机械工程材料 知识点2 典型铁碳合金冷却过程及其组织 3-2-2.2典型铁碳合金冷却过程及其组织x
时间：2020-10-26 01:34:36 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
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目 录 1
简 介 5
项目一 分析金属材料的力学性能 6
任务1 分析材料强度与塑性 7
子 任务1.1 强度 7
子 任务1.2 塑性 9
任务2 分析材料的硬度 10
子 任务2.1 布氏硬度 10
子 任务2.2 洛氏硬度 11
子 任务2.3 维氏硬度 12
任务3 分析材料的韧性与疲劳强度 13
子 任务3.1 韧性 13
子 任务3.2 疲劳强度 15
项目二 金属的结构与结晶 16
任务1 金属的晶体结构 17
子 任务1.1 晶体与非晶体 17
子 任务1.2 金属的晶格类型 19
子 任务1.3金属的实际晶体结构 21
任务2 金属的结晶 23
子 任务2.1 冷却曲线与过冷度 23
子 任务2.2 纯金属的结晶过程 24
子 任务2.3 金属晶粒大小与控制 25
子 任务2.4 铸锭的组织 26
任务3 合金的晶体结构 27
子 任务3.1 合金的基本概念 27
子 任务3.2 合金的相结构 28
项目三 铁碳合金 30
任务1 铁碳合金的基本组织 31
子 任务1.1 纯铁的同素异晶转变 31
子 任务1.2 铁碳合金的基本相 33
任务2 铁碳合金相图 34
子 任务2.1 Fe - Fe3C 相图分析 34
子 任务2.2 典型铁碳合金的冷却过程及其组织 36
子 任务2.3 含碳量对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响 42
子 任务2.4 铁碳合金相图的应用 43
任务3 非合金钢( 碳钢) 44
子 任务3.1 杂质元素对碳钢性能的影响 45
子 任务3.2 碳钢的分类 46
子 任务3.3 碳钢的牌号、性能和应用 47
项目四 钢的热处理 56
任务1 钢在加热时的组织转变 58
子 任务1.1 奥氏体的形成及其影响因素 58
子 任务1.2 奥氏体晶粒长大及其影响因素 60
任务2 钢在冷却时的组织转变 61
子 任务2.1 过冷奥氏体等温转变 61
子 任务2.2 过冷奥氏体的连续冷却转变 65
任务3 钢的退火与正火 69
子 任务3.1 钢的退火 69
子 任务3.2 钢的正火 71
任务4 钢的淬火 72
子 任务4.1 淬火工艺 72
子 任务4.2 淬火方法 74
任务5 钢的回火 75
子 任务5.1 淬火钢的回火转变 75
子 任务5.2 回火种类及应用 77
任务6 钢的淬透性及应用 78
子 任务6.1 钢的淬透性及应用 78
任务7 钢的表面热处理 80
子 任务7.1 钢的感应淬火及火焰淬火 80
任务8 钢的化学热处理 82
子 任务8.1 钢的渗碳 82
子 任务8.2 钢的渗氮(氮化) 85
子 任务8.3 碳氮共渗 86
项目五 工业用钢 87
任务1 合金元素在钢中的作用 88
子 任务1.1 合金钢的分类与编号 88
任务2 钢中常存杂质与合金元素 91
子 任务2.1合金元素对钢中基本相的影响 91
子 任务2.2合金元素对Fe - Fe3 C 相图的影响 93
子 任务2.3合金元素对钢在加热和冷却时转变的影响 94
子 任务2.4合金元素对钢回火转变的影响 96
任务3 结构钢 97
子 任务3.1 低合金结构钢 97
子 任务3.2 渗碳钢 99
子 任务3.3 调质钢 103
子 任务3.4 弹簧钢 105
任务4工具钢 113
子 任务4.1 刃具钢 113
子 任务4.2 模具钢 123
任务5 特殊性能钢 131
子 任务5.1 不锈钢 131
子 任务5.2 耐热钢 136
项目六 铸铁 141
任务1 铸铁的石墨化及其影响因素 142
子 任务1.1 铸铁的石墨化 142
子 任务1.2 影响石墨化的因素 144
任务2 灰铸铁 145
