金相中级讲义物理检测中级工技能鉴定培训Word格式文档下载.docx

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0.09

碳在δ-Fe中的最大溶解度

J

0.17

包晶成分点

K

727

共析渗碳体成分点

N

1394

γ-Fe←→δ-Fe同素异够转变点（A4）

P

0.0218

碳在铁素体中最大溶解度

S

0.77

共析点

Q

600

0.008

碳在铁素体中溶解度

二.状态图中的特性线（表2）

Fe-C合金相图中的特性线

表2

特性线

特性线的含义

ABCD

铁碳合金的液相线

AHJECF

铁碳合金的固相线

NH

δ固溶体向奥氏体转变开始温度线,即碳在δ固溶

体中的溶解度线

JN

δ固溶体向奥氏体转变终了温度线（A4）

GS

奥氏体向铁素体转变开始温度线（A3）

GP

奥氏体向铁素体转变终了温度线

PQ

碳在铁素体中的溶解度线,又叫固溶线

ES

碳在奥氏体中的溶解度线（Acm）

HJB

LB+CH←→AJ包晶转变线

ECF

LC←→AE+Fe3C共晶转变线

PSK

AS←→FP+Fe3共析转变线（A1）

MO

铁素体的磁性转变线（A2）

230º

水平虚线

渗碳体的磁性转变线（A.）

三.状态图中的相区

在Fe-Fe3C相图中共有五个单相区、七个两相区和三个三相区.

五个单相区是:

ABCD以上——液相区（L）

AHNA——δ固溶体区（δ）α、δ

NJESGN——奥氏体区（γ或A）

GPQG——铁素体区（α或F）

DFKL——渗碳体区（Fe3C或Cm）

两相区是:

L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+Fe3C和α+Fe3C.

三个三相区是:

HJB线、ECF线和PSK线.

1.工业纯铁（含C≤0.0218%）——其显微组织为铁素体+Fe3CⅢ.

2.钢（含C在0.0218~2.11%）——其特点是高温组织为单相奥氏体,具有良好的塑性,因而适于锻造.根据室温组织的不同,钢又可分为三类:

①亚共析钢（0.0218<

C<

0.77%）——其组织是铁素体+珠光体

②共析钢（C=0.77%）——其组织为珠光体

③过共析钢（0.77<

C≤2.11%）——其组织为珠光体+渗碳体

3.铁在1538º

C结晶为δ-Fe,X射线结构分析表明,它具有体心立方晶格.当温度继续冷却至1394º

C时,δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe,通常把δ-Fe←→γ-Fe的转变称为A4转变,转变的平衡临界点称为A4点.当温度继续降至912º

C时,面心立方晶格的γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe,把γ-Fe←→α-Fe的转变称为A3转变,转变的平衡临界点称为A3点.

4.三条重要的特性曲线

1GS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.

②ES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.

③PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727º

C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300º

C以下,溶碳量小于0.001%.因此,当铁素体从727º

C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Fe3CⅢ.

四.名词

1.铁素体:

是碳在α-Fe中形成的固溶体,常用“δ”或“F”表示.铁素体在

770º

C以上具有顺磁性,在770º

C以下时呈铁磁性.通常把这种磁性转变称为A2转变,把磁性转变温度称为铁的居里点.碳溶于δ-Fe中形成的固溶体叫δ铁素体,在1495º

C时其最大溶碳量为0.09%.

2.顺磁性:

就是在顺磁物质中,分子具有固有磁矩,无外磁场时,由于热运动,各分子磁矩的取向无规,宏观上不显示磁性;

在外磁场作用下各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来,宏观上呈现磁性,这种性质称为顺磁性.

3.铁磁性:

就是磁性很强的物质,在未磁化时,宏观上不显示出磁性,但在外加磁场后将会显示很强的宏观磁性.

4.奥氏体:

是碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体,用“γ”或“A”表示.奥氏体只有顺磁性,而不呈现铁磁性.碳在γ-Fe中是有限溶解,其最大溶解度为2.11%（1148º

C）.

5.渗碳体:

是铁与碳的稳定化合物Fe3C,用“C”表示.其含碳量为6.69%.

由于碳在α-Fe中的溶解度很小,所以在常温下,碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在.渗碳体于低温下具有一定的铁磁性,但是在230º

C以上,铁磁性就消失了,所以230º

C是渗碳体的磁性转变温度,称为A0转变.渗碳体的熔点为1227º

C.它不能单独存在,总是与铁素体混合在一起.在钢中它主要是强化相,它的形态、大小及分布对钢的性能有很大的影响.另外,渗碳体在一定的条件下,可以分解形成石墨状的自由碳.

即Fe3C——→3Fe+C（石墨）

6.珠光体:

是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物,常用“P”表示.珠光体存在于727º

C以下至室温.

