清華講課教案(合金與熔煉)

1、清華講課教案（合金與熔煉）改進(jìn)開放大學(xué)的單元鐵-碳平衡圖及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用一、鑄造工程師的資格l 具有札實(shí)的理論基礎(chǔ)l 具有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)l 具有較強(qiáng)的分析能力l 具有理論結(jié)合實(shí)際，獨(dú)立解決生產(chǎn)中實(shí)際的能力二、札實(shí)的理論基礎(chǔ)的含義1、鐵-碳平衡圖較全面的讀懂與認(rèn)識(shí)鐵-碳平衡圖，鐵-碳平衡圖是認(rèn)識(shí)鑄造合金與熔煉的理論基礎(chǔ)。重要的是將鐵-碳平衡圖與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合起來(lái)，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，同時(shí)也可將復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題上升至理論，加以進(jìn)一步分析與歸納，以便更準(zhǔn)確、有效地解決生產(chǎn)中的問(wèn)題。2、組織與性能鑄鐵的性能是由其相對(duì)應(yīng)的組織決定的，控制了鑄鐵的組織就控制了鑄鐵的性能，因此必須對(duì)鑄鐵的組織要有一個(gè)全面的了解。

2、鑄鐵究竟具有哪些組織，鑄鐵組織是怎樣影響鑄鐵性能的，這是鑄造工程師必備的基礎(chǔ)知識(shí)。3、組織的控制控制鑄鐵的組織是生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件的關(guān)鍵，因此必須了解鑄鐵的組織是如何形成的，哪些因素影響組織的形成。我們?nèi)绻刂七@些因素以達(dá)到理想的組織，從而達(dá)到性能要求的目的。三、鐵-碳平衡圖1、為什么要看懂鐵-碳平衡圖l 鑄鐵的力學(xué)性能、鑄造性能和使用性能，甚至切削加工性能等皆與鐵-碳平衡圖中的凝固過(guò)程及過(guò)程中形成的組織有關(guān)，只有了解凝固規(guī)律，才能控制所獲得的凝固組織。l 鑄鐵的性能是由鑄鐵的組織決定的，生產(chǎn)中有多種因素會(huì)影響鑄鐵組織的形成，從鐵-碳平衡圖上可一目了然的分析出這些因素對(duì)組織的影響情況，從而通過(guò)控制

3、形成的組織類型和數(shù)量來(lái)控制鑄件的性能。l 鑄造技術(shù)人員必須具備熟練應(yīng)用鐵-碳平衡圖的能力，才能在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)鑄件生產(chǎn)的各類問(wèn)題進(jìn)行有理論依據(jù)的分析，減少盲目性。2、什么是鐵-碳合金相圖在及緩慢冷卻條件下，不同成分的鐵碳合金在不同溫度時(shí)形成各類組織的圖形。這個(gè)圖形說(shuō)明什么呢，主要是說(shuō)明：鑄鐵組織是在什么條件下形成的，即鑄鐵從液態(tài)到凝固到室溫，不同成分的鐵碳合金在不同溫度時(shí)段其形成的組織是不同的。不了解各個(gè)時(shí)段的所形成的組織，就無(wú)法控制組織，當(dāng)然也無(wú)法控制鑄鐵性能。3、什么是鐵-碳合金雙重相圖l 鑄鐵中的碳能以石墨或滲碳體兩種獨(dú)立相存在，因此鐵-碳相圖存在兩重性，及鐵-石墨（C）相圖與鐵-滲碳體（

4、Fe3C）相圖，故稱為鐵-碳合金雙重相圖。這是什么意思呢？在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們要牢記鑄鐵中的碳是可以以石墨形式存在，也可以以滲碳體（Fe3C）形式存在的，又可以兩相同時(shí)存在的。如以石墨形式存在的是灰鑄鐵，以滲碳體存在的是白口鑄鐵，兩相同時(shí)存在的是麻口鑄鐵。因此在鐵-碳合金相圖上即有Fe-C（石墨）相圖，又有Fe- Fe3C相圖。所以稱為雙重相圖。l 由于Fe- Fe3C相圖在一定條件下可向Fe-C（石墨）相圖轉(zhuǎn)化，故稱Fe-C（石墨）為穩(wěn)定系相圖，F(xiàn)e- Fe3C為亞穩(wěn)定系相圖。圖1為鐵-碳合金的雙重相圖，虛線的穩(wěn)定系的Fe-C（石墨）相圖，實(shí)線的為亞穩(wěn)定系的Fe- Fe3C相圖圖1Fe-C（石

