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1、铁碳相图 iron-carbon diagram,主要的内容,1.铁碳合金状态图 2.铁碳合金的结晶过程和组织变化3.铁碳合金的成分、组织与性能间的关系,FeC合金概述,钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是现代机械制造工业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，其基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloys of the ironcarbon system）。铁碳相图(iron-carbon diagram)描述了钢铁材料的成分、温度与组织（相）之间的关系，是了解钢铁材料的基础。,FeC合金概述,在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3
2、C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。,Fe-Fe3C相图,1.FeC合金中的组元,铁碳合金中组元：纯铁(Fe)渗碳体（Fe3C）,(1)纯铁（Fe）,纯铁（pure iron）纯铁固态下具有同素异构转变（allotropic transformation）纯铁具有磁性转变（770磁性转变、magnetic transformation）。,纯铁的同素异构转变,纯铁的冷却
3、曲线及晶体结构变化,概念,铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。奥氏体：碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）,(2)渗碳体(Fe3C)A,渗碳体（cementite）是FeC合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。Fe3C在230以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。,2.FeC合金中的基本相,在FeFe3C相图中，FeC合金在不同条件(成分，温度)下
4、，可有五（六）个基本相：L相、相、相、相、Fe3C相、（石墨G）。（1）液相(L)Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上)（2）相高温铁素体（high temperature ferrite）,FeC合金中的基本相,（3）奥氏体（austenite）奥氏体(或A)是C溶解于Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。,FeC合金中的基本相,（4）铁素体（ferrite）铁素体（或F）是C溶于Fe形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。（5）渗碳体（cementite）前面已讨论过（6）石墨（C）在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite）(hcp)稳定相存在。
5、所以石墨在于FeC合金铸铁中也是一个基本相。,3.FeFe3C相图分析,如图为FeFe3C相图全貌。根据分析围绕三条水平线可把FeFe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线,（1）FeFe3C相图的点,FeFe3C相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义如下表：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点（表2-1）,（2）FeFe3C相图的线,。,A.三条水平线,HJB-包晶转变线：（1459）,L0.53+0.09 0.17（LB+H J）转变产物为奥氏体(austen
6、it)强度低，塑性好,A.三条水平线,ECF-共晶转变线：（1148），L4.3 2.11+Fe3C（LC E+Fe3C）转变产物为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。硬、脆、无法加工,A.三条水平线,PSK-共析转变线(A1线):（727）0.77 0.0218+Fe3C（S P+Fe3C）转变产物为和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。塑性、韧性、硬度介于和Fe3C之间。,B.两条磁性转变线,A0线(虚线):渗碳体的磁性转变线，230以上无磁性，230以下铁磁性。MO(A2线）：铁素体的磁性转变线。770以上无磁性，770以下铁磁体。A2温度又称居里点
