課題二金屬的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金組織和相圖

1、鋼鐵材料鋼鐵材料鋼鋼（含碳量小于（含碳量小于2.11%的鐵碳合金）的鐵碳合金）鑄鐵鑄鐵（含碳量大于（含碳量大于2.11%的鐵碳合金）的鐵碳合金）根據(jù)含碳量的不同分為根據(jù)含碳量的不同分為鋼鐵材料的生產(chǎn)方式鋼鐵材料的生產(chǎn)方式煉鋼煉鋼煉鐵煉鐵鋼材生產(chǎn)鋼材生產(chǎn)鋼材種類鋼材種類型材型材：圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、角鋼、槽鋼、螺紋鋼等圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、角鋼、槽鋼、螺紋鋼等板材板材：中厚鋼板、薄鋼板、鋼帶和硅鋼片中厚鋼板、薄鋼板、鋼帶和硅鋼片管材管材：無縫鋼管和焊接鋼管（又稱有縫鋼管）無縫鋼管和焊接鋼管（又稱有縫鋼管）線材線材：直徑為直徑為69mm的圓鋼和直徑在的圓鋼和直徑在10mm以下的螺紋鋼以下

2、的螺紋鋼課題二課題二 金屬的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金組織和相圖金屬的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金組織和相圖 金屬材料在不同的使用場合下，所要求的力學(xué)性能、物理性金屬材料在不同的使用場合下，所要求的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能以及工藝性能各不相同。雖然都是金屬材料，不同能、化學(xué)性能以及工藝性能各不相同。雖然都是金屬材料，不同成分和不同狀態(tài)下的性能差異也非常大。造成金屬材料性能差異成分和不同狀態(tài)下的性能差異也非常大。造成金屬材料性能差異的主要原因是由于金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同。的主要原因是由于金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同。 非晶體非晶體中的質(zhì)點，是雜亂無章地堆積在一起，無規(guī)則可循。中的質(zhì)點，是雜亂無章地堆積在一起，無規(guī)則

3、可循。根據(jù)內(nèi)部原子堆積的情況根據(jù)內(nèi)部原子堆積的情況固態(tài)物質(zhì)固態(tài)物質(zhì)分類分類晶體晶體：如純鋁、純鐵、純銅等：如純鋁、純鐵、純銅等非晶體：非晶體：玻璃、瀝青、松香、石蠟等玻璃、瀝青、松香、石蠟等晶體晶體中的原子或分子，在三維空間中是按照一定的幾何規(guī)中的原子或分子，在三維空間中是按照一定的幾何規(guī)則作周期性地重復(fù)排列。則作周期性地重復(fù)排列。晶體和非晶體的晶體和非晶體的根本區(qū)別根本區(qū)別晶體具有規(guī)則的外形。晶體具有規(guī)則的外形。晶體具有固定的熔點。晶體具有固定的熔點。晶體具有各向異性。晶體具有各向異性。晶體的特點晶體的特點純鐵晶粒純鐵晶粒的內(nèi)部結(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面

4、心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 體心立方晶格 面心立方晶格密排六方晶格 BCC 結(jié)構(gòu) FCC 結(jié)構(gòu) CPH 結(jié)構(gòu) 單晶體多晶體 在理想情況下，晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，即晶體的原子是按一定幾何規(guī)律做周期性排列而成，這種晶體稱為單晶體 。 外形不規(guī)則，呈顆粒狀的小晶體稱為晶粒，每個晶粒相當(dāng)于一個單晶體，其原子排列位向是一致的，而各個晶粒的晶格位向各不相同。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界，晶界上的原子處于過渡的不規(guī)則狀態(tài)，這些由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。 晶核形成晶核形成晶核長大晶核長大純鐵結(jié)晶過程示意圖純鐵結(jié)晶過程示意圖 晶格空位晶格空位置換原子置換原子間隙原子間隙原子點缺陷是指長、

5、寬、高尺寸都很小的缺陷。點缺陷是指長、寬、高尺寸都很小的缺陷。常見的點缺陷常見的點缺陷晶體缺陷晶體缺陷刃型位錯（刃型位錯（a）螺形位錯螺形位錯 （b）線缺陷是指晶體內(nèi)沿某一條線，附近原子的排列偏離了完整晶格線缺陷是指晶體內(nèi)沿某一條線，附近原子的排列偏離了完整晶格所形成的線形缺陷區(qū)，即發(fā)生了所形成的線形缺陷區(qū)，即發(fā)生了“位錯位錯”。 常見的線缺陷常見的線缺陷面缺陷是在兩個方向的尺寸很大，第三個方向的尺寸面缺陷是在兩個方向的尺寸很大，第三個方向的尺寸很小而呈面狀的缺陷，主要指晶界和亞晶界。很小而呈面狀的缺陷，主要指晶界和亞晶界。由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或由兩種或兩種以上的

6、金屬或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì)。如黃銅是由銅和鋅組成。其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì)。如黃銅是由銅和鋅組成。 簡稱元，是指組成合金的最基本獨立物質(zhì)。組元通常是純元簡稱元，是指組成合金的最基本獨立物質(zhì)。組元通常是純元素或者穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可分素或者穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可分為二元合金、三元合金或多元合金等。為二元合金、三元合金或多元合金等。是指由兩個或兩個以上組元按照不同比例配制成一系列不是指由兩個或兩個以上組元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。同成分的合金。是指合金中具有同一的聚集狀態(tài)、同一的結(jié)構(gòu)