五.铁碳合金相图的应用

（一）在选材方面的应用

若需要塑性、韧性高的材料,应选用低碳钢（含碳为0.10~0.25%）;

需要强度、塑性及韧性都较好的材料,应选用中碳钢（含碳为0.25~0.60%）;

当要求硬度高、耐磨性好的材料时应选用高碳钢（含碳为0.60~1.3%）.一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构.高碳钢主要用来制造各种工具.

（二）在制定热加工工艺方面的应用

铁碳相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律,即组织随温度变化的规律,这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据.

钢处于奥氏体状态时,强度较低、塑性较好,便于塑性变形.因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态.

各种热处理工艺与状态图也有密切的关系,退火、正火、淬火温度的选择都得参考铁碳相图.

六.应用铁碳相图应注意的几个问题

1.铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律.

2.可参考铁碳相图来分析快速加热或冷却的问题,但还应借助于其他理论知识.

3.相图告诉我们铁碳合金可能进行的相变,但不能看出相变过程所经过的时间.相图反映的是平衡的概念,而不是组织的概念.

4.铁碳相图是由极纯的铁和碳配制的合金测定的,而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素.其中有些元素对临界点和相的成分都有很大的影响,此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究.

练习一:

1.以铁碳两组元组成的合金称为钢和生铁.（）

2.铁素体是碳溶于δ、α-铁中的固溶体.（）

3.液相线（L）,平衡状态时在此温度线所有铁碳合金处于熔化状态.（）

4.铁碳平衡相图中的铁素体开始具有磁性的温度是（）.

A:

230℃B:

727℃C:

770℃

5.铁碳平衡相图中,渗碳体在奥氏体中的溶解度线是（）线.

AcmB:

A3C:

A2

6.铁碳平衡相图中的共析线是（）线.

ECFB:

HJBC:

7.含碳量高于2.11%的铁碳合金自液体冷却时首先发生（）反应

共析B:

包晶C:

共晶

8.纯铁在冷却过程中从高温到低温由于晶格转变而相应被称为次序为（）

γ-Fe→α-Fe→δ-FeB:

α-Fe→γ-Fe→δ-Fe

C:

δ-Fe→γ-Fe→α-Fe

9.Fe—Fe3C平衡相图中的A1线是（）

铁碳合金在缓慢冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线

B:

碳在奥氏体中的溶解度曲线

共析转变线

10.含碳量等于0.77%的铁碳合金是（）

亚共析钢B:

共析钢C:

铸铁

11.奥氏体是碳溶于（）的间隙式固溶体,其结构为面心立方

12.铁碳平衡相图是一种坐标图形.（）

13.铁碳平衡相图中的成分通常用质量分数表示.（）

14.铁和碳除了形成碳化铁外还形成α、β固溶体.（）

15.碳钢的一般室温平衡组织的相组成是（）.

铁素体和珠光体B:

铁素体和渗碳体C:

贝氏体

16.铁碳平衡相图中的共析转变线的温度是（）.

A:

770℃

17.铁碳平衡相图中的渗碳体磁性转变线的温度是（）.

770℃

18.铁碳平衡相图中的共晶线是（）线.

PSK

19.奥氏体是（）物质.

顺磁性的B:

抗磁性C:

铁磁性的

20.含碳量大于2.11%的）铁碳合金叫（）

21.（）是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体,最大含碳量是0.0218%.

第二部分晶体结构

一.金属键

1.金属键:

金属原子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来,这种结合方式叫金属键.

2.在固态金属及合金中,众多的原子依靠金属键牢固的结合在一起.

二.晶体结构

1.晶体:

凡是原子（或离子、分子）在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体.液态金属的原子排列无周期规则性,不为晶体.

2.晶体结构:

是指晶体中原子（或离子、分子、原子集团）的具体排列情况,也就是晶体中这些质点（原子或离子、分子、原子集团）在三维空间有规律的周期性的重复排列方式.

3.三种典型的金属晶体结构

a.体心立方晶格:

晶胞的三个棱边长度相等,三个轴间夹角均为90º

构成立方体.除了在晶胞的八个角上各有一个原子外,在立方体的中心还有一个原子.

b.面心立方晶格:

在晶胞的八个角上各有一个原子,构成立方体,在立方体6个面的中心各有一个原子.

c.密排六方晶格:

在晶胞的12个角上各有一个原子,构成六方柱体,上底面和下底面的中心各有一个原子,晶胞内还有3个原子.

三.固溶体

1.固溶体:

合金的组元以不同的比例相互混合,混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同,这种相就称为固溶体.

2.置换固溶体:

是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成固溶体.

3.间隙固溶体:

是指溶质原子不是占拒溶剂晶格的正常结点位置,而是填入溶剂原子间的一些间隙中.