5、墨）、Fe-Fe3C雙重相圖l 石墨為100%的碳，滲碳體Fe3C含碳量為6.67%。l 在鑄造工廠中，爐前檢驗(yàn)的三角試塊，其尖端為白口，此處碳以Fe3C形式出現(xiàn)。試塊厚部為灰口，此處以石墨形式出現(xiàn)。白口與灰口的過(guò)渡區(qū)為麻口，此處石墨與Fe3C共存。充分說(shuō)明同一成分的鑄鐵即可按Fe-C（石墨）相圖結(jié)晶，也可按Fe- Fe3C相圖結(jié)晶。因此認(rèn)識(shí)鐵-碳相圖的雙重性是否重要4、鐵-碳相圖與鑄鐵的結(jié)晶l 認(rèn)識(shí)鐵-碳相圖時(shí)，必須了解相圖中的三個(gè)結(jié)晶階段，兩個(gè)臨界點(diǎn)，4條特性曲線。液相線析出初相固相線析出共晶組織碳在奧氏體中的溶解曲線析出二次石墨或2次滲碳體共析線析出共析產(chǎn)物 4條特性曲線共晶點(diǎn)產(chǎn)生共晶轉(zhuǎn)

6、變共析點(diǎn)產(chǎn)生共析轉(zhuǎn)變 鑄鐵的結(jié)晶 2個(gè)臨界點(diǎn)初析結(jié)晶階段共晶結(jié)晶階段共析結(jié)晶階段 三個(gè)結(jié)晶階段1) 4條特性曲線在鐵-碳平衡圖4條特性曲線十分重要，這就是：液相線、固相線、共析線及固相線與共析線之間的碳在奧氏體中的溶解曲線。（1） 液相線 特性見(jiàn)表1表1 鐵-碳相圖中液相線的特性名稱曲線或臨界點(diǎn)特性圖標(biāo)標(biāo)識(shí)液相線BC線CD線CD線（1）該線稱為液相線，此線以上為液相區(qū)，用L表示（2）鐵液冷卻至此線時(shí)，開始結(jié)晶并析出初相（3）BC線以下皆析出初生奧氏體，用A或表示。此線以下L與A同時(shí)存在。（4）在CD線以下析出初生滲碳體，用Fe3C表示。此線以下，L與Fe3C同時(shí)存在。（5）在CD線以下析出初生

7、石墨，用G表示。此線以下L與G同時(shí)存在從表1可以看出，相圖中的液相線有2個(gè)特性，一是鐵液溫度到達(dá)液相線溫度時(shí)皆要析出初相組織；二是三條液相線析出的初相組織是不同的，分別為初生奧氏體、初生石墨、初生滲碳體。這三種初相對(duì)鑄鐵性能的影響差異極大。（2） 固相線 特性見(jiàn)表2表2 鐵-碳相圖中固相線的特性名稱曲線特性圖標(biāo)標(biāo)識(shí)固相線（共晶線）ECF線ECF線（1）該線稱為固相線，鐵液冷卻至此線后凝為固體，此線以下為固態(tài)區(qū)（2）該線也稱為共晶轉(zhuǎn)變線，鐵液冷卻至此線以下時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，鐵液轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿W氏體+共晶滲碳體（按ECF線）或轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿W氏體+共晶石墨（按ECF線）（3）共晶奧氏體+共晶滲碳體可稱為高溫