子 任务2.1 灰铸铁的成分、组织和性能 145
子 任务2.2 灰铸铁的孕育处理 147
子 任务2.3 灰铸铁的牌号、用途及热处理 149
任务3 球墨铸铁 150
子 任务3.1 球墨铸铁的成分、组织和性能 150
子 任务3.2 球墨铸铁的牌号、用途及热处理 152
任务4 可锻铸铁 155
子 任务4.1 可锻铸铁的成分和生产过程 155
子 任务4.2 可锻铸铁的性能、牌号和用途 158
任务5 其他铸铁 159
子 任务5.1 蠕墨铸铁 159
子 任务5.2 合金铸铁 161
项目七 有色金属与粉末冶金材料 163
任务1 铝及铝合金 164
子 任务1.1 工业纯铝 164
子 任务1.2 铝合金 165
任务2 铜及铜合金 172
子 任务2.1 工业纯铜 172
子 任务2.2 铜合金 173
任务3 钛及钛合金 181
子 任务3.1 纯钛 181
子 任务3.2 钛合金 182
任务4 轴承合金 183
子 任务4.1滑动轴承的工作条件及对轴承合金的性能要求 183
子 任务4.2轴承合金的组织特征 184
子 任务4.3常用轴承合金 185
任务5 粉末冶金材料 190
子 任务5.1硬质合金 190
子 任务5.2粉末冶金减摩材料 195
子 任务5.3粉末冶金结构材料 196
子 任务5.4粉末冶金摩擦材料 197
项目八 工程材料的选用 199
任务1 机械零件的失效与分析 200
子 任务1.1 失效及其形式 200
子 任务1.2 零件失效的原因 202
任务2 工程材料选择的原则、方法和步骤 204
子 任务2.1工程材料选择的原则 204
子 任务2.2工程材料选择的方法与步骤 207
任务3 典型零件的选用 209
子 任务3.1齿轮类零件的选材 209
子 任务3.2轴类零件的选材 212
参考文献 215
简 介
本书是根据学院对校本教材的要求，坚持以能力为本位，重视实践能力的培养，突出职业教育特色。根据机械类专业《机械工程材料》的教学要求, 并结合我们多年来的教学实践而编写的。本书以培养机械类各专业学生具有合理选用机械工程材料、正确确定材料加工工艺方法、妥善安排工艺路线的初步能力为主要目标。
本书主要内容包括: 金属材料的力学性能、金属的结构与结晶、铁碳合金、钢的热处理、工业用钢、铸铁、有色金属及粉末冶金材料、工程材料的选用等。
本书的特点是:
(1)紧密围绕机械类专业的需要,根据机械类专业毕业生所从事职业的实际需要，合理确定学生应具备的能力结构与知识结构，对教材内容的深度、难度做了较大程度的调整。
(2)为了使学生易于掌握基本内容，在每个项目中提出了知识目标、技能目标，并在有些项目后列出了一定数量的项目训练,旨在总结基本概念、巩固所学知识、培养分析和解决实际问题能力。
(3)全书紧密结合教学基本要求,对主要内容都有一定的理论分析,避免只讲现象和结论。取材力求新颖,尽量做到深入浅出,循序渐进,并注意前后内容的衔接。另外,在理论分析的同时,列举实例加以分析, 起到了理论联系实际的作用。
本书由山东理工职业学院王金新、杨晓萍、候圣勇、李冲、付龙、张莉、陈金、崔敏、牛婧、亓学芸、赵传贝等诸位教师编写, 其中王金新任主编，杨晓萍、候圣勇、李冲任副主编，全书有宋连龙主审。
本书在编写过程中, 参考了部分国内外有关教材、科技著作及论文,并得到了有关单位和同志的大力支持,在此一并致以诚挚的谢意。
由于编写时间仓促以及编者水平有限，不妥之处在所难免，诚恳地希望广大师生批评指正。
编 者
2015.9
子任务2.2 典型铁碳合金的冷却过程及其组织
1. 铁碳合金的分类
按照Fe- Fe3C相图中碳的含量及室温组织的不同, 铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类。
（1） 工业纯铁
ωC≤0.0218% , 室温显微组织为铁素体。
（2） 钢
0.0218%<ωC≤2.11%。按室温组织不同,又可分为以下三种:
① 共析钢 ωC=0.77% , 室温组织为珠光体;
② 亚共析钢 0.0218%<ωC<0.77 % , 室温组织为珠光体 + 铁素体;
