第一章 金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)

1、主 編 ： 王 英 杰 張 芙 麗副 主 編 ： 金 升 王 成 國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社第一章 金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)一、金屬材料的分類二、鋼鐵材料生產(chǎn)過(guò)程概述三、機(jī)械制造過(guò)程概述四、金屬材料的性能五、金屬材料的晶體性能六、純金屬的結(jié)晶過(guò)程七、金屬材料的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變八、合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過(guò)程九、金屬材料的鑄錠組織特征十、鐵碳合金相圖第一節(jié)金屬材料的第一節(jié)金屬材料的分類分類 金屬金屬是指具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性是指具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性, ,有一定的強(qiáng)度有一定的強(qiáng)度和塑性和塑性, ,并具有光澤的物質(zhì)并具有光澤的物質(zhì), ,如鐵、鋁和銅等。金屬材料是如鐵、鋁和銅等。金屬材料是由金屬元素或以某種金屬元素為主由

2、金屬元素或以某種金屬元素為主, ,其他金屬或非金屬為輔其他金屬或非金屬為輔構(gòu)成的構(gòu)成的, ,并具有金屬特性的工程材料并具有金屬特性的工程材料, ,它包括它包括純金屬和合金和合金兩類。兩類。純金屬在工業(yè)生產(chǎn)中雖具有一定的用途純金屬在工業(yè)生產(chǎn)中雖具有一定的用途, ,但由于其強(qiáng)但由于其強(qiáng)度、硬度一般都較低度、硬度一般都較低, ,且冶煉技術(shù)復(fù)雜且冶煉技術(shù)復(fù)雜, ,價(jià)格較高價(jià)格較高, ,因此在因此在使用上受到較大的限制。目前廣泛使用的是合金狀態(tài)的金使用上受到較大的限制。目前廣泛使用的是合金狀態(tài)的金屬材料。屬材料。合金合金是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素

3、組成的金屬材料。例如金屬元素組成的金屬材料。例如, ,普通黃銅是由銅和鋅普通黃銅是由銅和鋅兩種金屬元素組成的合金兩種金屬元素組成的合金, ,碳素鋼是由鐵和碳組成的合碳素鋼是由鐵和碳組成的合金金, ,合金鋼是由鐵、碳和合金元素組成的合金。與純金合金鋼是由鐵、碳和合金元素組成的合金。與純金屬相比屬相比, ,合金除具有更好的力學(xué)性能外合金除具有更好的力學(xué)性能外, ,還可以通過(guò)調(diào)還可以通過(guò)調(diào)整組成元素之間的比例整組成元素之間的比例, ,以獲得一系列性能各不相同的以獲得一系列性能各不相同的合金合金, ,從而滿足不同的性能要求。從而滿足不同的性能要求。金屬材料金屬材料, ,尤其是鋼鐵材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有重要

4、的作用尤其是鋼鐵材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有重要的作用, ,這主要是由這主要是由于金屬材料具有比其他材料優(yōu)越的性能于金屬材料具有比其他材料優(yōu)越的性能, ,如物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性如物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能及工藝性能等能及工藝性能等, ,能夠滿足生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。金屬材料通常還能夠滿足生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。金屬材料通常還可分為鋼鐵材料和非鐵金屬兩大類可分為鋼鐵材料和非鐵金屬兩大類, ,如圖如圖1-11-1所示。所示。1.1.鋼鐵材料鋼鐵材料以鐵或以鐵為主而形成的金屬材料以鐵或以鐵為主而形成的金屬材料, ,稱為鋼鐵材料稱為鋼鐵材料( (或稱黑或稱黑色金屬色金屬),),如各種鋼材和鑄鐵。如