7、。,A0、A1、A2、A3、Acm线温度依次升高。,C.几条重要的相界线(固态转变线),GS线(A3 线)：冷却时从中开始析出或加热时全部溶入中的转变线.ES线(Acm线)：碳在中的溶解度曲线。冷却时从中开始析出Fe3C或加热时Fe3C全部溶入中的转变线.,C.几条重要的相界线(固态转变线),PQ线：碳在中的溶解度线.。冷却时从中开始析出Fe3C或加热时Fe3C全部溶入中的转变线.,（3）FeFe3C相图中的区,FeFe3C相图中的区：5个单相区：L、Fe3C 7个两相区：L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C 3个三相共存区：L+Fe3C（ECF线）、L+（HJB线）、+F
8、e3C（PSK线）,4.FeC合金分类,Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁（pure iron）、碳钢（carbon steel）、铸铁（cast iron）。根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即：（1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显微组织为固溶体。,（2）钢,钢（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之间的Fe、C合金。其特点是：高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（carbon steel）又可分为：共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77%亚共析钢（
9、hypoeutectoid steel）：Wc=0.02180.77%过共析钢（hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11%,（3）白口铸铁,白口铸铁（white cast iron）是含碳量在Wc=2.116.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能硬、脆，不能锻造。其断口呈银白色，故称为白口铸铁。上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。,Wc对铁碳合金机械性能的影响,F为软韧相，Fe3C为硬脆相，故Fe-C合金的力
10、学性能取决于和Fe3C两相的相对量及它们的相互分布特征。硬度（HB）延伸率（塑性、韧性）强度（Mpa）铁素体 50-80 30-50 180-230渗碳体 800 0 30珠光体 180 20-35 770,Wc对铁碳合金工艺性能的影响,切削加工性：可锻性：金属经受压力加工改变形状但不产生裂 纹的性能。,铁碳相图的应用,在生产中具有很大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。（1）在选材方面（2）在铸造工艺方面（3）在热锻热轧工艺方面（4）在热处理工艺方面,锻压常识及相关知识,主要涉及的内容,绪论 锻造用原材料锻造的热规范自由锻主要工序分析锻后热处理 性能热处理 金属材料
11、的机械性能,绪论,锻造工艺学及其性质锻造生产的特点及其在国民经济中的作用我国锻造生产的历史，现状及发展趋势 锻造生产方法的分类,一、锻造工艺学及其性质,锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压,锻造生产的特点及其在国民经济中的作用,特点地位,大型锻件主要应用于以下方面,1、轧钢设备2、锻压设备3、矿山设备4、火力发电设备5、水力发电设备6、核能发电设备7、石油、化工设备8、船舶制造工业9、军工产品制造：,实例（核反应堆中主要锻件M140）,Closure head(monobloc)Ve
12、ssel flangeInlet(outlet)nozzleNozzle shellCore shellTransition ringLower dome,实例,Elliptical headUpper shell(、)Conical shellIntermediate shell(lower)(、)Tube sheet Primary head(channel head),实例,Upper headCore shellLower head,我国锻造生产的历史，现状及发展趋势,历史现状趋势,锻造生产方法的分类,按所用工具不同，锻造可以分为自由锻和模锻两大类按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。