8、萊氏體Ld，用公式表示為L(zhǎng)d=A+Fe3C從表2可看出，相圖中固相線有兩個(gè)特性：一是鑄液到達(dá)共晶溫度時(shí)皆要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)固相共生共長(zhǎng)的共晶體，被稱為共晶團(tuán)；二是按穩(wěn)定型相圖Fe-C（石墨）轉(zhuǎn)變的組織是共晶奧氏體+共晶石墨，而按亞穩(wěn)定型Fe- Fe3C相圖轉(zhuǎn)變的組織是共晶奧氏體+共晶滲碳體。這2個(gè)組織對(duì)鑄鐵性能影響是完全不同的。（3） 碳在奧氏體中的溶解曲線圖，其特性見(jiàn)表3.表3 鐵-碳相圖中碳在奧氏體中的溶解曲線的特性名稱曲線或特性圖標(biāo)標(biāo)識(shí)碳在奧氏體中的溶解曲線ES線ES線碳在奧氏體中的含量隨溫度降低而減少，當(dāng)溫度下降時(shí)，沿著此線析出二次滲碳體（按ES線）或析出二次石墨（按ES

9、線）2.10%2.14%共晶轉(zhuǎn)變后，在形成的組織中，無(wú)論是按Fe-C（石墨）系統(tǒng)轉(zhuǎn)變還是按Fe- Fe3C系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，皆有共晶奧氏體的這個(gè)組織，共晶轉(zhuǎn)變后的奧氏體，其含C量為2.10%（按Fe-C（石墨）轉(zhuǎn)變）或2.14%（按Fe- Fe3C系統(tǒng)轉(zhuǎn)變）。值得注意的是，隨著溫度的下降，碳在奧氏體中的溶解度是逐漸下降的，即不同的溫度下，奧氏體中的含C量是不同的，這一點(diǎn)在熱處理中十分重要。當(dāng)溫度下降至共析溫度時(shí)奧氏體中的碳分別降至0.69%及0.76%。（4） 共析線 特性見(jiàn)表4表4 鐵-碳相圖中共析線的特性名稱曲線特性圖標(biāo)標(biāo)識(shí)共析線PSK線PSK線（1）合金冷卻至此線時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，按PSK線奧氏體

10、轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（鐵素體+滲碳體），用P來(lái)表示，按PSK線奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體石墨，鐵素體用或F表示（2）共析轉(zhuǎn)變按Fe-Fe3C進(jìn)行，高溫萊氏體（奧氏體+滲碳體）則變?yōu)榈蜏厝R氏體（珠光體+滲碳體），低溫萊氏體的表示公式為L(zhǎng)d=P+Fe3C在共析轉(zhuǎn)變中值得注意的是，只有奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生的初生石墨，共晶石墨或共晶滲碳體是不發(fā)生變化的。而奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變所形成的組織，視按那個(gè)相圖系轉(zhuǎn)變而異，按Fe-C（石墨）系統(tǒng)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+石墨(F+G)，按Fe- Fe3C系統(tǒng)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這2個(gè)組織對(duì)鑄鐵性能的影響相差甚大。上述表明：鑄鐵組織與這4條特性曲線有著密切的關(guān)系，因此要記住這4

11、個(gè)特性曲線的有關(guān)系數(shù)。表5 4條特性曲線的特性與有關(guān)參數(shù)名稱特性參數(shù)液相線BC線下析出初生ACD線下析出初生GCD線下析出初生Fe3C固相線EF線下為共晶A+共晶GEF線下為共晶A+共晶Fe3CEF的溫度時(shí)1153EF的溫度1147碳在奧氏體中的溶解曲線碳在奧氏體中的溶解度隨著溫度下降共晶轉(zhuǎn)變后奧氏體中的C為2.10%或2.14%至共析溫度的奧氏體中的C為0.69%或0.76%共析線SK線下為鐵素體+石墨（F+G）SK線下為珠光體+石墨（P+G）SK線的溫度736SK線的溫度727通過(guò)表5說(shuō)明了，這4條特性曲線的意義：到液相線時(shí)析出初相；到固相線時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變；到共析線時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變；在固相線