③ 过共析钢 0.77%<ωC≤2.11% , 室温组织为珠光体 + 二次渗碳体。
(3 ) 白口铸铁
2.11%<ωC≤6.69% 。按室温组织不同, 又可分为以下三种:
图 3 - 5 共析钢冷却过程示意图
① 共晶白口铸铁 ωC=4.3% , 室温组织为变态莱氏体;
② 亚共晶白口铸铁 2.11% <ωC<4.3% , 室温组织为变态莱氏体 + 珠光体 + 二次渗碳体;
③ 过共晶白口铸铁 4.3% <ωC≤6.69% , 室温组织为变态莱氏体 + 一次渗碳体。
2 . 典型铁碳合金冷却过程分析
(1) 共析钢冷却过程分析
图3-4中合金I为ωC=0.77%的共析钢。合金在 1 点温度以 上全部为液相(L),当缓却至与 AC 线相交的 1 点温度时, 开始从液相中结晶出奥氏体(A),奥氏体的量随温度下降而增多,其成分沿AE线变化,剩余液相逐渐减少, 其成分沿 AC 线变化。冷至2点温度时,液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。2点～3点(即S点)温度范围内为单一奥氏体。冷至3点(727℃) 时, 发生共析转变, 从奥氏体中同时析出成分为P点的铁素体和成分为K点的渗碳体,构成交替重叠的层片状两相组织,称为珠光体, 用符号P表示, 其共析转变式为。
这种在一定温度下,由一定成分的固相同时析出两种一定成分的固相转变,称为共析转变。在恒温下进行, 该温度称为共析温度；发生共析转变的成分称为共析成分,共析成分是一定的；共析转变后的组织称为共析组织或共析体。共析转变后的铁素体和渗碳体又称共析铁素体和共析渗碳体。由于在固态下原子扩散较困难,故共析组织均匀、细密。
在3点以下继续缓冷时,铁素体成分沿PQ线变化,将有少量三次渗碳体(Fe3CⅢ)从铁素体中析出,并与共析渗碳体混在一起，不易分辨,而且在钢中影响不大,故可忽略不计。共析钢冷却过程如图3-5,其室温组织为珠光体。珠光体力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,有一定塑性(σb=770 MPa，180HBS、δ= 20 % ～35 % 、AK=24～32J)。珠光体显微组织一般为层片状, 当放大倍数较低时,只能看到白色基体的铁素体和黑色条状的渗碳体,如图3-6a；放大倍数较高时, 可清楚看到渗碳体是有黑色边缘围绕着的白色条状, 如图3-6b。
(a)放大倍数较低 （b）放大倍数较高
图 3 - 6 珠光体的显微组织
(2) 亚共析钢冷却过程分析
图3-4中合金Ⅱ为ωC=0.45% 的亚共析钢。合金Ⅱ在3点以上的冷却过程与合金Ⅰ在3点以上相似。当合金冷至与 GS线相交的3点时,开始从奥氏体中析出铁素体。随温度降低,铁素体量不断增多,其成分沿GP线变化,而奥氏体量逐渐减少, 其成分沿G S线向共析成分接近, 3点～4点间组织为奥氏体和铁素体。温度缓冷至4点时, 剩余奥氏体的含碳量达到共析成分(ωC=0 .77 % ) , 发生共析转变形成珠光体。温度继续下降, 由铁素体中析出极少量的三次渗碳体, 可忽略不计。故其室温组织为铁素体和珠光体, 其冷却过程如图 3 - 7。
图 3 - 7 亚共析钢冷却过程示意图
所有亚共析钢的冷却过程均相似, 其室温组织都是由铁素体和珠光体组成。所不同的是随含碳量的增加, 珠光体量增多, 铁素体量减少。亚共析钢的显微组织如图 3 - 8 , 图中白色部分为铁素体, 黑色部分为珠光体。
( a ) ωC= 0 .1 % ( b)ωC = 0 .25 % ( c ) ωC= 0 .4 5 %
图 3 - 8 亚共析钢的显微组织
(3) 过共析钢冷却过程分析
图 3 - 4 中合金Ⅲ为ωC= 1 .2 % 的过共析钢。合金Ⅲ在 3 点以上的冷却过程与合金Ⅰ在3点以上相似。当合金冷至与 ES 线相交的 3 点时, 奥氏体中含碳 量达到饱和, 碳以二次渗碳体( Fe3CⅡ) 的形式析出, 呈网状沿奥氏体晶界分布。继续冷却, 二次渗碳体量不断增多, 奥氏体量不断减少, 剩余奥氏体的成分沿ES线变化。当冷却到与 PS K 线相交的 4 点时, 剩余奥氏体中含碳量达到共析成分(ωC= 0 .77 % ) , 故奥氏体发生共析转变, 形成珠光体。继续冷却, 组织基本不变。其室温组织为珠光体和网状二次渗碳体。冷却过程如图3- 9 。
