结晶与相图铁碳合金－－－ 工程材料基础知识.pptx

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1、一、金属的晶体结构1纯金属的晶体结构（1）晶体与非晶体固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分为晶体与非晶体。晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；非晶体内部质点是散乱排列的。自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换，第1页/共62页（2 2）常见金属晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，如下图所示。体心立方晶格：如图1-13a所示，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。具有体心立方晶格的金属有：-Fe（温度低

2、于912的铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、-Ti（温度在8831668的钛）等。第2页/共62页（3）实际金属晶体结构晶体缺陷：在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。按陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬度。点缺陷（空位、间隙原子）：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畴变”，点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质

3、扩散的原因。第3页/共62页线缺陷：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错，这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。线缺陷第4页/共62页刃型位错效应：在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能有效地提高金属强度。第5页/共62页面缺陷（晶界、亚晶界）：面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚

4、晶粒的交界称为亚晶界。面缺陷同样使晶格产生畴变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细晶粒的金属塑性和韧性也得到改善。第6页/共62页2合金的晶体结构合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。组元：组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。相：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。显微组织

5、：在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成组织的基本物质。第7页/共62页金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。（1）固溶体固溶体：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂，因此固溶体的晶格与溶剂的晶格相同；其它组元称为溶质。分类：根据溶质原子在晶格中占据位置的不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两类。第8页/共62页固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，

6、这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。第9页/共62页（2）金属化合物金属化合物：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的Fe3C（渗碳体）。金属化合物性能：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。合金的组织可以是单相固溶

7、体，但由于其强度不够高，其应用具有局限性；绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属化合物组成的混合物。第10页/共62页二、金属的结晶结晶：金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。1纯金属的结晶（1）冷却曲线与过冷度冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律。可通过热分析法测量绘制，其方法是使熔化后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录下温度值，将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线。曲线分析：随时间的增加，纯金属液的温度不断下降；当冷到某一温度时，在曲线上出现了一个恒温的水平线段，所对应的温度就是金属的结晶温度（或熔点），在结晶过程中，由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量，使温度保持恒定

8、不变；结晶结束后，由于金属继续散热，固态金属的温度开始下降。第11页/共62页理论结晶温度：纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度，用T0表示。实际结晶温度：实际生产中金属的冷却速度不可能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用Tn表示。过冷现象：金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，即Tn6.69%的铁碳合金脆性极大，加工困难，生产中无实用价值，并且Fe3C（Wc=6.69%）可以作为一个独立组元。因此，仅研究Wc为0%6.69%的Fe-Fe3C相图部分。为便于研究，将相图左上角部分简化，得到简化后的Fe-Fe3C相图。第45页/共62页1）、Fe

9、-Fe3C相图的特性点Fe-Fe3C相图特性点特性点温度t/Wc/%含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，LCldD12276.69渗碳体的熔点（计算值）E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度G9120纯铁的同素异晶转变点，-Fe-FeP7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点，AsPQ6000.0057600时碳在-Fe中的溶解度第46页/共62页2）、Fe-Fe3C相图的特性线特性线特性线名称名称含含义义ACD液相线液相线此线以上为液相（此线以上为液相（L），缓冷至液相线时，开始结晶），缓冷至液相线时，开始结晶AECF固相线固相线此线以下为固相此线以

10、下为固相ECF共晶线共晶线发生共晶转变，生成莱氏体（发生共晶转变，生成莱氏体（Ld）。共晶反应式为：）。共晶反应式为：LcLdPSK共析线共析线A1发生共析转变，生成珠光体（发生共析转变，生成珠光体（P）.共析反应式为：共析反应式为：ASPESAcm碳在碳在-Fe中的溶解度曲线中的溶解度曲线PQ碳在碳在-Fe中的溶解度曲线中的溶解度曲线GSA3奥氏体奥氏体铁素体转变线铁素体转变线第47页/共62页3）Fe-Fe3C相图的相区（标示于相图中）第48页/共62页2、相图分析要点：五个重要的成份点:P、S、E、C、F四条重要的线:ECF、PSK、ES、GS三个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式

11、、包晶转变二个重要温度:1148、727第49页/共62页三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的分类：工业纯铁、钢、白口铸铁。铁碳合金类别铁碳合金类别化学成分化学成分wc(%)室温平衡组织室温平衡组织工业纯铁工业纯铁00.0218F钢钢共析钢共析钢0.77P亚共析钢亚共析钢0.02180.77F+P过共析钢过共析钢0.772.11P+Fe3CII白口铸铁白口铸铁白口铸铁白口铸铁4.3P+Fe3CII+ld亚共晶白口铸亚共晶白口铸铁铁2.114.3ld过共晶白口铸过共晶白口铸铁铁4.36.69ld+Fe3CI第50页/共62页u1 1、共析钢的结晶过程及平衡组织 结晶过程：液相温度

