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第5章 铁碳合金
5.1 金属及合金的构造与结晶
5.1.1 纯金属的构造与结晶
1．晶体结构与类型
金属晶体中原子或离子按一定规则排列而成的空间几何图形，称为晶格
体心立方晶格
体心立方晶格是一个立方体，在晶胞的8个结点上各有一个原子，晶胞中心也有一个原子。具有体心立方晶格的金属有铬、钨、钒、钼、
铁等
面心立方晶格
（b）面心立方晶格
面心立方晶格是一个立方体，8个结点和6个面上各有一个原子。具有面心立方晶格的金属有铜、铝、银、镍、
铁
密排六方晶格
密排六方晶格是个正六棱柱体，十二个角上各有一个原子，上、下面中心各有一个原子，整个正六方体中间还均匀分布着三个原子。具有这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be等
同素异构转变
金属的晶格类型并非一成不变。某些金属如铁、锰、锡、钛等，凝固后随温度变化还会发生晶格类型的改变，这种现象称为同素异构转变。
右图为纯铁的冷却曲线
2．多晶体
金属内部的原子完全是整齐规则排列时，称为单晶体
实际的金属结构包含着许多小单晶体，由多晶粒组成的晶体结构，称为多晶体
右图左为单晶体
右图右为多晶体
晶体缺陷
实际应用的金属材料，晶粒内原子的排列也只是大体上一致，其中不一致的原子排列，称为晶体缺陷
（1）点缺陷：是指在晶格结点处无原子存在，而在晶格结点间有原子。前者称晶格空位，后者称间隙原子
（2）线缺陷
是指晶粒内部呈线状分布的缺陷，表现为各种形式的位错，主要有刃型位错和螺型位错两种基本形式
（a）刃型位错 （b）螺型位错
（3）面缺陷
是指晶粒内部的晶面由许多“碎晶块”组成，主要指晶界、亚晶界
3．金属的结晶
物质由液态转变为固态的过程，称为凝固。晶体材料的凝固过程也称为结晶
细化晶粒是使金属材料强韧化的有效途径
工业生产中为了获得细晶粒组织常采用以下方法：
提高液态金属凝固时的冷却速度，如采用金属模代替砂型铸模；
进行变质处理也称为孕育处理；
采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法
5.1.2 合金的构造与结晶
1．合金的构造
固溶体：是以一种金属元素的晶格为溶剂，其他元素的原子为溶质，溶质原子溶入溶剂晶格而形成的均匀固体。
1）间隙固溶体
2）置换固溶体
a)间隙固溶体 b)置换固溶体
5.1.2 合金的构造与结晶
金属化合物：是构成合金的元素相互化合而生成的新物质 ；
机械混合物：是两种或两种以上的金属晶体相互混合而成的组织 。
2．合金的结晶
合金的结晶过程，是合金的组织结构随温度、成分的变化而变化的过程，常用合金相图来反映。合金相图又称为合金状态图，它表明了在平衡状态下（即在极缓慢的加热或冷却的条件下），合金的相结构随温度、成分发生变化的情况，故亦称为平衡图。
5.2 铁碳合金相图
5.2.1 铁碳合金的基本组织
1．铁素体
碳溶解在 -Fe中形成的固溶体，称为铁素体，又名纯铁体、 固溶体。通常用符号“F”表示。因碳在 -Fe中的溶解量很少（含C量＜0.0218%），所以碳的强化作用很小，其机械性能近似纯铁，即强度、硬度低，塑性、韧性好。
2．奥氏体
奥氏体中的铁原子仍保持着面心立方晶格。由于 -Fe中的间隙尺寸比 -Fe大，因此前者的溶碳能力高。由于 -Fe通常在高温条件下存在，所以在一般情况下奥氏体也只能在高温下存在
奥氏体具有高的塑性， = 40%～50%；有较低的变形抗力，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所需的组织。
碳溶解在 -Fe中形成的固溶体，称为奥氏体，亦称 固溶体，通常用符号“A”表示。
3．渗碳体
铁与碳形成的化合物称为渗碳体。渗碳体的含碳量为6.69%，硬度很高，约为HB800左右，但强度很低，塑性和韧性几乎为零。渗碳体在钢中主要起强化作用，其数量、形状、大小及其分布状况对钢的性能有很大影响。
5.2.2 铁碳合金相图
ACD—液相线
AECF—固相线
ECF—共晶线
GS—亦称A3线
ES—亦称Acm线
S——共析点
GP——奥氏体冷却到此线时，全部转变成铁素体
PSK—亦称A1线
C—共晶点
铁碳合金的分类 :
工业纯铁：成分在P点左面，是含碳量小于0.02%的铁碳合金。共组织全部由铁素体构成，工业上应用较少 ;
钢：成分在P点与E点之间，是含碳量为0.02%～2.11%的铁碳合金。根据室温下组织的不同，可以S点为界分为
a. 共析钢：含碳量为0.77%，组织全部由珠光体构成；
b. 亚共析钢：含碳量为0.02%～0.77%，组织由铁素体和珠光体构成；
c. 过共析钢：含碳量为0.77%～2.11%，组织由二次渗碳体和珠光体构成。
白口铸铁：成分在E点和F点之间，是含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金。
铁碳合金相图的应用
（1）判断铁碳合金的力学性能
（2）作为选用钢铁材料的依据
（3）制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据
5.3 碳素钢
5.3.1 碳素钢的分类
主要有三种方法 :
按含碳量分：低碳钢wc≤0.25%；中碳钢wc0.25%～0.6%；高碳钢wc＞0.60%；