4.金属化合物:

是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相,又称为中间相,其晶格类型和性能均不同于任一组元,一般可以用分子式大致表示其组成.

除了固溶体外,合金中另一类相是金属化合物.

四.金属的结晶.

1.金属的结晶:

金属由液态转变为固态的过程称为凝固,由于凝固后的固态金属通常是晶体,所以又将这一转变过程称之为结晶.

2.杠杆定律的应用.

在合金的结晶过程中,合金中各个相的成分以及它们的相对含量都在发生着变化.为了了解相的成分及其相对含量,就需要应用杠杆定律.

对于二元合金（两相共存时）,两个平衡相的成分固定不变.

五.同素异构转变:

当外部条件（如温度和压强）改变时,金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变.

六.晶体的各向异性:

各向异性是晶体的一个重要特性,是区别于非晶体的一个重要标志.

晶体具有各向异性的原因,是由于在不同的晶向上的原子紧密程度不同所致.原子的紧密程度不同,意味着原子之间的距离不同,从而导致原子之间的结合力不同,使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同.

练习二:

1.下列哪个说法是错误的（）

A当一杯水中有冰块时,说明该系统有两个组元

B当一杯水中有冰块时,说明该系统有两个相存在

C碳在固态下的两个晶体结构石墨碳、金刚石碳是两个完全不同的相

2.α-铁是体心立方晶格,而γ-铁是面心立方晶格.（）

3.铁素体是碳溶于δ、α-铁中的固溶体.（）

4.已知某钢材由铁素体和珠光体两种组织组成,其中测得铁素体含量是45%,则珠光体含量是（）.

45%B:

55%C:

50%

5.珠光体的符号是P,其相组成为（）和铁素体.

6.单晶体的塑性变形,实质是（）.

晶格发生歪曲或拉长的过程B:

一部分晶体沿着若干晶面相对另一部分晶体产生滑动的过程C:

晶体内部原子发生迁移的过程

7.固溶体具有（）的晶体结构.

溶质组元B:

溶剂组元C:

与组成它的每个组元完全不同.

8.机械混合物的性能（）.

是各组成分的性能的总和

取决于组成它的各相的性能以及各相的形状、数量、大小和分布状况等

和各组成相的性能无关

9.金属晶体中原子间的结合键是（）.

离子键B:

共价键C:

金属键

10.带状组织使钢的机械性能呈现（）,并（）钢的冲击韧性和断面收缩率

11.液态金属的结构与气态时相近（）

第三部分元素的影响

一.钢中的杂质元素及其影响

1.锰和硅的影响

锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂,用以去除溶于钢液中的氧.它还可以把钢液中的FeO还原成铁,并生成MnO和SiO2.脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中,冷至室温后即溶于铁素体中,提高铁素体的强度.锰对钢的机械性能有良好的影响,它能提高钢的强度和硬度,当含锰量低于0.8%时,可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性.

碳钢中的含硅量一般小于0.5%,它也是钢中的有益元素.硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用,显著的提高了钢的强度和硬度,但含量较高时,将使钢的塑性和韧性下降.

2.硫的影响:

硫是钢中的有害元素.硫只能溶于钢液中,在固态中几乎不能溶解,而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中.硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂,这种现象称为热脆.防止热脆的方法是往钢中加入适量的锰,形成MnS,可以避免产生热脆.

硫能提高钢的切削加工性能.在易切削钢中,含硫量通常为0.08%~0.2%,同时含锰量为0.50%~1.20%.

3.磷的影响:

一般来说,磷是有害的杂质元素.无论是高温还是低温,磷在铁中具有较大的溶解度,所以钢中的磷都固溶于铁中.磷具有很强的固溶强化作用,它使钢的强度、硬度显著提高,但剧烈地降低钢的韧性,尤其是低温韧性,称为冷脆,磷的有害影响主要就在于此.

4.氮的影响:

一般认为,钢中的氮是有害元素,但是氮作为钢中合金元素的应用,已日益受到重视.

5.氢的影响:

氢对钢的危害是很大的.一是引起氢脆.二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点,在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点,在酸洗后的横断面上则成较多的发丝壮裂纹.存在白点时钢材的延伸率显著下降,尤其是断面收缩率和冲击韧性降低的更多,有时可接近于零值.因此具有白点的钢是不能用的.

6.氧及其它非金属夹杂物的影响

氧在钢中的溶解度非常小,几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中,如FeO、AL2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等.除此之外,钢中往往存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等.这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性,在静载荷和动载荷的作用下,往往成为裂纹的起点.它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能,尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大.因此,对非金属夹杂物应严加控制.