5、各種鋼材和鑄鐵。2.2.非鐵金屬非鐵金屬除鋼鐵材料以外的其他金屬材料除鋼鐵材料以外的其他金屬材料, ,統(tǒng)稱為非鐵金屬統(tǒng)稱為非鐵金屬( (或稱有或稱有色金屬色金屬),),如銅、鋁、鎂、鋅、鈦、錫、鉛、鉻、鉬、鎢、鎳等。如銅、鋁、鎂、鋅、鈦、錫、鉛、鉻、鉬、鎢、鎳等。除此之外除此之外, ,還出現(xiàn)了許多新型的具有特殊性能的金屬材料還出現(xiàn)了許多新型的具有特殊性能的金屬材料, ,如粉末冶金材料、非晶態(tài)金屬材料、納米金屬材料、單晶合金、如粉末冶金材料、非晶態(tài)金屬材料、納米金屬材料、單晶合金、超導(dǎo)合金以及新型的金屬功能材料超導(dǎo)合金以及新型的金屬功能材料( (如永磁合金、高溫合金、形如永磁合金、高溫合金、形狀

6、記憶合金、超細(xì)金屬隱身材料、超塑性金屬材料、儲(chǔ)氫合金狀記憶合金、超細(xì)金屬隱身材料、超塑性金屬材料、儲(chǔ)氫合金) )等。等。第二第二節(jié)鋼鐵材料生產(chǎn)過(guò)程概述節(jié)鋼鐵材料生產(chǎn)過(guò)程概述鋼鐵材料是鐵和碳的合金。鋼鐵材料按其碳的質(zhì)量鋼鐵材料是鐵和碳的合金。鋼鐵材料按其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)w(C) (w(C) (含碳量含碳量) ) 進(jìn)行分類進(jìn)行分類, , 可分為工業(yè)純鐵可分為工業(yè)純鐵w(C)0.021 8%; w(C)2.11%w(C)2.11%。生鐵是由鐵礦石經(jīng)高爐冶煉而獲得的生鐵是由鐵礦石經(jīng)高爐冶煉而獲得的, ,它是煉鋼和鑄它是煉鋼和鑄件生產(chǎn)的主要原材料。件生產(chǎn)的主要原材料。鋼材生產(chǎn)以生鐵為鋼材生產(chǎn)以生鐵為主要

7、原料主要原料, ,首先將生鐵裝首先將生鐵裝入高溫的煉鋼爐里入高溫的煉鋼爐里, ,通過(guò)通過(guò)氧化作用降低生鐵中碳和氧化作用降低生鐵中碳和雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù), ,獲得所獲得所需要的鋼液需要的鋼液, ,然后將鋼液然后將鋼液澆鑄成鋼錠或連鑄坯澆鑄成鋼錠或連鑄坯, ,再再經(jīng)過(guò)熱軋或冷軋后經(jīng)過(guò)熱軋或冷軋后, ,制成制成各種類型的型鋼。圖各種類型的型鋼。圖1-21-2所示為鋼鐵材料生產(chǎn)過(guò)程所示為鋼鐵材料生產(chǎn)過(guò)程示意圖。示意圖。一、煉鐵一、煉鐵煉鐵用的原料主要是含鐵的氧化物。含鐵比較多且煉鐵用的原料主要是含鐵的氧化物。含鐵比較多且有冶煉價(jià)值的礦物有赤鐵礦石、磁鐵礦石、菱鐵礦石、褐有冶煉價(jià)值的礦物有赤鐵

8、礦石、磁鐵礦石、菱鐵礦石、褐鐵礦石等。鐵礦石中除了含有鐵的氧化物以外鐵礦石等。鐵礦石中除了含有鐵的氧化物以外, ,還含有硅、還含有硅、錳、硫、磷等元素的氧化物雜質(zhì)錳、硫、磷等元素的氧化物雜質(zhì), ,這些雜物稱為脈石。煉鐵這些雜物稱為脈石。煉鐵的實(shí)質(zhì)就是從鐵礦石中提取鐵及其有用元素并形成生鐵的的實(shí)質(zhì)就是從鐵礦石中提取鐵及其有用元素并形成生鐵的過(guò)程?，F(xiàn)代煉鐵的主要方法是高爐煉鐵。高爐煉鐵的爐料過(guò)程。現(xiàn)代煉鐵的主要方法是高爐煉鐵。高爐煉鐵的爐料主要是鐵礦石、燃料主要是鐵礦石、燃料( (焦炭焦炭) )和熔劑和熔劑( (石灰石石灰石) )。焦炭作為煉鐵的燃料焦炭作為煉鐵的燃料, ,一方面為煉鐵提供熱量一方