按质量分：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢；
按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢
5.3.2 碳素钢的牌号、性能及主要用途
碳素结构钢：碳含量较低，而硫、磷等含量较高，故强度不高，但塑性、韧性较好，焊接性能好，价格低廉。碳素结构钢的规定牌号有：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五类；
优质碳素结构钢：含碳量0.05%～0.9%，有害杂质含量很少。应用广泛，常制造各种较重要的机械零件，比如汽车中的大部分零件；
碳素工具钢：这类钢常用于制造刃具、量具、模具等 。
5.4 合金钢
为了改善钢的性能，炼钢时有目的地加入一些合金元素所形成的钢称为合金钢。合金钢通过热处理能获得优良的综合机械性能及一些特殊的物理、化学性能。常加入的合金元素有钛Ti、钒V、铌Nb、钨W、钼Mo、铬Cr、锰Mn、铝A1、钴Co、硅Si、硼B、氮N及稀土元素。但是合金钢的冶炼、加工困难，价格较贵，所以应合理选用。
5.4.1 合金结构钢
低合金结构钢
合金渗碳钢
合金调质钢
合金弹簧钢
滚动轴承钢
5.4.2 特殊性能钢
不锈钢：常用不锈钢按化学成分分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两种；按金相组织分为马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢等五种；
耐磨钢：主要用于制造在严重磨损和强烈冲击条件下工作的零件 ；
耐热钢：金属材料的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两方面。具有抗高温介质腐蚀能力的钢称为抗氧化钢，在高温下仍具有足够机械性能的钢称为热强钢。耐热钢是两者的总称。
5.5 铸铁
含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金称为铸铁 .
为了进一步提高铸铁的力学性能或得到某些特殊性能，常加入铬、钼、铜、钒、铝等合金元素或提高硅、锰、磷等元素的质量分数，这种铸铁称为合金铸铁。
铸铁的强度、塑性等力学性能不如钢材，但它具有良好的铸造性能、切削加工性能、耐磨性、减振性，且价格低廉。因此，铸铁仍然是工业生产中最重要的金属材料之一，广泛应用于汽车制造业。
5.5.1 铸铁的石墨化
铸铁组织中的碳以石墨的形式析出的过程，称为石墨化。
石墨化非常充分时，铸铁的最终组织为铁素体基体上分布着石墨；石墨化比较充分时，最终组织为珠光体基体上分布着石墨或铁素体与珠光体基体上分布着石墨；石墨化不太充分时，最终组织为莱氏体与珠光体基体上分布着石墨；石墨化未进行时，最终组织为莱氏体，这种铸铁称为白口铸铁。
5.5.2 铸铁种类
白口铸铁
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
蠕墨铸铁
合金铸铁
5.6 金属材料的热处理
金属材料的热处理是指金属材料在固态下，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。
通过适当的热处理，可以充分发挥材料的潜力，显著提高材料的力学性能，延长零件的使用寿命，还可以消除铸、锻、焊等加工所引起的内应力和各种缺陷，为以后工序做好准备。
5.6.1 钢在加热、冷却时的组织转变
1．钢的加热
对钢进行加热，其目的是改变钢的原始组织，获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，并为冷却时的转变做好准备，使钢最终获得所需的组织和性能。
钢在加热时是奥氏体的形核和长大的过程。奥氏体转变越彻底，其晶粒度越均匀细小，钢的性能越好
碳钢在加热、冷却时相变点 在铁碳合金相图上的位置
2．钢的冷却
冷却是将加热到高温奥氏体状态的钢以一定速度冷却到低温，使钢中奥氏体发生预期转变，从而获得所需的组织和性能。
常用冷却方式有两种：等温冷却 、连续冷却。生产中，因采用连续冷却方式比采用等温冷却方式操作简单，所以使用较广泛。
两种冷却方式
5.6.2 钢的退火与正火
1．退火
退火是将工件加热到一定温度并保温，然后再随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。
常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等。
完全退火：将钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间，随炉冷却到600℃以下，出炉后空冷。完全退火后的组织为珠光体＋铁素体，其目的是消除工件的内应力、降低硬度、细化晶粒、均匀组织，为后续加工做准备。主要适用于亚共析钢的铸、锻、焊接件的毛坯或半成品零件的预先热处理。
球化退火：是将钢加热到Ac1以上30～50℃，经充分保温后缓冷到600℃出炉空冷。退火组织为球状珠光体。其目的是降低硬度，提高韧性，改善切削加工性，为后续热处理做组织准备。球化退火主要用于共析、过共析钢。
