铁碳合金教案.docx
《铁碳合金教案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《铁碳合金教案.docx(26页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
铁碳合金教案
第三章铁碳合金
§3-1合金及其组织
教学过程
一、复习提问:
金属的概念、常用金属
二、新课教学:
合金的基本概念
合金的组织
三、课后小结:
比较各类合金组织
四、作业安排:
练习册P10,一、1-5;二、1-3;三、1-3
五、板书设计(见下页):
六、教学后记:
第三章铁碳合金
合金组成:
金属+金属,金属+非金属;(metal+nonmetal)
元素比例:
可以调整,得到不同性能;
性能:
物理、化学、力学、工艺、热处理性能。
§3-1合金及其组织
1、组元:
组成合金的最基本的独立物质,按组成元素的种类分为二元合金、三元合金和多元合金。
例:
碳素钢由Fe、C、Si、Mn、S、P组成,称铁碳合金,多元合金;;
黄铜由Cu、Zn组成,称二元合金;
铝由Al、Cu、Mg组成,称三元合金。
2、相:
合金中成分、结构及性能相同的组成部分为相,相与相之间以界面分开,固态相有统一的晶格类型,是组元间的关系。
3、组织:
数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金组织,是相之间的关系。
组织不同,性能不同。
液相:
无晶格
单相组织固溶体
固相
单晶格金属化合物
多相组织:
混合物
(多种晶格)
单相组织:
一种晶格
单晶体:
一个晶粒
一、合金的基本概念
1、液相组织:
液态时,合金的组元相互溶解,形成均匀的液溶体。
2、固相组织:
固态时,由于合金各组元之间相互作用不同,原子结合力不同,可出现固溶体、金属化合物、机械混合物。
二、合金的组织
1、固溶体
定义:
一种组元溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。
属性:
单相组织,显微镜下可观察到晶界。
溶剂:
基体组元,保持自身晶格类型,溶解其它组元。
溶质:
溶入溶剂的组元,自身晶格消失。
例如:
铁碳合金中铁为溶剂,碳为溶质。
分类:
间隙固溶体(有限)
按溶质与溶剂原子相对位置分:
置换固溶体(无限)
有限固溶体
按溶解度分:
无限固溶体
间隙固溶体—溶质原子分布于溶剂晶格中而形成的固溶体。
由于溶剂晶格的间隙尺寸很小,故溶质原子半径小于1埃,且形成有限固溶体。
例如:
铁碳合金。
置换固溶体—溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。
溶质与溶剂的原子半径差别小、晶格类型相同、电子结构相似、元素周期表中位置近,则形成无限固溶体。
反之,形成有限固溶体。
例如:
黄铜是锌溶入铜形成的置换固溶体。
固溶体性能:
固溶强化
在固溶体中,由于溶质原子的溶入,使溶剂晶格畸变,合金对塑性变形的抗力增加,使金属材料强度、硬度升高,此现象为固溶强化。
表3-1小结:
强化金属材料的方法:
名称
形变强化
固溶强化
相变强化
原因
空位、间隙原子、置换原子;
位错、晶界、亚晶界。
溶入合金元素,
形成固溶体
细化晶粒
热处理
结果
晶格畸变
溶剂晶格畸变
晶粒、晶界↑
晶格改变
变形抗力↑
变形抗力↑
变形抗力↑
变形抗力变化
2、金属化合物
定义-在合金中,当溶质含量超过固溶体的溶解度时,除可形成固溶体外,还将出现新的相,其晶体结构不同于任一组元,而是组元之间相互作用形成一种具有金属特性的物质。
属性:
单相组织,显微镜下可观察到晶界。
晶格:
金属化合物的晶格不同于任一组元,一般具有复杂晶格。
性能:
熔点高,硬度高,脆性大,耐磨性高。
3、混合物
定义:
两种或两种以上的相按一定质量百分比组成的物质为混合物。
属性:
多相组织,显微镜下可观察到多种相。
晶格:
各相保持自身原来晶格。
性能:
取决于各组成相的大小、形态和分布。
三、比较各类合金组织:
表3-2
项目
固溶体
金属化合物
混合物
晶格
保持溶剂晶格
不同于任一组元
各相保持自身晶格
性能
固溶强化
熔点高,硬度高,脆性大,耐磨性好
与各相大小形态、分布有关
举例
A,F
Cm
P,Ld,L'd
§3-2铁碳合金的基本组织与性能
教学过程
一、复习提问:
合金的基本概念
合金的组织
二、新课教学:
铁素体(F)
奥氏体(A)
渗碳体(Fe3C或Cm)
珠光体(P)
莱氏体(Ld)
三、课堂练习:
铁碳合金的基本组织与性能比较
四、作业安排:
练习册P10,一、6-10;二、4-6;三、4-6
五、板书设计(见下页):
六、教学后记:
§3-2铁碳合金的基本组织与性能
铁碳合金:
以Fe、C为主要合金元素,S、P、Si、Mn为次要合金元素,由于成分不同,形成不同固溶体、金属化合物或混合物,对外表现不同性能。
一、铁素体(F)
1、定义:
碳溶于α-Fe形成的间隙固溶体。
2、符号:
F(ferrite)
3、组织类型:
单相组织
4、晶格类型:
体心立方晶格(有畸变)
5、显微组织:
可观察到晶粒间的晶界,
6、存在温度:
<912℃
7、溶碳量:
0~0.0218%
8、性能:
与纯铁相似,具有良好的塑性和韧性,强度和硬度较低。
二、奥氏体(A)
1、定义:
碳溶于γ-Fe形成的间隙固溶体
2、符号:
A(austenitic)
3、组织类型:
单相组织
4、晶格类型:
面心立方晶格
5、显微组织:
可观察到晶粒间的晶界,
6、存在温度:
727~1394℃(杂质多,熔点低)
7、溶碳量:
727℃时溶碳0.77%,1148℃时,溶碳2.11%
8、性能:
强度和硬度不高,具有良好的塑性,是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制所要求的组织。
三、渗碳体(Fe3C或Cm)
1、定义:
含碳量为6.69%的铁和碳的金属化合物
2、符号:
Cm(cementite)Fe3C
3、组织类型:
单相组织
4、晶格类型:
复杂斜方晶体
5、显微组织:
一次渗碳体:
由金属液中结晶出来,温度<1227℃,呈板条状。
二次渗碳体:
由A中析出,温度<1148℃,呈网状,Rm↓。
共晶渗碳体:
金属液发生共晶反应的产物,呈白色基体。
6、存在温度:
<1227℃
7、溶碳量:
6.69%
8、性能:
硬度高,脆性大,塑性差,A、Z几乎为零,是脆硬相。
9、转变:
渗碳体在适当条件下(高温停留或缓慢冷却),可分解为铁和石墨
Fe3C3Fe+C(石墨)
白口铸铁:
碳以渗碳体的形式存在,切口为白亮色,作为炼钢原料。
灰口铸铁:
碳以石墨的形式存在,切口为灰暗色,作为铸件原料。
四、珠光体(P)
1、定义:
F与Cm混合物,是含碳量为0.77%的铁碳合金在727℃时的共析产物。
2、符号:
P(pearlite)
3、组织类型:
多相组织
4、晶格类型:
体心立方晶格+复杂斜方晶格
5、显微组织:
F与Cm片层相间、交替排列,
6、存在温度:
<727℃
7、溶碳量:
0.77%
8、性能:
取决于F与Cm平均值,强度较高,硬度适中,具有一定的塑性。
五、莱氏体(Ld)
1、定义:
A与Cm混合物,是含碳量为4.3%的铁碳合金在1148℃时的共晶产物。
2、符号:
Ld(ledeburite)
3、组织类型:
多相组织
4、晶格类型:
面心立方晶格+复杂斜方晶格
5、显微组织:
白色渗碳体基体上分布点条状奥氏体,
6、存在温度:
727~1148℃
7、溶碳量:
4.3%8、性能:
与渗碳体相似,硬度高,塑性差。
