20 44 诚] 呦 llXPtli XPcPri nf % So,-|||-,图 3-1 Pb-Sn 合金相图 图 3-2 w(Pb=50%)Pb-Sn 合金室温组织 由相图(图 3-1 )可知,成分为 w(Pb=50%)、w(Sn=50%)的Pb-Sn合金(亚共晶合金)以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为:先进行匀晶 转变(L tQ,匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。 极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶体 a和共晶组织(o+®。由于a固溶体的溶解度随温度变化较大,所以先共晶固溶体 a中有点状01析出(图3-2 )相组成:先共晶 a相的相对量为:1- ( 50-19.2 ) /(61.9-19.2)=72.13% 共晶组织中的a相占全部合金的相对量:45.5%*72.13%=32.82% 共晶组织中的 0相相对量为1-32.82%=67.18%3-4请根据图3.44分析解答下列问题:分析合金1、2的平衡结晶过程,并会岀冷却曲线;说明室温下1、2的相和组织是什么,并计算相和组织的相对含量; 如果希望得到的组织为:共晶组织和 5%的 ?初,求该合金的成分。解(1) ( 2):合金的冷却曲线如图 3-3所示。⏺图3-3 合金I的冷却曲线其结晶过程为:1以上,合金处于液相;1〜2时,L-a, L和a的成分分别沿液相线和固相线变化,到达 2时,全部凝固完毕;2时,为单相a;2~3时,a —卩。a —睦温下,I合金由两个相组成,即 a和B相,其 相对量为Mo=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82% M 3=1- M a=18%I合金的组织为a+3II,其相对量与组成物相同。II合金的冷却曲线如图 3-4所示。⏺图3-4 合金II的冷却曲线其结晶过程如下:1以上,合金处于均匀的液相;1〜2时,进行匀晶转变 L初;2时,两相平衡共存,L0.50== [30.90 ;2~2,时,剩余液相发生共晶反应: L0.50== 03.20+ [30.902~3时,发生脱溶转变,a^pn室温下,II合金由两个相组成,即 a相和3相,其相对量为:Mc=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12% M p=1- M a=88%II合金的组织为:3初+ ( a+3)共晶;组织组成物的相对量为:mB初=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75% m ( a+ 3)共晶=1-mB 初=25%解(3):设合金的成分为 wB=x由题意知:m B 初=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%所以x=0.52,即该合金成分为 wB=0.52.3-5画出相图,标出相区及各主要点的成分和温度,并回答下列问题:(1) 45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么 ?它们从高温也太平衡 冷却到室温要经过哪些转变?45钢 室温平衡组织: 铁素体 +珠光体P冷却过程:匀晶转变 L0.45 — L0.53+ 5,包晶转变 L0.53 + 6— £.45 , 同素异晶转变 Q45 — a+ Q77,共析转变 Y.77 — ( a+Fe3C)。60钢 室温平衡组织:铁素体 +珠光体P冷却过程:匀晶转变 L0.60 — L0.53+ 5,包晶转变 L0.53 + 5— £.60, 同素异晶转变 Q60 — a+ Q77,共析转变 Y.77 — ( a+Fe3C)。T12钢 室温平衡组织:珠光体 P +渗碳体Fe3C冷却过程:过共析钢在液态到室温的冷却过程中,首先进行匀晶 转变,形成单相固溶体 Y当温度到达ES线以下时,过饱和的固溶体 丫中析岀渗碳体(二次渗碳体 Fe3CII ),奥氏体 丫的成分变到共析点 S(0.77%C);共析转变 Y.77 — ( a+Fe3C),形成珠光体 P。(2)画岀纯铁45钢T12钢的室温平衡组织,并标注其中的组织。⏺图3-3 45钢的室温平衡组织(铁素体 +珠光体P),-|||-,⏺图3-4 T12钢的室温平衡组织(珠光体 P +渗碳体Fe3C)(3)计算室温下45钢T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对 量。应用杠杆定律计算45钢中铁素体a和珠光体P的相对量,选择 a+丫二 相区,共析温度7270C。QP=1-33.9%=66.1%(4 )计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。WFe3C[ =(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23%W Fe3Cm =0.02/6.69*100%=33%二次渗碳体的最大百分含量为 22.6%,三次渗碳体的最大百分含量为0.33%(5)应用相图解释下列现象:1钢柳丁一般用低碳钢合成;钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性, 所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。2绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝) ,而起重机吊重物时却用钢丝绳(60钢65钢70刚等组成);亚共析钢(碳的质量分数在 0.0218%〜0.77%)室温下的组织为铁素 体加珠光体,低碳钢丝(碳的质量分数在 0.0218%〜0.25%)组织中铁素 体的比例大,所以低碳钢丝塑性、韧性好,绑扎物件时,易于操作;而 60钢、65钢、70钢等组织中珠光体的量多,所以强度,适于作起重机吊重物用的钢丝绳。3T8钢的强度高于T12钢的强度。强度〉T12钢,因为强度是一个组织敏感量,当含碳量超过 0.9%以后,二次渗碳体呈网状分布,将珠光体分割开,因此强度下降。3-6现有两种鉄碳合金,其中一种合金的显微组织中珠光体量占 75%,铁素体量占25%另一种合金的显微,组织中珠光体量占 92%二次渗碳体量占8%这两种合金各属于哪一类合金?其含碳量各为多少? 答:第一种是亚共析钢,含碳量为 0.0218%到0.77%之间,后面一种是过共析钢碳含量为 0.77%到2.11%。3-7现有形状 尺寸完全相同的4块平衡状态的鉄碳合金,他们的含碳 量分别为 w(C)=0.2%、w(C)=0.4%、w(C)=1.2%、w(C)=3.5%。根据你 所学的知识,可用那些办法来区别他们?