9、面為煉鐵提供熱量, ,另一另一方面焦炭在不完全燃燒時(shí)所產(chǎn)生的方面焦炭在不完全燃燒時(shí)所產(chǎn)生的CO,CO,又作為使氧化鐵和又作為使氧化鐵和其他金屬元素還原的還原劑。熔劑的作用是使鐵礦石中的其他金屬元素還原的還原劑。熔劑的作用是使鐵礦石中的脈石和焦炭燃燒后的灰分轉(zhuǎn)變成密度小、熔點(diǎn)低和流動(dòng)性脈石和焦炭燃燒后的灰分轉(zhuǎn)變成密度小、熔點(diǎn)低和流動(dòng)性好的爐渣好的爐渣( (漂浮在鋼液表面漂浮在鋼液表面),),并使之與鐵液分離。常用的并使之與鐵液分離。常用的熔劑是石灰石熔劑是石灰石(CaCO3)(CaCO3)。煉鐵煉鐵時(shí)需要將煉鐵原料分批分層裝入高爐中時(shí)需要將煉鐵原料分批分層裝入高爐中, ,在高溫在高溫和壓力的作用

10、下和壓力的作用下, ,經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng), ,將鐵礦石還原成將鐵礦石還原成鐵。高爐冶煉出的鐵不是純鐵鐵。高爐冶煉出的鐵不是純鐵, ,其中含有碳、硅、錳、硫、其中含有碳、硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素磷等雜質(zhì)元素, ,這種鐵稱為生鐵。生鐵是高爐冶煉的主要產(chǎn)這種鐵稱為生鐵。生鐵是高爐冶煉的主要產(chǎn)品。根據(jù)用戶的不同需要品。根據(jù)用戶的不同需要, ,生鐵可分為兩類生鐵可分為兩類: :鑄造生鐵和煉鑄造生鐵和煉鋼生鐵。鑄造生鐵的斷口呈暗灰色鋼生鐵。鑄造生鐵的斷口呈暗灰色, ,硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高, ,主主要用于生產(chǎn)復(fù)雜形狀的鑄件。煉鋼生鐵的斷口呈亮白色要用于生產(chǎn)復(fù)雜形狀的鑄件。煉

11、鋼生鐵的斷口呈亮白色, ,硅硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(w(Si)1.5%),(w(Si)2.11%w(C)2.11%的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至1 1 148148時(shí)時(shí), ,將同時(shí)從液體中結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物將同時(shí)從液體中結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物( (即即萊氏體萊氏體) )。由于奧氏體在。由于奧氏體在727727時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w, ,所以所以, ,在室溫時(shí)萊氏在室溫時(shí)萊氏體由珠光體和滲碳體所組成。為了區(qū)別起見(jiàn)體由珠光體和滲碳體所組成。為了區(qū)別起見(jiàn), ,將將727727以上存在的萊以上存在的萊氏體稱為高溫萊氏體氏體稱為高溫萊氏體(Ld),(L

12、d),在在727727以下存在的萊氏體稱為低溫萊氏以下存在的萊氏體稱為低溫萊氏體體(Ld),(Ld),或稱變態(tài)萊氏體?；蚍Q變態(tài)萊氏體。萊氏體萊氏體的性能與滲碳體相似的性能與滲碳體相似, ,硬度很高硬度很高( (相當(dāng)于相當(dāng)于700HBW),700HBW),塑性塑性很差。萊氏體的顯微組織可以看成是在滲碳體的基體上分布著顆粒很差。萊氏體的顯微組織可以看成是在滲碳體的基體上分布著顆粒狀的奧氏體狀的奧氏體( (或珠光體或珠光體) )。二二、鐵碳合金相圖的特性分析、鐵碳合金相圖的特性分析1.1.鐵碳合金相圖的形成鐵碳合金相圖的形成合金相圖是表示在極緩慢冷卻合金相圖是表示在極緩慢冷卻( (或加熱或加熱) )