去应力退火：是将钢加热到Ac1以下某一温度（一般为600℃），保温后随炉冷却的一种热处理工艺，又称低温退火或人工时效。目的是消除铸、锻、焊、冷成形件以及切削加工件中的残余应力。
2．正火
正火是将钢加热到Ac3或Accm以上50～70℃，保温一定时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺；
正火后材料的硬度、强度、韧性都高于退火，且操作简便、周期短，故应优先考虑
正火主要用途 ：作为普通结构钢零件的最终热处理 ；作为低、中碳结构钢零件的预备热处理。
5.6.3 钢的淬火与回火
1．淬火
淬火是将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃温度，保温一定时间，然后进行快速冷却的一种热处理工艺。
其目的是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。
淬火加热温度
淬火介质
淬火方法
淬透性和淬硬性 ：淬透性指钢在一定的淬火条件下，获得淬硬层深度的能力。淬硬性指钢在理想条件下淬火所能达到最高硬度的能力。
2．回火
将淬火钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温后以一定的冷速冷至室温的工艺称为回火。
目的是消除或减少淬火应力，降低脆性，防止零件变形开裂；稳定组织，从而稳定零件尺寸；调整力学性能，满足零件的性能要求。
常用回火方法有 ：低温回火 、中温回火 、高温回火 。
低温回火：回火温度在150～250℃之间。回火组织为回火马氏体，基本保持马氏体的高硬度、高耐磨性，同时韧性提高，内应力明显降低。低温回火常用于刀具、模具、量具、滚动轴承、渗碳体、表面淬火件等。在100～150℃下长时间的低温回火，又称为人工时效，可以消除内应力，稳定尺寸。
中温回火：回火温度在350～500℃之间。回火组织为回火托氏体，具有高的弹性极限和屈服强度，一定的韧性，且内应力基本消除，硬度约35～50 HRC。中温回火常用于弹性零件及热锻模等。
高温回火：回火温度为500～650℃之间。淬火加高温回火的复合热处理又称为调质处理。回火组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能，硬度约为25～40HRC。高温回火常用于受力复杂的重要结构件，如曲轴、连杆、半轴、齿轮、螺栓等。所以典型的中碳范围的结构钢又称调质钢。
5.6.4 钢的表面热处理
1．表面淬火
仅对零件表层进行淬火的工艺称为表面淬火，根据加热方法不同分为感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热表面淬火等。
（1）感应加热表面淬火
利用感应电流通过零件时产生的热效应，使零件表面迅速达到淬火温度，随即快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。
感应加热速度极快、加热时间短，因此晶粒细小均匀、淬火质量好、工件变形小、生产率高、易于机械化、自动化而适于大批生产。但大件、太复杂件难以处理。淬火后仍需进行低温回火。
感应加热表面淬火淬硬层的深浅，主要取决于电流频率的高低。频率越高，淬硬层越浅。因此，感应加热表面淬火又分为：高频（200～300kHz），淬硬深度为0.5～2mm，主要适用于要求淬硬层较薄的中小型零件；中频（2.5～8kHz），淬硬深度为2～10mm，主要适用于大模数齿轮及直径较大的轴等；工频（50Hz），淬硬深度为10～15mm，主要适用于大直径零件。
（2）火焰加热表面淬火
利用氧-乙炔火焰（或其他可燃气体）对零件表面进行加热，使其快速升温达到淬火温度，然后迅速喷水冷却的热处理工艺称为火焰加热表面淬火。淬硬层深度一般为2～6mm。
火焰加热表面淬火相对来说操作简单方便、成本低，但因其淬火质量不易控制、生产效率低使应用受到了限制，主要用于单件小批生产或中碳钢、中碳合金钢大型零件或复杂件的局部表面淬火。
2．化学热处理
化学热处理是指将零件放入一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入零件表面，以改变表层的化学成分、组织和性能的一种表面热处理工艺。
按渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗等，其中前两种最常用。
（1）渗碳
低碳钢的表面渗入碳原子的过程称为渗碳。渗碳介质可以是气态、液态、固态，生产中应用最广的是气体渗碳。
渗碳后再经淬火加低温回火处理表层硬度可达58～64HRC。渗碳处理使零件表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度，心部具有良好的塑韧性。
渗碳主要用于表面磨损剧烈并承受较大冲击载荷的零件。
（2）渗氮
零件在渗氮介质中（氨气等）加热并保温，使活性氮原子渗入零件表面的化学热处理工艺称为渗氮。
工件氮化后表面硬度可达HRC67～72，比渗碳具有更高的硬度、耐磨性、疲劳强度及更好的耐蚀性、红硬性，且变形小，但生产周期长、成本高，主要用于精密齿轮、精密丝杆、精密机床主轴等零件。
The End！

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