六、低温莱氏体—室温下的莱氏体,由珠光体和渗碳体组成,用符号Ld表示。
1、定义:
P与Cm混合物,是含碳量为4.3%的铁碳合金在727℃时的共析产物。
2、符号:
L’d
3、组织类型:
多相组织
4、晶格类型:
体心立方晶格+复杂斜方晶格
5、显微组织:
白色渗碳体基体上分布点条状珠光体
6、存在温度:
<727℃
7、溶碳量:
4.3%
8、性能:
与渗碳体相似,硬度高,塑性差。
表3-3
组织
代号
组织形式
含碳量%
存在温度
力学性能
晶格类型
基
本
相
铁素体
F
固溶体
0~0.0218
<912℃
强度硬度低
塑性韧性好
体心(畸变)
奥氏体
A
固溶体
0.77~2.11
727~1394
强度硬度不高
塑性好
面心(畸变)
渗碳体
Cm
金属化合物
6.69
<1227
硬而脆
复杂斜方
基
本
组
织
珠光体
P
混
合
物
F+Cm
0.77
<727
强度高,硬度
适中,一定塑性
体心+
复杂斜方
莱氏体
Ld
A+Cm
4.3
727~1148
硬而脆
面心+复杂斜方
低温
莱氏体
L’d
P+Cm
4.3
<727
体心+
复杂斜方
§3-3铁碳合金相图
教学过程
一、复习提问:
铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体组织与性能
二、新课教学:
铁碳合金相图的组成
Fe-Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织
铁碳合金的分类
铁碳合金的成分、组织与性能的关系
Fe-Fe3C相图的应用
三、课堂练习:
铁碳合金相图分析
四、作业安排:
练习册P10,一、11-15;二、7-13;三、7-14
五、板书设计(见下页):
六、教学后记:
§3-3铁碳合金相图
一、铁碳合金相图的组成
1、铁碳合金相图的组成:
图3-1铁碳合金相图
2、定义:
铁碳合金在缓慢冷却(缓慢加热)条件下,不同成份的合金状态或组织随温度变化的图形。
3、研究对象:
C<5%,含碳量太高,脆性大,无实用价值。
4、相图建立方法:
热分析法。
5、相图建立步骤:
配制不同成份的合金;
利用热分析法画出各合金的冷却曲线;
在冷却曲线上找出相应的临界点;
连接相同意义的临界点。
6、简化:
把实际相图中繁琐、应用少的左上角部分和左下角部分予以省略(横坐标为含碳量,纵坐标为温度)。
在铁碳合金中,铁和碳可以形成一系列的化合物,
如Fe3C、Fe2C、FeC等。
二、Fe-Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织
c:
crystallize
s:
separateout
图3-2
1、主要特性点:
表3-4
点
含碳量%
温度℃
意义
A
0
1538
纯铁的熔点,纯铁的理论结晶温度
C
4.3
1148
共晶点,LC(A+Fe3C)
D
6.69
1227
渗碳体的熔点,渗碳体的理论结晶温度
E
2.11
1148
碳在γ-Fe中最大溶解度,A中最大溶碳量
G
0
912
纯铁同素异构转变点:
α-Feγ-Fe
S
0.77
727
共析点,AS(F+Fe3C)
注:
共晶反应与共析反应的区别与联系
项目
共同点
不同点
共晶反应
产物为两固相
反应原料为液态合金,温度相对较高(1148℃)
共析反应
反应原料为固态合金,温度相对较低(727℃)
2、主要特性线:
表3-5
线
名称
意义
ACD
液相线
铁碳合金开始结晶温度连线,先结晶出A或Cm,线上为液相
AECF
固相线
铁碳合金结束结晶温度连线,线下为固相
GS
A3线
冷却时,从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线
ES
Acm
碳在γ-Fe中溶解度线,或称碳在A中固溶线
ECF
共晶线