13、條件下條件下, ,不同化學(xué)成分的不同化學(xué)成分的合金合金, ,在不同溫度下所具有的組織狀態(tài)的一種圖形。生產(chǎn)實(shí)踐表明在不同溫度下所具有的組織狀態(tài)的一種圖形。生產(chǎn)實(shí)踐表明, ,碳的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(C)5%w(C)5%的鐵碳合金的鐵碳合金, ,尤其當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到尤其當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到w(C)=6.69%w(C)=6.69%時(shí)時(shí), ,鐵碳合金幾乎全部變?yōu)闈B碳體鐵碳合金幾乎全部變?yōu)闈B碳體(Fe3C)(Fe3C)。滲碳體硬而脆。滲碳體硬而脆, ,機(jī)械加工困難機(jī)械加工困難, ,在在機(jī)械工程上很少應(yīng)用。所以機(jī)械工程上很少應(yīng)用。所以, ,我們?cè)谘芯胯F碳合金相圖時(shí)我們?cè)谘芯胯F碳合金相圖時(shí), ,只需研

14、究只需研究w(C)6.69%w(C)6.69%部分。而部分。而w(C)=6.69%w(C)=6.69%時(shí)時(shí), ,鐵碳合金全部為亞穩(wěn)定的滲碳體鐵碳合金全部為亞穩(wěn)定的滲碳體, ,滲碳體可看成是鐵碳合金的一個(gè)組元。因此滲碳體可看成是鐵碳合金的一個(gè)組元。因此, ,研究鐵碳合金相圖研究鐵碳合金相圖, ,就是研就是研究究Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖相圖( (部分部分),),如圖如圖1-421-42所示。所示。2 2. .鐵碳合金相圖中的特性點(diǎn)鐵碳合金相圖中的特性點(diǎn)鐵碳合金相圖中主要特性點(diǎn)的溫度、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其含義鐵碳合金相圖中主要特性點(diǎn)的溫度、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其含義見(jiàn)表見(jiàn)表1-41-4。3.3.鐵碳合

15、金相圖中的主要特性線鐵碳合金相圖中的主要特性線(1)液相線ACD鐵碳合金在液相線鐵碳合金在液相線ACDACD以上是液態(tài)以上是液態(tài)(L)(L)。當(dāng)。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(C)4.3%w(C)4.3%w(C)4.3%的鐵碳合金冷卻到的鐵碳合金冷卻到CDCD線時(shí)線時(shí), ,開(kāi)始從合金液中結(jié)晶出滲碳體開(kāi)始從合金液中結(jié)晶出滲碳體( (稱一次滲碳體稱一次滲碳體),),用用Fe3CFe3C表示。表示。(2)固相線AECF鐵碳合金在固相線鐵碳合金在固相線AECFAECF以下時(shí)以下時(shí), ,鐵碳合金鐵碳合金均呈固體狀態(tài)。均呈固體狀態(tài)。(3)共晶線ECFECFECF線是一條水平線是一條水平( (恒溫恒溫) )

16、線線, ,稱為共晶線。稱為共晶線。在在ECFECF線上線上, ,液態(tài)鐵碳合金將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變液態(tài)鐵碳合金將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變, ,其反應(yīng)式是其反應(yīng)式是:L4.3 :L4.3 A2.11+Fe3C6.69A2.11+Fe3C6.69共晶轉(zhuǎn)變形成了奧氏體與滲碳體的機(jī)械混合物共晶轉(zhuǎn)變形成了奧氏體與滲碳體的機(jī)械混合物, ,稱為萊氏體稱為萊氏體(Ld)(Ld)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在w(C)=2.11%6.69%w(C)=2.11%6.69%的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共晶的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。(4)共析線PSKPSKPSK線也是一條水平線也是一條水平( (恒溫恒溫) )線線, ,稱為共析線稱為共析線

17、, ,通稱通稱A1A1線。在線。在PSKPSK線上固態(tài)奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變線上固態(tài)奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變, ,其反應(yīng)式其反應(yīng)式是是:A0.77 F0.021 8+Fe3C6.69:A0.77 F0.021 8+Fe3C6.69共析轉(zhuǎn)變形成了鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物共析轉(zhuǎn)變形成了鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物, ,稱為珠光體稱為珠光體(P)(P)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(C)0.021 8%w(C)0.021 8%的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。(5) GS線GSGS線表示冷卻時(shí)由奧氏體組織中析出鐵素體組線表示冷卻時(shí)由奧氏體組織中析出鐵素體組織的開(kāi)始線織的開(kāi)始線, ,通

