口铸铁通过在加热过程中的石墨化获得的,
1.灰铸铁
主要以片状石墨形式出现的铸铁,断口呈灰色称为灰铸铁。
它的成分大致范围为:
2.5%~4.0%C,1.0%~3.0%Si,0.25%~1.0%Mn,0.02%~0.20%S,0.05%~0.50%P。
具有上述成分范围的铁水,在进行缓慢冷印凝固时,将发生石墨化,析出片状石墨化。
1)组织特征
灰铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。
在光学金相显微镜下观察,石墨呈片状,或直或弯。
钢基体则可分为铁素体、铁素体十珠光体、珠光体三种。
其组织形貌如图4.6所示。
经孕育处理的灰铸铁,由于在结晶时,石墨晶核数目多,石墨片变细,故其显微组织是在细珠光体基体上分布着细小片状石墨。
2)性能特点
灰铸铁的性能与普通碳钢相比,具有如下特点:
(1)力学性能低
由于石墨的力学性能很低(σb=20MPa,3~5HBS,δ=0%)因此灰铸铁的显微组织实际上相当于布满孔洞或裂纹的钢。
在拉伸时,由于片状石墨对钢基体的分割作用和所引起的应力集中效应,故其抗拉强度值远低于钢。
(2)耐磨性与消震性好
由于铸铁中的石墨有利于润滑及贮油,故耐磨性好。
又由于石墨组织比较松软,能吸收振动,使灰铸铁具有良好的消震性。
(3)工艺性能好
由
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