13、,第二、锻造用原材料,金属材料按加工状态,锻造用钢锭,钢锭及其冶炼 钢锭的结构 钢锭的内部缺陷 实例（接管段炼钢的简要流程）,钢锭及其冶炼,冶炼工艺的主要任务冶炼工艺的主要方法,钢锭的结构,钢锭是由冒口、锭 身、底部组成,钢锭的内部缺陷,激冷结晶区（细小等轴结晶区）没问题柱状结晶区 没多大问题树枝状结晶区多产生负V型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、气泡等缺陷自由结晶区（粗大等轴结晶区）多产生V型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,呈所谓疏松组织淀淀结晶区 常产生夹渣类缺陷,偏析,定义：指各处成分与杂质分不的不均匀现象，包括枝晶偏析和区域偏析等成因：由于选择性结晶、溶解度
14、变化、比重差异和流速不同造成的。危害：造成力学性能不均匀和裂纹缺陷,夹杂,定义：主要是指冶炼时产生的氧化物，硫化物、硅酸盐等非金属夹杂。成因：冶炼产物，及外来夹渣物危害：对热锻过程和锻件质量均有不良影响，它破坏金属的连续性，在应力的作用下在夹杂处产生应力集中，引发微裂纹，成为疲劳源,气体,定义：主要指钢中的有害气体，如氢、氧等。危害：容易产生白点缺陷，还会引起脆性，热锻工艺性将明显下降。白点对钢的机械性能，尤其对塑性和韧性有影响，是许多重要用途的合金钢不允许有的低倍缺陷,气泡,它主要产生在钢锭的冒口、底部、及中心部位。,缩孔,它主要在最后凝固的冒口区形成，由于冷凝结晶时没有钢液补充面形成孔洞性
15、缺陷组织，同时含有大量杂质，因此必须切除,疏松,它主要集中在钢锭中心部位，产生的原因与缩孔相同。,影响钢锭冶金缺陷的条件,综上所述，钢锭的冶金缺陷与冶炼、浇注过程、冷凝结晶条件、钢锭模具设计、耐火材料质量等有关。,实例（接管段锻件用钢生产方案）,采用双真空处理的工艺进行生产。.1、冶炼浇注方案 采用电炉（3#、4#、5#）冶炼温度较高、成份合适的粗炼钢水，分别热兑到130t和90t精炼炉内进行精炼及一次真空处理。依据炉前快速分析的结果，适时调整钢水成份，直至达到目标值。当精炼炉钢水成份、温度合适时，分别采用200t及250t天车吊包出钢，在250t真空室（1#真空室）、利用真空浇注及中间包芯杆
16、吹氩（LB3），在浇注过程中对钢水进行二次真空处理。钢锭在浇注完并冷凝一定时间后，脱模，用300t送锭车热送至水锻,实例（接管段锻件用钢生产方案）,2、工艺流程图,第三 锻造的热规范,金属的锻前加热金属加热时产生的缺陷及防止措施 锻造温度范围的确定 金属的加热规范,金属的锻前加热,目的：提高金属的塑性，降低变形抗力，使其易于流动成形并获得良好的锻后组织 方法：火焰加热，电加热 金属加热时产生的缺陷及防止措施 1、氧化 2、脱碳 3、过热 4、过烧 5、裂纹,锻造温度范围的确定,锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的温度范围。1、始锻温度的确定 必须保证无过烧现象，2、终锻温度的确定 防止晶粒
17、粗大，应稍高于再结晶温度,金属的加热规范,加热规范制定的原则及方法1、装炉温度2、加热温度3、均热保温4、加热时间,第四、自由锻主要工序分析,自由锻的定义自由锻的目的 自由锻的工序分类 大型锻件的特殊锻造方法 锻件的主要缺陷,自由锻的定义,自由锻造是利用金属的塑性在锤或液压机上采用简单通用工具，控制金属流动，将金属坯料锻造成型的方法,自由锻的目的,（1）使金属坯料成为一定的形状和尺寸（2）锻合金属坯料内部疏松、缩孔等冶金缺陷（3）去除钢锭的夹杂（切除水口、冒口）或改善夹杂物的分布（4）使锻件得到均匀的组织为锻后热处理创造良好的条件,自由锻的工序分类,1、基本工序：镦粗、拔长、冲孔、芯棒拔长、马
18、杠扩孔，弯曲、切断、错移、扭转、锻接2、辅助工序：钢锭倒棱、预压钳口等3、修整工序：滚圆、平整、,大型锻件的特殊锻造方法,（1）、FM法（Free From Mannesmann effect）避免产生曼内斯曼效应，即锻件心部不产生拉应力的锻造方法，因此又可以叫作：毛坯中心部位免除了轴向拉应力的锻造法（2）WHF法（wide die heavy blow forging method）,WHF法是宽砧强力压下锻造法。一般与JTS法并用（3）JTS法即中心压实法（或温间锻造法、硬壳锻造法）（4）KD法（V型钻锻造法）用途很广泛。,锻件的主要缺陷,（1）横向裂纹（2）纵向裂纹（3）表面龟裂（4）内
19、部微裂（5）局部粗晶（6）表面折叠（7）中心偏移（8）机械性能不能满足要求,自由锻工艺要点,水冒口要除量变形过程的选择锻造比的选择压实过程,12500t自由锻水压机,第五 锻后热处理,锻后热处理的目的与作用 锻后热处理常用方法 实例（锻后热处理曲线）,锻后热处理的目的与作用,（1）消除锻造应力，降低锻件的表面硬度，提高其切削加工性能。（2）满足机械性能要求。（3）调整与改善组织。（4）防止和消除白点的问题。,锻后热处理常用方法,方法：退火annealing正火normalizing回火tempering 淬火quenching,操作要点,1、装炉前的准备工作 2、装炉温度。3、待料温度4、锻件