12、與共析線之間，碳在奧氏體中的溶解度發(fā)生變化。2) 兩個(gè)臨界點(diǎn)（共晶點(diǎn)、共析點(diǎn)）（1） 共晶點(diǎn)碳當(dāng)量、共晶度與鑄鐵分類鑄液隨著溫度的下降，鐵液中的含C量也在發(fā)生變化。當(dāng)成分到達(dá)某一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，則發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，該成分則為共晶臨界點(diǎn)，簡(jiǎn)稱共晶點(diǎn)。Fe-C（石墨）系的共晶點(diǎn)C，共晶成分為4.26%，F(xiàn)e- Fe3C系的共晶點(diǎn)C，共晶成分為4.30%。見(jiàn)表6表6 共晶點(diǎn)的特性名稱符號(hào)特性圖標(biāo)標(biāo)識(shí)共晶點(diǎn)C（C）Fe-C（石墨）系的共晶點(diǎn)為C點(diǎn)，共晶成分4.26%CFe- Fe3C系的共晶點(diǎn)為C點(diǎn)，共晶成分為4.30%C（2） 碳當(dāng)量共晶度與鑄鐵的分類l 鑄鐵中除了Fe、C元素意外，還有S.Mn.P.Si.

13、Cu.Cr等各種元素，這些元素對(duì)共晶點(diǎn)的實(shí)際碳量皆有影響。將這些元素折算成碳量的增減，稱為碳當(dāng)量以CE表示。在生產(chǎn)中一般只考慮Si.P的影響。故碳當(dāng)量CE的計(jì)算如下：CE%=C%+1/3(Si+P)l 鑄鐵以碳當(dāng)量分類將CE值與點(diǎn)含碳量4.26%相比，可判斷該鑄鐵偏離共晶點(diǎn)的程度CE4.26% 過(guò)共晶鑄鐵CE=4.26% 共晶鑄鐵CE4.26% 亞共晶鑄鐵l 共晶度C鐵l 鑄鐵偏離共晶點(diǎn)的程度也可用共晶度來(lái)表示。共晶度Sc是鑄鐵的實(shí)際含C量與共晶點(diǎn)的實(shí)際含C量之比： C CSc= =SC1 為亞共晶鑄鐵SC = 1 為共晶鑄鐵SC1 為過(guò)共晶鑄鐵3) 鑄鐵結(jié)晶的三個(gè)階段及形式的組織（1） 亞共

14、晶鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與組織表7 亞共晶鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與組織結(jié)晶過(guò)程鐵-碳相圖系統(tǒng)亞共晶鑄鐵在鐵-碳相圖中的位置Fe-C(石墨)Fe- Fe3C初析階段初生奧氏體初生奧氏體共晶階段共晶石墨+共晶奧氏體共晶奧氏體+共晶滲碳體析出二次石墨或二次滲碳體階段二次石墨二次滲碳體共析階段共析鐵素體+共析石墨珠光體室溫組織鐵素體+石墨珠光體+滲碳體注：Fe-C(石墨)的室溫組織中，鐵素體由初生奧氏體與共晶奧氏體轉(zhuǎn)變而來(lái)。石墨包括共晶石墨，二次石墨及共析石墨。Fe- Fe3C的室溫組織中，珠光體由初生奧氏體與共晶奧氏體轉(zhuǎn)變而來(lái)，滲碳體包括共晶滲碳體與二次滲碳體也可用珠光體+萊氏體（珠光體+滲碳體）+二次滲碳體來(lái)表示

15、。由上可知，對(duì)于亞共晶鑄鐵，按Fe-C(石墨)系結(jié)晶室溫組織是鐵素體+石墨，碳全部以石墨形式出現(xiàn)，是灰口鑄鐵，以石墨以共晶石墨為主。亞共晶鑄鐵按Fe- Fe3C系結(jié)晶，室溫組織是珠光體+滲碳體。碳全部以化合碳形式出現(xiàn)，沒(méi)有石墨是白口鑄鐵。（2） 過(guò)共晶鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與組織表8 過(guò)共晶鑄鐵的結(jié)晶與組織結(jié)晶過(guò)程鐵-碳相圖系統(tǒng)過(guò)共晶鑄鐵在鐵-碳相圖中的位置Fe-C(石墨)Fe- Fe3C初析階段初生石墨初生滲碳體共晶階段共晶石墨+共晶奧氏體共晶滲碳體+共晶奧氏體析出二次石墨或二次滲碳體階段二次石墨二次滲碳體共析階段共析鐵素體+共析石墨珠光體室溫鐵素體+石墨珠光體+滲碳體（3） 共晶鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與組

