1、铁碳相图Fe-Fe3C相图0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T12270.772.114.3珠光体奥+铁铁 + 珠渗碳体II+珠光体奥氏体+ 渗碳体II液体+奥氏体液体 +渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913 )7271148C%铁素体A(1538 )SPECKFD奥氏体A3A1Acm(1) (1) 奥氏体奥氏体是碳在是碳在-Fe-Fe中的固溶体，用中的固溶体，用“A A”表示。表示。特点：特点： 在在11481148时有最大溶解时有最大溶
2、解度度2.11%C2.11%C，727727时可固溶时可固溶 0.77%C0.77%C； 其力学性能与含碳量及其力学性能与含碳量及晶粒大小有关，一般晶粒大小有关，一般170170220HBS220HBS、=40=4050%50%； 形变能力好，形变抗力形变能力好，形变抗力小。小。(2) (2) 铁素体铁素体碳在碳在-Fe-Fe中的固溶体，用中的固溶体，用“F F”表示。表示。特点：特点： 在在727727有最大溶解度，有最大溶解度， 为为0.0218%C0.0218%C； 强度和硬度低，韧性塑强度和硬度低，韧性塑性好。其力学性能大致为；性好。其力学性能大致为；1.82.5MJ/m2ak5080
3、HBSHB3050%100170MN/m20.27080%180280MN/m2b(3) Fe(3) Fe3 3C C渗碳体渗碳体渗碳体渗碳体是由铁和碳组成的一种具有复杂结构的间隙是由铁和碳组成的一种具有复杂结构的间隙化合物，含碳量为化合物，含碳量为6.69%6.69%，用，用“FeFe3 3C C”或或“C Cemem”(Cementite)(Cementite)表示。表示。渗碳体的性能特点渗碳体的性能特点硬度高，脆性大。硬度高，脆性大。 硬度硬度 HB=800kgf/mmHB=800kgf/mm2;2; 抗拉强度抗拉强度 b b30MN/m30MN/m2 2; ; 塑性、韧性几乎为零。塑性
4、、韧性几乎为零。(4)莱氏体：共晶产物，1148进行，L + Cm （Ld）成分：4.3%C(5) 珠光体： 共析产物， 727进行， +Cm （P）成分：0.77%C典型合金结晶过程1. 共析钢的结晶过程(含碳0.77%珠光体)P0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T12270.772.114.3珠光体奥+铁铁 + 珠渗碳体II+珠光体奥氏体+ 渗碳体II液体+奥氏体液体 +渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913 )7271148C%铁素体A
5、(1538 )SPECKFD奥氏体A3A1AcmA2-331LA1-2L2.亚共析钢的结晶过程含碳量为0.02%0.77%。铁素体+珠光体组织。FP40.026.695006007008009001000110012001300140015001600T12270.772.114.3珠光体奥+铁铁 + 珠渗碳体II+珠光体奥氏体+ 渗碳体II液体+奥氏体液体 +渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913 )7271148C%铁素体A(1538 )SPECKFD奥氏体A3A1AcmA2-3AF3-4A1-2L1L3
6、. 过共析钢的结晶过程含碳在0.77%2.1%之间的铁碳合金。珠光体+渗碳体。0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T12270.772.114.3珠光体奥+铁铁 + 珠渗碳体II+珠光体奥氏体+ 渗碳体II液体+奥氏体液体 +渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913 )7271148C%铁素体A(1538 )SPECKFD奥氏体A3A1AcmA3-41LA1-2LP4Fe3CFe3CA2-34. 亚共晶(白口)铸铁的结晶过程含碳量为2.1%4.3
7、%之间的铁碳合金。室温组织为P+Fe3C+Ld 。0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T12270.772.114.3珠光体奥+铁铁 + 珠渗碳体II+珠光体奥氏体+ 渗碳体II液体+奥氏体液体 +渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913 )7271148C%铁素体A(1538 )SPECKFD奥氏体A3A1AcmA2-3Ld3LdPA1-2L1L1 判断合金的组织根据相图可以判断在温度缓慢变化条件下，任一成分的合金在某个温度时的组织是由哪些相组