练习三:

1.硫在钢中以硫化锰和硫化铁形式存在（）

2.低倍检验时的白点是由于钢中含氢量高,经加热后在冷却和存放过程中,由于组织应力而产生裂缝（）

3.当一种金属内加入一种或多种其他元素时,其熔点就要提高,加入元素愈多,熔点也就愈高.（）

4.钢中常存在的杂质元素,其中（）是有益元素.

Si和MnB:

PC:

5.20MnSi钢号中,"

20"

表示材料中（）的含量.

碳元素B:

硅元素C:

锰元素

6.按质量对钢可以分为三类,标准是按照（）的含量分别分为是普通钢、优质钢、高级优质钢.

7.除元素（）外,所有溶入奥氏体的合金元素都在不同程度上使C曲线位置右移

CrB:

VC:

Co

第四部分热处理

一.热处理的作用

1.热处理:

是将钢在固态下加热到预定的温度,保温一定的时间,然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺.

钢中组织转变的规律是热处理的理论基础,称为热处理原理.热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变.

在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体.

钢在加热和冷却时临界温度的意义如下:

Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度;

Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度;

Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度;

Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度;

Accm——加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度;

Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度.

通常把加热时的临界温度加注下标“C”,而把冷却时的临界温度加注下标“r”.

2.珠光体转变——是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变.珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程,因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组.由于相变在较高温度下发生,铁、碳原子都能进行扩散,所以珠光体转变是典型的扩散型相变.

无论珠光体、索氏体,还是屈氏体都属于珠光体类型的组织.它们的本质是相同的,都是铁素体和渗碳体组成的片层相间的机械混合物.它们之间的差别只是片层间距的大小不同而已.

珠光体的片层间距:

450～150nm,形成于A1～650℃温度范围内.

索氏体的片层间距:

150～80nm,形成于650～600℃温度范围内.

屈氏体的片层间距:

80～30nm,形成于600～550℃温度范围内.

3.马氏体转变——是指钢从奥氏体化状态快速冷却,抑制其扩散性分解,在较低温度下（低于Ms点）发生的转变.马氏体转变属于低温转变.钢中马氏体是碳在

α-Fe中的过饱和固溶体,具有很高的强度和硬度.由于马氏体转变发生在较低温度下,此时,铁原子和碳原子都不能进行扩散,马氏体转变过程中的Fe的晶格改组是通过切变方式完成的,因此,马氏体转变是典型的非扩散型相变.

二.热处理工艺

（一）退火和正火:

将金属及其合金加热,保温和冷却,使其组织结构达到

或接近平衡状态的热处理工艺称为退火或回火.

A.低温退火（去应力退火）:

是指钢材及各类合金为消除内应力而施行的退火.

加热温度<

A1碳钢及低合金钢550～650℃

高合金工具钢600～750℃

B.再结晶退火:

加热温度>

TrTr+150～250℃

C.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.

扩散退火的加热温度>

Ac3Acm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1100～1200℃

D.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+30～50℃

E.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Ac3～Ac1

（二）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.

（三）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.

（四）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）

练习四:

1.在热处理中常用的临界点符号中下标r表示加热c表示冷却（）

2.冷却速度愈大,则过冷度就愈小.（）

3.钢的淬透性和淬硬性是表述不同的相同概念（）

4.珠光体是铁素体和马氏体的机械混合物.（）

5.下列组织的片层间距按大小排列正确的是（）.

a）A:

珠光体、屈氏体、索氏体

b）B:

珠光体、索氏体、屈氏体

c）C:

索氏体、珠光体、屈氏体、

6.在下列退火工艺中,加热温度最高的是（）

扩散退火　B:

不完全退火　C:

等温退火

7.碳在α-Fe中的过饱和固溶体叫（）.

马氏体B.铁素体C.贝氏体D.珠光体

8.正火后可得到（）组织.

粗片状珠光体B.细片状珠光体C:

片状+球状珠光体

9.渗碳属于一种（）方法.A:

热处理B.化学热处理C.冷处理

10.马氏体转变时,晶体结构的改组是依靠（）进行的

滑动方式B:

切变方式C:

扩散方式

11.机械混合物的性能是（）

是各组成分性能的总和

取决于组成它的各相的性能以及各相的形状、数量、大小和分布状况等

和各组成相的性能无关

12.将钢加热到临界点以上,保温一段时间后使其缓慢冷却以获得接近平衡状态的组织,这种工艺称为（）

回火B:

正火C:

退火

13.合金组织大多数都属于（）

金属化合物B:

间隙固溶体C:

机械混合物

14.完全退火的加热温度一般规定为（）

A1+（3050）℃B:

Acm+（3050）℃C:

A3+（3050）℃

15.钢的淬透性取决于（）

淬火冷却速度B:

钢的临界冷却速度C:

工件的形状

16.钢的淬硬度取决于（）