12、以上，合金为液相；温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相：温度降至液相线与固相线之间时，液相不断减少，固相不断增加温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相；在固相线和共析线之间，合金的成份、相结构均不发生变化；降到共析温度时，固相将发生共析反应：奥氏体共析体珠光体（铁素体渗碳体），共析反应结束后，所有的奥氏体都转变成珠光体；从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗碳体）及其成份基本上不再发生变化。到达室温后，共析成份的碳钢由两种相（铁素体，渗碳体）构成机械混合物；其组织全都为共析体即珠光体构成。室温时：相组成物为：F F、Fe3CFe3C共析钢显微组织C第51页/共62页2.亚共析钢：结

13、晶过程：液相温度以上，合金为液相；温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相：温度降至液相线与固相线时，液相不断减少，固相不断增加温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相；在固相线和铁素体析出线之间的温度范围，合金的成份、相结构均不发生变化；达到铁素体析出线温度时，将从相中析出相铁素体；在铁素体析出线和共析线之间的温度范围，从相奥氏体中不断析出相铁素体，随温度降低，相奥氏体不断减少，其成份沿铁素体析出线变化，析出的相铁素体不断增加，其成份沿铁素体成份变化线变化；剩余相发生共析反应：奥氏体珠光体（铁素体渗碳体）；从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗碳体）及其成份基本上不再发生变化。到达室温

14、后，亚共析成份的碳钢由两种相（铁素体，渗碳体）构成；其组织由两种组织构成：珠光体铁素体。室温时：相组成物为：相、Fe3C相第52页/共62页20钢钢45钢钢65钢钢亚共析钢显微组织亚共析钢显微组织第53页/共62页3、过共析钢过共析钢显微组织(T12钢)过共析钢的结晶过程以图中（3）中合金为例。冷却时与图中AC、.AE、.ES和PSK线分别交于1、2、3、4点。该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出渗碳体（称此为二次渗碳体Fe3C），随温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而剩余奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至4点（727）时，奥氏体的含碳量

15、达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。因此，过共析钢室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。二次渗碳体一般以网状形式沿奥氏体晶界分布。图中片状或黑色组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。第54页/共62页4、白口铸铁的结晶过程及组织过共晶白口铁亚共晶白口铁共晶白口铁u共晶白口铸铁室温平衡组织Ldu亚共晶白口铸铁室温平衡组织由珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体组成（P+Fe3C+Ld如下图所示，图中呈黑色树枝状部分为珠光体，黑色点状部分为变态莱氏体，白色基体部分为二次渗碳体和共晶渗碳体；u过共晶白口铸铁室温平衡组织为变态莱氏体、一次渗碳体组成（Ld+Fe3C），如下图所示。图

16、中基体为变态莱氏体，白色条块状为一次渗碳体。第55页/共62页铁碳合金中相与组织的变化规律第56页/共62页根据上述分析，铁碳合金随含碳量增加，其组织发生下列变化：FeCFeCFeCdLdLd+FeC当含碳量增加时，组织中的碳化物数量增加，渗碳体的形态和分布也发生了变化：三次渗碳体：沿晶界分布共析渗碳体：分布在铁素体内，呈片层状二次渗碳体：沿奥氏体晶界分布共晶渗碳体：作为莱氏体的基体一次渗碳体：作为基体，粗大枝晶状四、碳的质量分数对力学性能的影响第57页/共62页组织组成物组织组成物（Mpa）硬度硬度Ak(J)铁素体（铁素体（）渗碳体渗碳体 珠光体珠光体 第58页/共62页铁碳合金的力学性能决

17、定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。当碳的质量分数Wc0.9%时，随碳的质量分数的继续增加，硬度仍然增加，而强度开始明显下降，塑性、韧性继续降低。原因是钢中的二次渗碳体沿晶界析出并形成完整的网络。导致了钢脆性的增加。为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于1.4%。Wc2.11%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量太多，性能硬而脆，难以切削加工，在机械工程中很少直接应用。铁碳合金力学性能与含碳量关系碳的质量分数对力学性能的影响第59页/共62页五、Fe-Fe3C相图的应用1、在钢铁材料选材方面的应用Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的

18、规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。例如：用于建筑结构的各种型钢需要塑性、韧性好的材料，应选用Wc0.25%的钢材。机械工程中的各种零部件需要兼有较好强度、塑性和韧性的材料，应选用Wc=0.30%0.55%范围内的钢材。而各种工具却需要硬度高，耐磨性好的材料，则多选用Wc=0.70%1.2%范围内的高碳钢。第60页/共62页2、在制订热加工工艺方面的应用（1）在铸造(焊接)方面的应用从Fe-Fe3C相图可以看出，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，铸造生产中多选用接近共晶成分的铸铁。根据Fe-Fe3C相图可以确定铸造的浇注温度，一般在液相线以上50100，铸钢（Wc=0.15%0.6%）的熔化温度和浇注温度要高得多，其铸造性能较差，铸造工艺比铸铁的铸造工艺复杂。（2）在锻压加工方面的应用由Fe-Fe3C相图可知钢在高温时处于奥氏体状态，而奥氏体的强度较低，塑性好，有利于进行塑性变形。因此，钢材的锻造、轧制（热轧）等均选择在单相奥氏体的适当温度范围内进行。（3）在热处理方面的应用Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。热处理常用工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图确定的。这将在后面节中详细阐述。第61页/共62页感谢您的观看！第62页/共62页