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li XPcPri nf % So
图 3-1 Pb-Sn 合金相图 图 3-2 w(Pb=50%)Pb-Sn 合金
室温组织 由相图(图 3-1 )可知,成分为 w(Pb=50%)、w(Sn=50%)的Pb-Sn合金
(亚共晶合金)以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为:先进行匀晶 转变(L tQ,匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。 极慢冷却至室温后
形成的组织为先共晶固溶体 a和共晶组织(o+®。由于a固溶体的溶解
度随温度变化较大,所以先共晶固溶体 a中有点状01析出(图3-2 )
相组成:先共晶 a相的相对量为:1- ( 50-19.2 ) /(61.9-19.2)=72.13% 共晶组织中的a相占全部合金的相对量:45.5%*72.13%=32.82% 共晶组织中的 0相相对量为1-32.82%=67.18%
3-4请根据图3.44分析解答下列问题:
分析合金1、2的平衡结晶过程,并会岀冷却曲线;
说明室温下1、2的相和组织是什么,并计算相和组织的相对含量; 如果希望得到的组织为:共晶组织和 5%的 ?初,求该合金的成分。
解(1) ( 2):合金的冷却曲线如图 3-3所示。⏺
图3-3 合金I的冷却曲线
其结晶过程为:
1以上,合金处于液相;
1〜2时,L-a, L和a的成分分别沿液相线和固相线变化,到达 2时,
全部凝固完毕;
2时,为单相a;
2~3时,a —卩。a —睦温下,I合金由两个相组成,即 a和B相,其 相对量为
Mo=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82% M 3=1- M a=18%
I合金的组织为a+3II,其相对量与组成物相同。
II合金的冷却曲线如图 3-4所示。⏺
图3-4 合金II的冷却曲线
其结晶过程如下:
1以上,合金处于均匀的液相;
1〜2时,进行匀晶转变 L初;
2时,两相平衡共存,L0.50== [30.90 ;
2~2,时,剩余液相发生共晶反应: L0.50== 03.20+ [30.90
2~3时,发生脱溶转变,a^pn
室温下,II合金由两个相组成,即 a相和3相,其相对量为:
Mc=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12% M p=1- M a=88%
II合金的组织为:3初+ ( a+3)共晶;组织组成物的相对量为:
mB初=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75% m ( a+ 3)共晶=1-
mB 初=25%
解(3):设合金的成分为 wB=x由题意知:
m B 初=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%
所以x=0.52,即该合金成分为 wB=0.52.
3-5画出相图,标出相区及各主要点的成分和温度,并回答下列问题:
(1) 45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么 ?它们从高温也太平衡 冷却到室温要经过哪些转变?