18、稱通稱A3A3線。線。(6) ES線ESES線是碳在奧氏體中的溶解度變化曲線線是碳在奧氏體中的溶解度變化曲線, ,通稱通稱AcmAcm線。它表示隨著溫度的降低線。它表示隨著溫度的降低, ,奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著ESES線逐線逐漸減少漸減少, ,而多余的碳以滲碳體形式析出而多余的碳以滲碳體形式析出, ,稱為二次滲碳體稱為二次滲碳體, ,用用Fe3CFe3C表示表示, ,以區(qū)別于從液體中直接結(jié)晶出來(lái)的以區(qū)別于從液體中直接結(jié)晶出來(lái)的Fe3CFe3C。(7) GP線GPGP線為冷卻時(shí)奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終了線為冷卻時(shí)奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終了線或者加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏

19、體的開(kāi)始線。線或者加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的開(kāi)始線。(8) PQ線PQPQ線是碳在鐵素體中的溶解度變化曲線。它表線是碳在鐵素體中的溶解度變化曲線。它表示鐵素體隨著溫度的降低示鐵素體隨著溫度的降低, ,鐵素體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著鐵素體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著PQPQ線逐漸減線逐漸減少少, ,在在727727時(shí)碳在鐵素體中的最大溶解度是時(shí)碳在鐵素體中的最大溶解度是0.021 8%,0.021 8%,冷卻時(shí)多余冷卻時(shí)多余的碳以滲碳體形式析出的碳以滲碳體形式析出, ,稱為三次滲碳體稱為三次滲碳體, ,用用Fe3CFe3C表示。由于表示。由于Fe3CFe3C數(shù)量極少數(shù)量極少, ,在一般鋼中影響不大在一般鋼中

20、影響不大, ,故可忽略。故可忽略。4 4. .鐵碳合金相圖中的相區(qū)鐵碳合金相圖中的相區(qū)鐵碳合金相圖中的主要相區(qū)見(jiàn)表鐵碳合金相圖中的主要相區(qū)見(jiàn)表1-51-5。三、鐵碳合金的分類三、鐵碳合金的分類鐵碳合金相圖上的各種合金鐵碳合金相圖上的各種合金, ,按其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和室溫平衡組按其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和室溫平衡組織的不同織的不同, ,可分為可分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵(生鐵)三類, ,見(jiàn)表見(jiàn)表1-1-6 6。四四、碳對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響、碳對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響碳是決定鋼鐵材料組織和性能最主要的元素。不同碳的質(zhì)量碳是決定鋼鐵材料組織和性能最主要的元素。不同碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金在緩冷條件下分?jǐn)?shù)的

21、鐵碳合金在緩冷條件下, ,其結(jié)晶過(guò)程及最終得到的室溫組織是其結(jié)晶過(guò)程及最終得到的室溫組織是不相同的。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與室溫平衡組織的關(guān)系見(jiàn)表不相同的。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與室溫平衡組織的關(guān)系見(jiàn)表1-61-6。鐵鐵碳合金的平衡組織由鐵素體和滲碳體兩相所構(gòu)成。其中碳合金的平衡組織由鐵素體和滲碳體兩相所構(gòu)成。其中鐵素體是鋼中的軟韌相鐵素體是鋼中的軟韌相, ,滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相。隨著鋼中碳的滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相。隨著鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加, ,平衡組織中的鐵素體量不斷減少平衡組織中的鐵素體量不斷減少, ,滲碳體量滲碳體量不斷增多不斷增多, ,因此因此, ,鋼的力學(xué)性能將發(fā)生明顯的變化。當(dāng)碳的質(zhì)量分鋼的力學(xué)性能將發(fā)生明顯的變化。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)w(C)0.9%w(C)0.9%w(C)0.9%時(shí)時(shí), ,由于由于Fe3CFe3C的的數(shù)量隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而急劇增多數(shù)量隨著碳的質(zhì)