16、織共晶鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程，除無(wú)初析階段與無(wú)初相外，其余的結(jié)晶過(guò)程與亞共晶、過(guò)共晶鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與室溫組織相同4) 鑄鐵組織（1） 鐵-碳雙重相圖上的鑄鐵組織在鐵-碳雙重相圖中除液外有6個(gè)組織，見(jiàn)圖1與表9。圖1 鐵-碳雙重相圖中除液相L外有6個(gè)組織表9 表Fe-C（石墨）、Fe- Fe3C雙重相圖中鑄鐵部分的組成相類別組織代號(hào)特征主要性能液相液溶體L1.存在液相線之上的鐵液為液相，是碳與其他元素在鐵中的無(wú)限液溶體2.在液、固線之間也有液體，但成分隨溫度而變化1.優(yōu)良的流動(dòng)性2.流動(dòng)性的高低與溫度、成分有關(guān)石墨石墨G1.石墨使鑄鐵中以游離狀態(tài)存在的碳，含碳量近乎100%2.按化學(xué)成分與溫度不同，石墨

17、有初析石墨，共晶石墨，二次石墨和共析石墨3.石墨的形態(tài)有片狀、球狀、蠕蟲狀、團(tuán)絮狀1.力學(xué)性能低：Rm20MPa硬度3HBW無(wú)塑性2.減震好，耐磨性優(yōu)良基體滲碳體Fe3C1.鐵和碳的化合物，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%2.按化學(xué)成分與溫度不同，有初生滲碳體，共晶滲碳體，二次滲碳體及共析滲碳體3.滲碳體是不穩(wěn)定的化合物，在一定的溫度條件下可轉(zhuǎn)變成鐵素體+石墨，更高溫度時(shí)又可變?yōu)閵W氏體+石墨1.性能硬、脆：硬度8001000HBW，塑性與韌性近為零2.強(qiáng)度低：Rm為2050MPa萊氏體Ld1.按Fe- Fe3C系共晶轉(zhuǎn)變的共晶組織，為滲碳體與奧氏體的共晶體，稱為高溫萊氏體2.冷卻至共析溫度以下，按Fe

18、- Fe3C轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，形成珠光體+滲碳體，稱為低溫萊氏體1.具有高的耐磨性2.性硬、脆、沖擊韌性低，易脆裂奧氏體A()1.碳在-Fe中的固溶體，面立方晶格，1147時(shí)最大的溶碳量是2.14%2.為鑄鐵的高溫組織，存在于7271147之間，只有Mn.Ni含量足夠時(shí)，才可能出現(xiàn)室溫下的奧氏體鑄鐵3. 等溫淬火時(shí)也會(huì)有約30%的富碳奧氏體1.具有良好的塑性與強(qiáng)度Rm=400MPa800MPaA=40%50%2.有一定的硬度160200HBW珠光體P1.鐵素體與滲碳體組成的機(jī)械混合體，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.76%2.是過(guò)冷奧氏體在共析轉(zhuǎn)變時(shí)形成的共析組織3. 共析轉(zhuǎn)變時(shí)的冷度不同，可形成片

19、狀珠光體，細(xì)片狀珠光體（索氏體），極細(xì)片狀珠光體（托氏體）。通過(guò)熱處理可獲得粒狀珠光體1.具有較高強(qiáng)度與硬度Rm=400MPa800MPa硬度175330HBW2.塑性、韌性優(yōu)于滲碳體A=10%25%鐵素體(F)1、碳在-Fe中的固溶體，體心立方晶格2、727時(shí)最大溶碳量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.034%3、因生成條件不同，其形態(tài)有等軸晶粒狀、破碎狀、牛眼狀、網(wǎng)狀和針狀1.具有良好的塑性與韌性A=25%60%2.強(qiáng)度與硬度稍低Rm=200MPa400MPa硬度70150HBW但是在實(shí)際生產(chǎn)中除了這6個(gè)組織外還有6個(gè)組織，見(jiàn)表10。表10 鐵、碳相圖中不出現(xiàn)的鑄鐵中的6個(gè)組成相名稱鑄鐵中存在的原由特性?shī)W鐵體熱處理時(shí)形成的組織1、加熱至奧氏體化區(qū)域并保溫，在250400冷卻并保溫，使過(guò)冷奧氏體等溫分