45钢 室温平衡组织: 铁素体 +珠光体P
冷却过程:匀晶转变 L0.45 — L0.53+ 5,包晶转变 L0.53 + 6— £.45 , 同素异晶转变 Q45 — a+ Q77,共析转变 Y.77 — ( a+Fe3C)。
60钢 室温平衡组织:铁素体 +珠光体P
冷却过程:匀晶转变 L0.60 — L0.53+ 5,包晶转变 L0.53 + 5— £.60, 同素异晶转变 Q60 — a+ Q77,共析转变 Y.77 — ( a+Fe3C)。
T12钢 室温平衡组织:珠光体 P +渗碳体Fe3C
冷却过程:过共析钢在液态到室温的冷却过程中,首先进行匀晶 转变,形成单相固溶体 Y当温度到达ES线以下时,过饱和的固溶体 丫
中析岀渗碳体(二次渗碳体 Fe3CII ),奥氏体 丫的成分变到共析点 S(0.77%C);共析转变 Y.77 — ( a+Fe3C),形成珠光体 P。
(2)画岀纯铁45钢T12钢的室温平衡组织,并标注其中的组织。⏺
图3-3 45钢的室温平衡组织(铁素体 +珠光体P)
⏺
图3-4 T12钢的室温平衡组织(珠光体 P +渗碳体Fe3C)
(3)计算室温下45钢T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对 量。
应用杠杆定律计算45钢中铁素体a和珠光体P的相对量,选择 a+丫二 相区,共析温度7270C。
QP=1-33.9%=66.1%
(4 )计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。
WFe3C[ =(2.14-0.8)/(6.69-0.8)*100%=23%
W Fe3Cm =0.02/6.69*100%=33%
二次渗碳体的最大百分含量为 22.6%,三次渗碳体的最大百分含量为
0.33%
(5)应用相图解释下列现象:
1钢柳丁一般用低碳钢合成;
钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性, 所以钢柳丁一般要求用低碳钢
合成。
2绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝) ,而起重机吊重物时却用钢丝
绳(60钢65钢70刚等组成);
亚共析钢(碳的质量分数在 0.0218%〜0.77%)室温下的组织为铁素 体加珠光体,低碳钢丝(碳的质量分数在 0.0218%〜0.25%)组织中铁素 体的比例大,所以低碳钢丝塑性、韧性好,绑扎物件时,易于操作;而 60钢、65钢、70钢等组织中珠光体的量多,所以强度,适于作起重机
吊重物用的钢丝绳。
3T8钢的强度高于T12钢的强度。
强度〉T12钢,因为强度是一个组织敏感量,当含碳量超过 0.9%以后,
二次渗碳体呈网状分布,将珠光体分割开,因此强度下降。
3-6现有两种鉄碳合金,其中一种合金的显微组织中珠光体量占 75%,
铁素体量占25%另一种合金的显微,组织中珠光体量占 92%二次渗
碳体量占8%这两种合金各属于哪一类合金?其含碳量各为多少? 答:第一种是亚共析钢,含碳量为 0.0218%到0.77%之间,后面一种是
过共析钢碳含量为 0.77%到2.11%。
3-7现有形状 尺寸完全相同的4块平衡状态的鉄碳合金,他们的含碳 量分别为 w(C)=0.2%、w(C)=0.4%、w(C)=1.2%、w(C)=3.5%。根据你 所学的知识,可用那些办法来区别他们?
题目解答
答案
答:第一种:根据金相实验铁碳相图来区别它们:含碳量分别为 w(C)=0.2%的鉄碳合金金相中全部是单相的 a相。而含碳量分别为
w(C)=0.4%的鉄碳合金金相由 a相和珠光体(P)相组成;而含碳量分别 为w(C)=1.2%的鉄碳合金金相由珠光体 (P)相和二次渗碳体组成;而含
碳量分别为w(C)=3.5%的鉄碳合金金相主要由变态莱氏体 (Ld'相和一
次渗碳体相组成。
第二种:随着含碳量的增加,铁碳合金的硬度随之增加,分别测 试其硬度,按照其硬度大小可得其含碳量的大小。
3-8简述晶粒大小对金属力学性能的影响,并列举几种实际生产中细化 铸造晶粒的方法。
晶粒大小对金属力学性能和工艺性能有很大影响。在一般情况下,晶粒 愈细小,金属的强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好,所以,细化晶粒 是强化金属材料的最重要途径之一。为了细化铸件晶粒以改善其性能, 常采用以下方法:增加过冷度;进行变质处理(孕育处理) ;振动和搅 拌。
3-9说明金属实际凝固时,铸锭的 3种宏观组织的形成机制。
金属铸锭凝固时,由于表面和中心的结晶条件不同, 其结构是不均匀的, 整个体积中明显的分为三种晶粒状态区域: 细等轴晶区、柱状晶区和粗
等轴晶区。(1)液体金属注入锭模时,由于锭模温度不高,传热快,外 层金属受到激冷,过冷度大,生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发 晶核作用。结果,在金属的表层形成一层厚度不大、 晶粒很细的细晶区。
(2)细晶区形成的同时,锭模温度升高,液体金属的冷却速度降低, 过冷度减小,生核速率降低,但此时长大的速度受到的影响较小,结晶 过程进行的方式主要是,优先长大方向与散热最快方向的反方向一致的 晶核向液体内部平行长大,结果形成柱状晶区。 (3)随着柱状晶区的发
展,液体金属的冷却速度很快降低, 过冷度大大减小,温度差不断降低,
趋于均匀化,散热逐渐失去方向性,所以在某个时候,剩余液体中被推 来的杂质及从柱状晶上被冲下来的晶枝碎块, 可能成为晶核,向各个方
向均匀长大,最后形成粗大的等轴晶区。
5-3过冷奥氏体在不同温度等温转变时,可得到哪些转变产物?试列表 比较他们的组织和性能。
根据等温温度不同,其转变产物有珠光体型和贝氏体型两种。
高温转变
Ac1〜650 C珠光体P粗片状铁素体与渗碳体混合物 HRC<25;
650〜600 C索氏体S 600倍光学金相显微镜下才能分辨的细片状 珠光体HRC为25〜35;
600〜550C托氏体T在光学金相显微镜下已无法分辨的极细片
状珠光体 HRC为35〜40;
中温转变
550〜350 C 上贝氏体B上 羽毛状组织 HRC40- 45;
350°C〜Ms下贝氏体B下 黑色针状或称竹叶状组织 HRC4A 55;
5-4什么是Vk?其主要影响因素有哪些?
