分析45钢结晶过程及其组织转变

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1、分析45钢结晶过程及其组织转变一、学习目标知识目标：·了解铁碳合金相图的含义·分清钢与铁的区别；·熟悉铁碳合金基本相组织；·明确铁碳合金相图的点、线、区域的含义；·掌握典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；能力目标：·能分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；·能确定铁碳合金相图在零件选材、毛坯加工、热处理等方面的应用。二、任务引入铁碳合金在结晶时由于铁和碳的含量不同会结晶出不同的晶体，又由于铁有同素异晶转变，所以45钢结晶后在冷却过程中随温度变化晶体结构会发生变化。三、相关知识钢和铸铁是机械制造中应用最多的金属材料。钢铁的品种繁多，成分

2、各不相同，但都是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金。含碳量wc≤2.11％的铁碳合金叫钢，含碳量wc≥2.11％的铁碳合金叫铸铁。在铁碳合金中铁和碳可以生成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。由于含碳量高的Fe2C、FeC脆性大，无实用价值，因此一般只研究碳含量wc＜6.69%的铁碳合金，故铁碳合金相图也可以认为是相图。（一）铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁组成化合物，而化合物与固溶体还可结合成多相复合组织，因此铁碳合金中出现以下几种基本组织。1.铁素体碳溶于晶格间隙

3、中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用F表示。是体心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较小，所以碳在中的溶解度也较小，在室温时接近于零，在727℃溶解度最大为wc=0.0218%。由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的组织和性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。2.奥氏体碳溶于晶格间隙中形成的间隙固溶体，为奥氏体，用A表示，如图1-17所示。是面心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较大，所以奥氏体的溶碳能力较强，在l148℃时，溶碳量可达2.11％。由于奥氏体的溶碳量比铁素体多，因此奥氏体的强度和硬度较铁素体高，并且是单一的固溶

4、体，所以其塑性较好，变形抗力较低。绝大多数钢，在进行压力加工和热处理时，都加热到奥氏体区域。（a）奥氏体晶胞示意图（b）奥氏体显微组织图图1-17奥氏体3.渗碳体渗碳体是含碳量为6.69%的铁与碳形成的一种具有复杂的斜方晶体结构的金属化合物（图1-18），它的硬度很高，塑性和韧性很差，脆性大。渗碳体是铁碳合金中脆而硬的重要强化相，以不同的形状、大小以及不同的分布出现在钢组织中，对钢的性能很大的影响。4.珠光体铁素体和渗碳体组成的两相复合组织，称为珠光体（其显微组织如图1-19），用表示。珠光体的含碳量为0.77％，其机械性能介于铁素体和

5、渗碳体之间，强度较高、硬度适中、有一定的塑性。图1-18渗碳体（Fe3C）的晶胞示意图图1-19珠光体显微组织5.莱氏体含碳量为4.3％的铁碳合金，在1148℃时同时由液体中结晶出奥氏体和渗碳体后所形成的复合组织即高温莱氏体，用Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成即低温莱氏体，用L＇d表示。莱氏体的性能和渗碳体相近，硬度高、塑性差。（二）简化的Fe－Fe3C相图相图是表示在极缓慢加热（或极缓慢冷却)条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度时所具有的状态或组织的图形。工业用铁碳合金的含碳量一

6、般不超过5％，因此，我们研究的铁碳合金只限于（wc＝6.69％）范围内。图1-20简化的Fe-Fe3C相图相图纵坐标表示温度，横坐标表示含碳量。横坐标左端（原点）为wc=0%，是纯铁；右端为wc=6.69%，是Fe3C。1.相图中特性点、线的含义相图中几个主要特性点的温度、含碳量及其物理含义见表1-1。相图中特性线的意义见表1-2。表1-1相图中的特性点点的符号温度（）含碳量（%）含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在中最大溶解度G9120纯铁的同素异晶转变点S7270.7

7、7共析点，表1-2相图中的特性线特性线温度（）含义ACD1538～1227液相线。从液态合金中分别结晶出奥氏体（AC线）和一次渗碳体（CD线）AECF1538～1148固相线。奥氏体结晶终了并在ECF发生共晶转变，即GS（A3）912～1148奥氏体转变为铁素体的开始线ES（Acm）1148～727碳在中的溶解度曲线PSK（A1）727共析转变线相图上各区域的组织如图1-20所示。2.铁碳合金的分类根据含碳量、组织转变的特点及室温组织，铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类：工业纯铁，含碳量小于0.0218％的铁碳合金。钢，含碳量为0

8、.0218％~2.11％的铁碳合金。根据其含碳量及室温组织的不同，以S点为界分为三类：共析钢，含碳量0.77％；亚共析钢，含碳量0.0218~0.77％；过共析钢，含碳量0.77~2.11％。白口铸铁，含碳