含碳量为4.3%的液态合金在1148℃时发生共晶转变点连线
PSK
共析线
A1线,含碳量为0.77%A在727℃时发生共析转变点连线
共晶转变:
一定成分的液态合金,在某恒温下,同时结晶出两固相,LS1+S2。
共析转变:
一定成分的固溶体,在某恒温下,同时析出两固相,S1S2+S3
3、面:
表3-6
面
名称
组织类型
晶格类型
ACD以上
液相面
高温液态铁碳合金
无晶体
AEC面
液固共存面
L+A
面心立方
CDF面
液固共存面
L+Cm
复杂斜方
AGSE面
单相A面
A
面心立方
GPS面
A→F面
A+F
室温时为P+F
A1线以上,
ECF线以下
C(0.77~2.11%)
C(2.11~4.3%)
C(4.3~6.69%)
A+CmII
A+CmII+Ld
CmI+Ld
A1线以下
P+CmII
P+CmII+L’d
CmI+L’d
4、单相区:
液相区L,奥氏体区A,渗碳体区Cm,铁素体区F。
三、铁碳合金的分类
纯铁—含碳量小于0.0218%的铁碳合金。
钢steel—含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。
铸铁iron—含碳量大于2.11%的铁碳合金
亚共析钢:
0.0218<C<0.77%
钢共析钢:
C=0.77%
过共析钢:
0.77<C<2.11%
亚共晶白口铸铁:
2.11<C<4.3%
白口铸铁共晶白口铸铁:
C=4.3%
过共晶白口铸铁:
4.3<C<6.69%
工业纯铁:
C<0.0218%
工业用钢:
C<1.4%
工业用铁:
C<4%
四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系
1、随含碳量的增大,铁碳合金室温组织按以下顺序变化:
HBS
F→F+P→P→P+CmII→P+CmII+L’d→L’d→CmI+L’dσb
2、室温组织本质:
F+Cm,二者相对量随含碳量变化而变化
(利用相图说明)。
δψak
图3-3铁碳合金室温组织变化图
3、C%↑,硬度增大;0.8C%
C%↑,强度增大,但C﹥0.8%时,由于网状Cm出现,强度略有下降。
C%↑,A↓、Z↓、ak↓。
为保证工业用钢具有足够的强度和一定的塑性,钢中含碳量<1.4%。
随含碳量的不同,其组织顺序:
F→F+P→P→P+Fe3C→P+Fe3C+Fe3CⅠ
含碳量越高,钢的强度、硬度越高,而塑性、韧性越低,这在钢经过热处理后表现尤为明显。
思考题:
1、为什么液相线以下先结晶出A或Cm,而不是F?
2、含碳量<4.3%,温度<727℃时,有没有A和Cm。
3、共晶反应生成的A中含C量为多少?
共析反应中A的含C量是多少?
4、含碳量为3%的铁碳合金,在1148℃时,A中C的量是多少?
5、含碳量为4%的铁碳合金,在1148℃时,A中C的量是多少?
表3-7
项目名称
亚共析钢
共析钢
过共析钢
亚共晶
白口铸铁
共晶
白口铸铁
过共晶
白口铸铁
含碳量%
0.0218~
0.77
0.77
0.77~2.11
2.11~4.3
4.3
4.3~6.69
共析反应
√
√
√
√
√
√
共晶反应
*
*
*
√
√
√
先结晶组织
A
A
A
A
A+Cm
CmI
室温组织
P+F
P
P+CmII
P+CmII+L’d
L’d
CmI+L’d
五、Fe-Fe3C相图的应用
1、作为选材的依据
(1)要求塑性、韧性好,强度不太高的构件,选低碳钢;
(2)要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的构件,选中碳钢;
(3)各种工具、刀具、量具、模具等,要求硬度高及耐磨性好,选高碳钢。
2、在铸造生产中的应用
在铸造生产上,根据相图找出不同成分的铁碳合金熔点,从而确定合理的熔化和浇注温度。
例如:
钢的熔化和浇注温度比铸铁高;共晶成分的铁碳合金熔点低、凝固温度区间小,铸造性能较好。
3、在锻造工艺上的应用
在锻造工艺上,钢加热温度在1000~1250℃时,处于单相奥氏体,强度低、塑性好,是优良的锻、轧组织。
选择原则:
开始轧制或锻造的温度不可过高,以免钢材氧化严重、晶粒粗大或奥氏体晶界熔化,造成工件报废。
终止温度不可过低,以免出现Cm脆硬相,使钢材塑性差,锻造过程出现裂纹。
4、在热处理工艺上的应用
可根据铁碳合金相图,设计合理的加热温度、保温时间、冷却速度。
根据铁碳合金相图填表:
表3-8
含碳量%
温度℃
显微组织
温度℃
显微组织
0.25
800
A+F
900
A
0.77
700
P
800
A
1.20
700
P+CmII
800
A+CmII
§3-4碳素钢
教学过程
一、复习提问:
铁碳合金相图的组成
Fe-Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织
铁碳合金的分类
铁碳合金的成分、组织与性能的关系
Fe-Fe3C相图的应用
二、新课教学:
钢中常存元素及其对性能的影响
碳素钢的分类
碳素钢牌号及用途
三、课堂练习:
碳素钢牌号识读
四、作业安排:
练习册P10,一、16-20;二、14-20;三、15-20
五、板书设计(见下页):
六、教学后记:
§3-4碳素钢
1、碳素钢—简称碳钢,是最基本的铁碳合金。
它是指在冶炼时没有特意加入合金元素,且含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。
2、碳素钢的特点:
良好的力学性能和工艺性能,冶炼方便,价格便宜,应用广泛。
3、合金钢:
在碳钢的基础上,为改善钢的性能,冶炼时有目的加入一种或几种合金元素的钢。
4、合金钢特点:
可以得到所需的力学性能、化学性能、物理性能、工艺性能(加入元素Cr、Ni、W、V)。
主要元素:
Fe、C
有益元素:
Si、Mn
钢中元素:
有害元素:
S、P
氧化物:
FeO、MnO
非金属夹杂物:
硫化物:
MnS、FeS
硅酸盐
铁矿石:
Fe3O4,Fe2O3,MgO,CaO,SiO2,Al2O3
焦炭:
提供CO和热量
熔剂CaCO3:
与SiO2,Al2O3反应,生成熔点低、流动性好的炉渣,浮在铁水表面。
生铁:
CO使铁矿石中的铁等元素还原出来(Fe2O3+3CO--2Fe+3CO2↑)。
钢:
用氧化方法去除生铁中的杂质。
(2FeO+Si--SiO2+2Fe+Q)
脱氧:
炼钢后期用硅铁、锰铁去除氧的过程(FeO+C—Fe+CO↑)。
还原氧化脱氧
铁矿石—→生铁—→钢—→(Z,TZ,F,b)
煤气
炉渣
表3-9
常存元素
性质
来源
存在形式
作用
锰
(0.25-0.8%)
(0.7-1.2%)
铁矿石、锰铁
溶于F成固溶体
溶于Cm面金属化合物
固溶强化
形成MnS减轻热脆
硅
(0.17-0.37%)
有益元素
铁矿石、硅铁
溶于F成固溶体
固溶强化
硫
(<0.05%)
有害元素
铁矿石、生铁
(Fe+FeS)共晶体
熔点985℃
锻造轧制时开裂
磷
(<0.045%)
生成Fe3P金属化合物
室温下脆性大
(冷脆)
氢
氢原子进入金属后晶格应变增大,降低韧性及延性
氢脆,白点
非金属夹杂物:
1、形式:
氧化物—FeO、Fe3O4、MnO、SiO2、Al2O3;
硫化物—MnS、FeS;硅酸盐。
2、来源:
炼钢反应产生而未排除在钢液上的;或从炉渣、炉体、铸锭设备等耐火材料中带入。
3、作用:
降低钢的强度、塑性。
4、期望值:
越小越好。
一、钢中常存元素及其对性能的影响
锰—有益元素,有很好的脱氧能力,还可与硫形成MnS,从而消除了硫的有害作用。
硅—有益元素,脱氧能力比锰强,还能提高钢的强度及质量,硅作为杂质一般应不超过0.4%。