Vk是指淬火临界冷却速度。其主要受化学成分的影响:亚共析钢中随着 含碳量的增加,C曲线右移,过冷奥氏体稳定性增加,则 Vk减小,过共 析钢中随着含碳量的增加, C曲线左移,过冷奥氏体稳定性减小,则 Vk
增大;合金元素中,除Co和Al(>2.5%)以外的所有合金元素,都增大过 冷奥氏体稳定性,使 C曲线右移,则Vk减小。
5-5什么是马氏体?其组织形态和性能取决于什么因素?马氏体转变有
何特点?
马氏体最初是在钢(中、高碳钢)中发现的:将钢加热到一定温度(形 成奥氏体)后经迅速冷却(淬火),得到的能使钢变硬、增强的一种淬 火组织。
其组织形态和性能取决于材料和淬火速率。
马氏体相变属于一种广义的位移型无扩散相变,以切变位移为其特征,
新旧相成分不变。相变特征是:
1新相与母相之间有一定的位向关系。例如 Fe-C合金的体心四方马氏
体(M)与面心立方奥氏体(Y —— 在丫Fe中的固溶体一一间有
2相界面是确定的晶面,称为惯习面。例如含碳量为 0.5〜1.4C的
Fe-C合金的惯习面是… '。惯习面在相变过程中不畸变不转动(即
所谓不变平面)。
3转变区由于形成马氏体发生切变,所以在平的样品表面上会岀现浮
凸。
4马氏体形态呈片状或条状,内有亚结构,往往是孪晶。
5是一级相变,具有成核成长过程。
6晶体长大速率接近声速
7相变动力学有两类:a.变温转变,成核率很大,马氏体形成数量只是 温度的函数,不依赖于时间。 b.等温转变,成核率(或孕育期)依赖于 温度,具有C”字形动力学曲线。变温转变可视为很快的阶梯式的等温转 变;而等温转变如仅考虑转变后期马氏体的极限量则同样满足变温转变
的动力学方程。
8转变的不完全性。由于多数钢的Mf (马氏体转变结束的温度点) 在室 温以下,因此钢冷却到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在,称之为残 余奥氏体(Ar),随碳含量的增加,Ar也随之增加。一般钢经过淬火后 要经过深冷处理来减少 Ar的量。
5-7生产中常把加热到淬火温度的钳工扁铲的刃部款入水中急冷片刻
后,出水停留一段时间,在整体投入水中冷却。说明两次水冷的作用及 水冷后的组织。
分级淬火的目的是使工件内部温度趋于一致, 减少在后续冷却过程中的
内应力及变形和开裂倾向。淬火后产生马氏体组织。
5-8对一批45钢零件进行热处理时,不慎将淬火件和调质件弄混,如
何通过最简单的方法将他们区分开?为什么?
淬火加高温回火的热处理过程称为调质处理, 调质处理后的钢件具有优
良的综合力学性能,强度和韧性均好于直接淬火零件,微观组织也更细 化;所以可以测硬度、进行冲击试验、观察微观组织来进行区分,调质 工件的硬度更大,韧性更好,微观晶粒更细化。
5-9将两个12钢小试样分别加热到 780和860,保温后以大于的速度 冷却至室温,试问:哪个温度淬火后马氏体晶粒粗大?
因为860C加热温度高,加热时形成的奥氏体晶粒粗大,冷却后得到的 马氏体晶粒较粗大。
哪个温度淬火后参与奥氏体多?
因为加热温度860 C已经超过了 Accm此时碳化物全部溶于奥氏体 中,使奥氏体中含碳量增加,降低钢的 Ms和Mf点,淬火后残余奥氏体 增多。
哪个温度淬火后未溶碳化物量多?
因为加热温度860 C已经超过了 Accm此时碳化物全部溶于奥氏体中, 因此加热淬火后未溶碳化物较少。
哪个温度淬火合适?为什么?