图 3- 9 过共析钢冷却过程示意图
所有过共析钢的室温组织都是由珠光体和网状二次渗碳体组成的。不同的是随含碳量的增加,网状二次渗碳体量增多, 珠光体量减少。过共析钢的显微组织如图3-10,图中呈片状黑白相间的组织为珠光体, 白色网状组织为二次渗碳体。
图3-10 过共析钢的显微组织
(4) 共晶白口铸铁冷却过程分析
图3-4中合金Ⅳ为上ωC = 4 .3 % 的共晶白口铸铁。合金在 1点( 即 C 点) 温度以为液相。缓冷至 1 点温度( 1 148℃) 时, 发生共晶转变,即从一定成分的液相中同时结晶出成分为 E 点的奥氏体和成分为 F 点的渗碳体。共晶转变后的奥氏体和渗碳体又称共晶奥氏体和共晶渗碳体。由奥氏体和渗碳体组成的共晶体, 称为莱氏体, 用符号Ld表示, 其转变式为 。莱氏体的性能与渗碳体相似, 硬度很高, 塑性极差。继续冷却, 从共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体, 奥氏体中的含碳量沿 ES 线向共析成分接近, 当缓冷至 2 点时, 奥氏体的含碳量达到共析成分, 发生共析转变, 形成珠光体, 二次渗碳体保留至室 温。因此, 共晶白口铸铁的室温组织是由珠光体和渗碳体( 二次渗碳体和共晶渗碳体) 组成的两 相组织, 即变态莱氏体( Ld′)。共晶白口铸铁的冷却过程如图 3 - 11。其显微组织如图 3- 12 , 图中黑色部分为珠光体, 白色基体为渗碳体( 其中共晶渗碳体与二次渗碳体混在一起, 无法分辨) 。
图 3 - 11 共晶白口铸铁冷却过程示意图
(5 ) 亚共晶白口铸铁冷却过程
图3-4中合金Ⅴ为ωC =3.0% 的亚共晶白口铸铁。合金在1点温度以上为液相。缓冷至与AC线相交的1点温度, 从液相中开始结晶出奥氏体, 随温度降低, 奥氏体量不断增多,其成分沿 A E 线变化, 而液相逐渐减少, 其成分沿 AC线变化。冷却至与 ECF 线相交的2点(1148℃)时,剩余液相成分达到共晶成分(ωC =4.3% ),发生共晶转变, 形成莱氏体。在2点～3点之间冷却时, 奥氏体的成分沿ES线变化,并不断析出二次渗碳体,冷至与PSK线相交的3点温度时,奥氏体达到共析成分, 发生共析转变, 形成珠光体。其室温组织为珠光体+二次渗碳体+变态莱氏体,即P+Fe3CⅡ+Ld′。亚共晶白口铸铁的冷却过程如图3-12,其显微组织如图3-14,图中黑色块状或树枝状为珠光体, 黑白相间的基体为变态莱氏体, 二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起, 无法分辨。
图3 - 12 亚共晶白口铸铁冷却过程示意图
图3-13 共晶白口铸铁的显微组织 图3-14 亚共晶白口铸铁的显微组织
所有亚共晶白口铸铁的室温组织均由珠光体+二次渗碳体+变态莱氏体组成。不同的是随含碳量增加, 组织中变态莱氏体量增多, 其他量相对减少。
(6 ) 过共晶白口铸铁冷却过程
图 3 - 4中合金Ⅵ为ωC = 5 .0 % 的过共晶白口铸铁。合 金在 1 点温度以上为液相。缓冷至 1 点温度时, 从液相中结晶出板条状一次渗碳体, 随温度降, 一次渗碳体量不断增多, 液相不断减少, 其成分沿 DC 线变化, 冷至 2 点(1 148 ℃) 时, 液相成 分达到共晶成分, 发生共晶转变, 形成莱氏体。在 2 点～3 点温度之间冷却时, 同样由奥氏体中 析出二次渗碳体, 但二次渗碳体在组织中难以辨认。继续冷却到 3点(727℃) 时, 奥氏体发生共析转变, 形成珠光体。过共晶白口铸铁的室温组织为变态莱氏体和一次渗碳体。过共晶白口铸 铁的冷却过程如图 3 - 15 , 其显微组织如图 3 - 16 , 图中白色条状为一次渗碳体, 黑白相间的基体 为变态莱氏体。
图 3 - 15 过共晶白口铸铁冷却过程示意图
所有过共晶白口铸铁的室温组织均由变态莱氏体和一次渗碳体组成。不同的是随含碳量的增加, 组织中一次渗碳体量增多。