8、成的，各相的化学成分以及各相所占的比例。相图的应用铁碳合金室温组织比例图100%FFe3CFe3CPLd00.772.114.36.69C%0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T12270.772.114.3珠光体奥+铁铁 + 珠渗碳体II+珠光体奥氏体+ 渗碳体II液体+奥氏体液体 +渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913 )7271148C%铁素体A(1538 )SPECKFD奥氏体d液+d奥+d液体液+奥ABNJ奥氏体A3A1Acm2 根
9、据相图分析机械性能400MPa800MPa1200MPaHB(100HB)(200HB)(300HB)00.40.81.2akdysbsbHB60%14J/cm2d,y40%12J/cm220%8J/cm2akC%1) 铸造工艺性共晶或近共晶合金有较好的流动性，产生分散缩孔(缩松)的倾向小。3-23 集中缩孔分散缩孔缩孔倾向流动性3 相图与加工工艺之间的关系(2) 锻压工艺性 锻压要求材料有较好的塑性和较小的变形抗力(强度)。奥氏体ABEGHJNPSQ d d + +d d +Fe3C +Fe3CL+ LL+d d2. 制定工艺参数的重要依据。ABEGHJNPSQ d d + +d d +Fe
10、3C +Fe3CL+ LL+d d淬火淬火正火正火铁碳合金分类工业纯铁-0.0218%C铸铁过共晶钢铸铁-4.36.69%C亚共晶铸铁-2.114.3%C共晶铸铁-4.3%C共析钢-0.77%C过共析钢-0.772.11%C亚共析钢-0.02180.77%C钢C -曲线C-曲线是对碳钢加热得到奥氏体后，在冷却过程中组织转变进行分析的工具。热处理原理温度温度时间时间加热加热Heating保温保温Insulation Work冷却冷却CoolingA1 A3 Acm钢的热处理工艺有两种冷却方式：(1)等温冷却转变:就是使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到A1线以下一定的温度，然后进行保温，使
11、奥氏体在等温下发生组织转变。（2）连续冷却转变：是指在冷却过程中，随着时间的延长温度连续下降。在实际生产中大多数的冷却过程是连续冷却。一一.钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图3-6 共析钢等温冷却转变曲线0400600700200B下B上TSPMM+A残A过冷A1500300Ms (240 )Mf (-55)110102103104105106T (s)高温转变中温转变低温转变a.高温转变 共析钢奥氏体过冷到A1550之间，等温转变的产物属于珠光体型组织。奥氏体转变成珠光体的过程也
12、是一个铁素体与渗碳体交替生核长大的过程。如图3-7所示。珠光体的形成 首先在奥氏体的晶界上产生渗碳体晶核，渗碳体的含碳量高于奥氏体，所以要将周围奥氏体中的碳原子吸收过来，与此同时，使附近的奥氏体含碳量降低, 为铁素体的形成创造了有利条件，使这部分奥氏体转变为铁素体。 由于铁素体的溶碳能力很低，在其长大过程中必须将过剩的碳转移到相邻的奥氏体中，从而使相邻奥氏体区域中的含碳量升高，又为产生新的渗碳体创造了条件。如此反复进行，奥氏体最终完全转变为铁素体和渗碳体层片相间的珠光体组织。 图3-7 珠光体转变过程示意图P(Fe3C+F)AFFe3CFe3C 珠光体的形成过程中需要碳原子的移动。温度高时碳原
13、子移动距离大，所形成的珠光体片层较宽，温度较低时碳原子移动困难，所形成的珠光体片层较密。在727650之间转变得到的组织为珠光体； 珠光体的形成过程中需要碳原子的移动。温度高时碳原子移动距离大，所形成的珠光体片层较宽，温度较低时碳原子移动困难，所形成的珠光体片层较密。在727650之间转变得到的组织为珠光体； 在650600之间转变而得到的组织为索氏体，又叫细珠光体；在600550之间转变而得到的为屈氏体，又叫极细珠光体。电镜形貌 这三种珠光体类组织只有层片间距大小之分，并无本质区别。 b.中温转变 共析钢奥氏体过冷到550240之间等温转变的产物属于贝氏体型的组织。在这一温区上部转变形成上贝
14、氏体;在这一温区下部转变得到下贝氏体。下贝氏体有较高的硬度和强度，塑性和韧性也较好，而上贝氏体基本上无实用价值。 c.低温转变 奥氏体在240以下碳原子移动极为困难。奥氏体只发生同素异构转变，由面心立方的-铁，转变为体心立方的铁。原奥氏体中所有的碳原子都保留在体心立方晶格内，形成过饱和的铁。这种碳在铁中的过饱和固溶体叫马氏体。残余奥氏体 共析钢奥氏体过冷到240(Ms)时，开始转变为马氏体，随着温度下降，马氏体逐渐增加，过冷奥氏体不断减少，直至-50(Mf)时，过冷奥氏体才全部转变为马氏体。所以，Ms与Mf之间的组织为马氏体和残余奥氏体。 由于含碳量不同，马氏体有两种形态。含碳量较高的马氏体组