硫—有害元素,常以FeS形式存在,易使钢材变脆(热脆性)。
磷—有害元素,它使钢在低温时变脆(冷脆性)。
氢—有害元素,能造成氢脆、白点等缺陷。
二、碳素钢的分类
1、按钢的含碳量分
低碳钢:
C≤0.25%
中碳钢:
C=0.25%~0.60%
高碳钢:
C≥0.60%
2、按钢的质量分
普通钢:
S≤0.050%,P≤0.045%
优质钢:
S≤0.035%,P≤0.035%
高级优质钢:
S≤0.025%,P≤0.025%
3、按钢的用途分
结构钢:
含碳量一般均小于0.70%
工具钢:
含碳量一般均大于0.70%
4、按冶炼时脱氧程度的不同分
沸腾钢:
脱氧程度不完全的钢
镇静钢:
脱氧程度完全的钢
半镇静钢:
脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢
表3-10
分类
镇静钢
沸腾钢
半镇静钢
脱氧程度
完全,
无CO生成
液面平静
不完全,
有大量CO,
液面似沸腾
表面质量
一般,有缩孔
偏析轻
好,无缩孔
偏析严重
力学性能
ak↑
ak↓
表示方法
Z,TZ
F
b
5、按室温组织分类(按相图中与共析点相对位置分类):
亚共析钢:
处于共析点以左,室温组织为P+F。
共析钢:
处于共析点,室温组织为P。
过共析钢:
处于共析点以右,室温组织为P+Cm。
三、碳素钢牌号及用途
化学元素符号+汉语拼音字母+阿拉伯数字
1、(普通)碳素结构钢Q+屈服点+质量等级符号+脱氧方法
(1)屈服强度字母Q
(2)屈服强度数值
(3)质量等级符号:
A、B、C、D级,从A到D依次提高。
(4)脱氧方法符号:
F-沸腾钢
b-半镇静钢
Z-镇静钢
TZ-特殊镇静钢
(Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略)
(5)性能:
工艺性好,冶炼容易,价格便宜,产量大。
(6)用途:
结构件、普通零件、制成型材(圆钢、方钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、钢筋)。
(7)举例:
Q235A·F—普通碳素结构钢,屈服点为235MPa,A级质量,沸腾钢。
(8)规律:
牌号越大,Rel↑,Rm↑,HB↑,A↓,Z↓,ak↓。
2、优质碳素结构钢
(1)性能:
出厂时既保证化学成份,又保证力学性能,S、P量<0.035%。
性能好,使用前经热处理改善力学性能。
(2)用途:
用于重要零件,如齿轮、轴、弹簧、容器等。
(3)牌号:
两位数字+其他符号。
两位数字表示平含碳量的的万分数。
其他符号:
如果是普通含锰量钢0.035<Mn<0.80%,不用表示;
如果是较高含锰量钢0.7<Mn<1.2%,在牌号后加Mn;
如果是沸腾钢,加F;如果是锅炉钢,加g。
举例:
20—优质碳素结构钢,平均含碳量为0.20%,镇静钢。
50Mn—优质碳素结构钢,平均含碳量为0.50%,镇静钢,含锰量较高,0.7<Mn<1.2%。
20g—优质碳素结构钢,平均含碳量为0.20%,镇静钢,锅炉用钢。
(4)规律:
牌号越大,Rel↑,Rm↑,HB↑,A↓,z↓,ak↓。
牌号数相同,多Mn,Rel↑,Rm↑,HB↑,A↓,Z不变,ak不变。
(这也是合金钢的思想,既提高Rm又保持Z和ak)
表3-11
牌号
δ
ak
焊接性
σb
HBS
切削性
耐磨性
弹性
热处理
及组织
应用
08-25
良
↓
差
良
↓
差
良
↓
差
低
低
差
良
差
差
↑
良
差
正火、退火
P,S
冲压、焊接、渗碳
30-55
调质
M回
受力大、重要,热模具
60以上
↑
高
↑
高
↑
良
淬火+中回
(S回)
耐磨、弹性件
3、碳素工具钢
(1)性能:
S、P量<0.035%,C>0.7%,属于优质或高级优质钢。
(2)用途:
用于制造刀具、模具、量