20、摆放，5、配炉原则 6、加热 7、冷却,实例,锻后处理曲线,第六、性能热处理,性能热处理的目的与作用 性能热处理常用方法 实例（性能热处理曲线）,性能热处理的目的与作用,其主要目的是：通过加热、冷却的方法，改变金属或合金的组织结构，使其具备工程技术上所需要的性能。提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命,制定热处理规范的原则,按其导热性能，碳化物溶解的难易以及对终冷温度的要注将钢种分成若干组，然后再按锻件尺寸的不同分别条用不同的工艺参数。其主要目的也是为了减少热处理过程中的内应力对锻件的危害作用。,性能热处理常用方法,退火：完全退火、球化退火、去应力退火等正火淬火：
21、回火：低温回火、中温回火、高温回火固溶处理,整体热处理,表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热物理气相沉积化学气相沉积等离子化学气相沉积,表面热处理,渗碳渗氮碳氮共渗其它：渗其它金属或非金属、多元共渗,化学热处理,退火,退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却.,正火,正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却.,淬火,淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。,回火,为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火,实例
22、（性能热处理曲线）,性能热处理曲线管板的性能热处理曲线,第七 金属材料的机械性能,机械性能的定义 表示金属材料机械性能的指标 实际工程中常用指标,机械性能的定义,金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能,表示金属材料机械性能的指标,强度塑性硬度冲击韧性,强度,强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。工程上常用的是 屈服强度yield strength（Rp0.2、Rp1.0）抗拉强度ultimate(tensile)strength（Rm）,塑性,塑性：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。工程上常用的是1、延伸率：elongation（A）2、断
23、面收缩率（）,硬度,硬度：金属材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。工程上常用的是1、布氏硬度（HB）2、洛氏硬度（HR、HRC）3、维氏硬度（HV）,冲击韧度,冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度。工程上常用的是 冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2（J/cm2）.冲击吸收功（ISO-V、KV）,第八、关于不锈钢的基本知识,不锈钢的分类 不锈钢的冶炼 不锈钢的锻造 不锈钢的固溶处理,不锈钢的分类,1、马氏体不锈钢2、铁素体不锈钢 3、奥氏体不锈钢,马氏体不锈钢,马氏体不锈钢含碳高达0.2%，在任何冷速下都会由奥氏体变为马氏体，强度高，相当于低合金钢，有
24、磁性。耐腐蚀性能差，不容易焊接，焊后应退火处理。典型钢号如2Cr13、3Cr13等。,铁素体不锈钢,铁素体不锈钢含碳达0.1%，耐腐蚀性不理想，铬是其主要成分，含镍少，只能抗氧化，不能耐酸碱，有磁性，无相变，不能用热处理提高强度。焊接时热影响区晶粒长大从而降低韧性，脆性转变温度高于室温。典型钢号如1Cr14、1Cr28。,奥氏体不锈钢,铬超过16%、镍近9%就能获得奥氏体不锈钢。一般铬均超过18%，镍完成奥氏体化。奥氏体不锈钢焊接性能好，无淬硬性，抗腐蚀性能强，有良好的低温韧性，无相变，为敏化后不过多降低晶间腐蚀，焊接时不预热，焊后不热处理。,奥氏体不锈钢,简单的奥氏体不锈钢是18-8钢，即0
25、Cr18Ni9(304)，这种钢应用普及，缺点是材料可能发生敏化，产生晶间腐蚀。温度500800时，多余的C向晶粒界飞速扩散，在晶界附近和Cr结合成Cr23C6，出现晶粒边界贫Cr，当Cr低于12.5%时产生晶间腐蚀。0Cr18Ni9钢敏化时在晶界会产生磷的偏析，容易出现应力腐蚀裂纹。核电用不锈钢经常用0Cr18Ni12Mo2(316)，,核电产品常用的不锈钢,0Cr18Ni9 相当于美国30400Cr18Ni9 相当于美国304L0Cr18Ni10Ti 相当于美国3210Cr18Ni12Mo2 相当于美国3160Cr18Ni11Nb 相当于美国3470Cr17Ni12Mo2N 相当于美国316N00Cr17Ni14Mo2 相当于美国316LCr18Ni9Si3 相当于美国302B1Cr18Ni9 相当于美国302,不锈钢的锻造,1锻造主要解决晶粒度、相和夹杂物 2不锈钢的晶粒度与加热温度和变形量有关 3变形量 4相铁素体相呈园滑无规则的形状，铁素体相是有规则的多边形几何体。,不锈钢的固溶处理,固溶处理的目的加热温度固溶处理冷却速度 稳定化处理 消除应力处理 固溶处理可降低 相含量,