15、织呈针叶状，叫针叶马氏体。含碳量较低的马氏体组织为板条状，叫板条马氏体。组织含碳量%机 械 性 能HRCb(Mpa)akJ/cm2(%)低碳0.240451500602030高碳1.26065500524(2)连续冷却图3-9共析钢连续冷却转变曲线0200400600800A1Msabcde秒)T a.为随炉冷却，冷却曲线与珠光体转变开始线相交时，奥氏体开始向珠光体转变；冷却曲线与转变终了线相交后转变完成。由于转变是珠光体区进行的，所以得到珠光体组织。 b.为在空气中冷却，由于冷速较快，转变在索氏体区进行，所以转变产物为索氏体。 c.为油冷，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交(在屈氏体转变区)，
16、未与转变终了线相交。所以只有一部分奥氏体发生了转变，转变产物为屈氏体；而另一部分奥氏体则在冷却到Ms线后转变为马氏体。最后得到的是马氏体和屈氏体的混合组织。即为油中冷却的产物。 d.为水冷，由于冷速快，冷却曲线未与珠光体转变开始线相交，待冷到马氏体转变开始线以下时，奥氏体转变为马氏体。 连续冷却曲线与等温C曲线的比较连续冷却曲线位于等温C曲线右下方，P转变温度更低，时间更长；共析钢及过共析钢的连续冷却曲线中无B型转变，而多了一条P转变终止线；亚共析钢在连续冷却时在一定温度范围内过冷A会部分转变为B。 由于CCT曲线测定比较困难，许多钢至今仍无，实际热处理中常参照C曲线来定性估计连续冷却转变过程
17、。二二) 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线时间时间温温度度TAAMsMfAMAPAB时间时间温温度度TAAMsMfAMAPABAFAFe3C亚共析钢过共析钢亚、过共析钢的TTT曲线热处理工艺常用热处理工艺可分为普通热处理和表面热处理两大类:a.普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。b.表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等。渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处理。1、退火将钢件加热到临界温度
18、（将钢件加热到临界温度（A1、A3、Acm）以上（有时以下）保温一定时间，然后缓冷以上（有时以下）保温一定时间，然后缓冷（炉冷、坑冷、灰冷）以得到平衡状态的组织（炉冷、坑冷、灰冷）以得到平衡状态的组织的热处理工艺称退火。的热处理工艺称退火。ABEGHJNPSQ d d + +d d +Fe3C +Fe3CL+ LL+d d低温低温扩散扩散退退火火温温度度球化球化完全完全完全退火完全退火 主要用于亚共析钢和合金钢的铸、锻、及主要用于亚共析钢和合金钢的铸、锻、及热轧型材。也可以用于焊件。热轧型材。也可以用于焊件。细化晶粒，消除应力和组织缺陷，细化晶粒，消除应力和组织缺陷，硬度，硬度，塑性。塑性。
19、加热保温加热保温 Ac3+2030 冷却冷却 缓慢冷却（随炉或者埋在砂中或石灰中冷缓慢冷却（随炉或者埋在砂中或石灰中冷却）到却）到500以下，在空气中冷却。以下，在空气中冷却。 目的目的 细化晶粒，消除应力和组织缺陷，降低硬细化晶粒，消除应力和组织缺陷，降低硬度，提高塑性，为机加工及后续热处理（淬火）度，提高塑性，为机加工及后续热处理（淬火）作组织准备。作组织准备。常用退火工艺(1)完全退火(2)球化退火(不完全退火)(3)等温退火(4)去应力退火(5)再结晶退火(6)扩散退火完全退火工艺完全退火工艺 完全退火的局限性完全退火的局限性需要时间很长，特别对于某些需要时间很长，特别对于某些A比较稳
20、定的合金钢，需要十几比较稳定的合金钢，需要十几个小时甚至几天，为了个小时甚至几天，为了生产效生产效率，产生了等温退火。率，产生了等温退火。等温退火等温退火 与完全退火工艺相同，所不与完全退火工艺相同，所不同的是钢件经过同的是钢件经过A化后，以化后，以较快的速度冷却到某一较快的速度冷却到某一T，保温一定时间保温一定时间AP，然后，然后以较快的速度冷却到室温。以较快的速度冷却到室温。等温退火工艺等温退火工艺时间时间温度温度保温保温Ac3+20 30快冷快冷空冷空冷TpAP球化退火球化退火 T = Ac1+ 2040，进行较长，进行较长时间的保温，使钢的时间的保温，使钢的Fe3C（碳（碳化物）趋于球
21、化，然后缓慢冷化物）趋于球化，然后缓慢冷却到却到600550再出炉冷却。再出炉冷却。使使Fe3C网变成球，以降低硬度，网变成球，以降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火改善切削加工性能，并为淬火作组织准备。作组织准备。ABEGHJNPSQ d d + +d d +Fe3C +Fe3CL+ LL+d d低温低温扩散扩散退退火火温温度度球化球化完全完全2、 钢的正火钢的正火Ac3、Accm+ 30 80，保温后空冷。保温后空冷。ABEGHJNPSQ d d + +d d +Fe3C +Fe3CL+ LL+d d应用范围对普通结构件为最终热处理，以细对普通结构件为最终热处理，以细化组织，提高其强度和韧
22、性；化组织，提高其强度和韧性；使中、低碳结构钢组织正常化，改使中、低碳结构钢组织正常化，改善切削加工性能；善切削加工性能；为淬火作组织准备；为淬火作组织准备；抑制或消除过共析钢的网状渗碳体，抑制或消除过共析钢的网状渗碳体，为球化退火作组织准备。为球化退火作组织准备。退火与正火的选择改善切削加工性能改善切削加工性能低碳钢：硬度低，粘刀，正火；低碳钢：硬度低，粘刀，正火；高碳钢：硬度高，难切削，退火；高碳钢：硬度高，难切削，退火；中碳钢：退火、正火。中碳钢：退火、正火。经济性经济性正火周期短，耗能少，操作简便，尽量正火周期短，耗能少，操作简便，尽量以正火代替退火。以正火代替退火。3、淬火与回火（1
23、）淬火将钢加热至Ac3线或Ac1线以上的某一温度，保温一定时间使之奥氏体化后，迅速冷却，从而获得马氏体组织的工艺叫淬火。ABEGHJNPSQ d d + +d d +Fe3C +Fe3CL+ LL+d d（2）回火将淬火后的钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后取出空冷或油冷的热处理工艺过程称为回火。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。a.低温回火 加热温度在150250之间，回火组织为回火马氏体。这种回火主要是为了降低钢中的残余应力和脆性，而保持淬火后得到的高硬度和耐磨性。主要用于各种工具，滚珠轴承及渗碳件等。硬度一般为HRC5864。b.中温回火加热温度在
24、350500之间, 回火组织为回火屈氏体。中温回火后钢的内应力大大降低，同时具有较高的弹性极限的屈服极限，硬度为HRC3545。主要用于弹簧元件、锻模等。c.高温回火加热温度在500600之间，回火组织为回火索氏体。淬火加高温回火又称为“调质处理”。它可以消除钢的内应力，获得较高的韧性，使钢具有良好的综合性能。因此，调质被广泛用于要求具有一定强度和较高塑性、韧性的各类机械零件。调质处理后的硬度一般为HRC2535。在硬度相同的情况下调质钢的各项力学性能明显高于正火。35钢力学性能与回火温度的关系钢力学性能与回火温度的关系4。表面淬火表面淬火是将钢件表面进行快速加热，使其表面组织转变为奥氏体，然
25、后快速冷却，表面层转变为马氏体的一种局部淬火的方法。表面加热方法1)火焰加热表面淬火利用气体燃烧产生的火焰加热工件，使其表面迅速加热到A区后，立即喷水冷却，使材料表面淬硬；淬硬层深度一般为26mm；这种方法所使用的设备简单，成本低，但生产效率低，且质量不易控制。工件水2)感应加热表面淬火利用通入交流电的加热感应器在工件中产生的感应电流来加热工件。3)激光加热表面淬火用高功率密度的激光束照射到工件表面，使其表面层快速加热到A区或Tm，靠工件自身的热传导迅速自冷而获得一定深度的淬硬层或冷凝层。激光束斑点直径仅2050mm2，故工件与激光束要作相对运动，使光束能照射到整个工件表面。性能：外硬内韧 表
26、面硬度高，耐磨性好，以保证其精度； 而心部具有足够的塑性和韧性，以防止断裂。5。 渗碳( Carburize of steel ) 渗碳是向钢的表面渗入碳原子，使其表面达到高碳钢的含碳量渗碳主要有固体渗碳和气体渗碳两种方法，应用广泛的是气体渗碳法。液体渗碳剂废气沙封加热元件耐热罐工件风扇图3-18 气体渗碳示意图气体渗碳天然气或煤气CH4+C3H8；有机液体(煤油)高温下分解产生的混合气体（CO、CH4、C2H4 ） 加热温度900950 工件渗碳后，通常还要进行淬火+低温回火处理，表面组织为表面组织为：高碳回火M+粒状渗碳体或碳化物+少量A 心部组织为心部组织为：低碳合金钢为：回火低碳M+F渗碳层深度：0.33mm性能：外硬内韧 表面硬度高，耐磨性好，以保证其精度； 而心部具有足够的塑性和韧性，以防止断裂。组织含碳量%机 械 性 能HRCb(Mpa)akJ/cm2(%)低碳0.240451500602030高碳1.26065500524