7、和性質(zhì)的均勻組是指合金中具有同一的聚集狀態(tài)、同一的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分。成部分。是指用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料具有獨特微觀形貌特征是指用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料具有獨特微觀形貌特征的部分。組織反映材料的相組成、相形態(tài)、大小和分布狀況，它的部分。組織反映材料的相組成、相形態(tài)、大小和分布狀況，它是決定材料最終性能的關(guān)鍵。是決定材料最終性能的關(guān)鍵。合金在熔點以上時各組元都能互相溶解，形成均勻液溶體。固態(tài)時由于各合金在熔點以上時各組元都能互相溶解，形成均勻液溶體。固態(tài)時由于各組分之間相互作用不同，可能出現(xiàn)兩種基本相：固溶體和金屬化合物。組分之間相互作用不同，可能出現(xiàn)兩種基本相：固溶體和金屬化合

8、物。固溶體固溶體金屬化合物金屬化合物置換固溶體間隙固溶體 指由合金中各組元指由合金中各組元的原子按一定比例相互的原子按一定比例相互作用而生成的一種新的作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。具有金屬特性的物質(zhì)。 機械混合物機械混合物 物質(zhì)由液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。如果凝固的固物質(zhì)由液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，結(jié)晶就是原子從不規(guī)則的排列（液態(tài)）為結(jié)晶。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，結(jié)晶就是原子從不規(guī)則的排列（液態(tài)）過渡到按照一定的幾何形狀作有秩序排

9、列（固態(tài)）的過程。過渡到按照一定的幾何形狀作有秩序排列（固態(tài)）的過程。TTn實際結(jié)晶溫度 TO理論結(jié)晶溫度 過冷度 Tm熔點 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象實際開始結(jié)晶實際開始結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象現(xiàn)象 。在金屬液體中，總是存在著一些類似晶體中原子有規(guī)則排列的小集團。在金屬液體中，總是存在著一些類似晶體中原子有規(guī)則排列的小集團。在熔點或熔點以上，這些小集團是不穩(wěn)定的，時聚時散，此起彼伏。當(dāng)在熔點或熔點以上，這些小集團是不穩(wěn)定的，時聚時散，此起彼伏。當(dāng)?shù)陀谌埸c時，這些小集團中的一部分長大至一定尺寸后，就能成為比較低于熔點時，這些小集團中的一部分長大至一定尺寸后，就能成為比較穩(wěn)定的

10、小晶體。這些小晶體作為結(jié)晶中心，稱為晶核。實際金屬液體并穩(wěn)定的小晶體。這些小晶體作為結(jié)晶中心，稱為晶核。實際金屬液體并不是很純的，其中總有一些固態(tài)雜質(zhì)存在，在結(jié)晶時，晶核大多依附在不是很純的，其中總有一些固態(tài)雜質(zhì)存在，在結(jié)晶時，晶核大多依附在這些固態(tài)雜質(zhì)表面上形成。這些固態(tài)雜質(zhì)表面上形成。 細晶強化細晶強化 同一金屬, 晶粒細小的有更高的強度、硬度、塑性和韌性。鑄造工藝中細化晶粒的方法：鑄造工藝中細化晶粒的方法： 提高冷卻速度，如用金屬模等；提高冷卻速度，如用金屬模等； 變質(zhì)處理變質(zhì)處理(加形核劑孕育處理加形核劑孕育處理)； 攪拌處理；攪拌處理； 振動處理；振動處理；定義定義：金屬在固態(tài)下，隨

11、溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的：金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。以不同晶格形式存在的同一金屬元素的晶體現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。以不同晶格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為金屬的同素異形體。稱為金屬的同素異形體。重結(jié)晶或二次結(jié)晶重結(jié)晶或二次結(jié)晶同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變會使金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變會使金屬體積發(fā)生變化，產(chǎn)生較體積發(fā)生變化，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。這是鋼熱處大內(nèi)應(yīng)力。這是鋼熱處理時產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致工件理時產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致工件變形或開裂的原因。變形或開裂的原因。 鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元的合金，它是現(xiàn)代機械工業(yè)中應(yīng)用最鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元的合金，它是現(xiàn)代機械工業(yè)

12、中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。要合理地選擇鐵碳合金，就必須熟悉鐵碳合金的成分、廣泛的金屬材料。要合理地選擇鐵碳合金，就必須熟悉鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系。組織和性能之間的關(guān)系。2.1 鐵碳合金分類鐵碳合金分類通常根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的特點，由通常根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的特點，由FeFe3C相圖中的相圖中的P點和點和E點將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼及白口鑄鐵三類。點將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼及白口鑄鐵三類。工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵是指是指P點以左的鐵碳合金（含碳量小于點以左的鐵碳合金（含碳量小于0.0218%），室溫組織為鐵素體），室溫組織為鐵素體+少量少量三次滲碳體。工業(yè)純鐵的性能特點

13、是塑性韌性好，硬度和強度較低。三次滲碳體。工業(yè)純鐵的性能特點是塑性韌性好，硬度和強度較低。鋼鋼是指高溫固態(tài)組織為單相固溶體的一類鐵碳合金，相圖中是指高溫固態(tài)組織為單相固溶體的一類鐵碳合金，相圖中P點成分與點成分與E點成分點成分之間的鐵碳合金（含碳量之間的鐵碳合金（含碳量0.0218%2.11%），具有良好的塑性，適于鍛造、軋），具有良好的塑性，適于鍛造、軋制等壓力加工，根據(jù)室溫組織的不同又分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼三種。制等壓力加工，根據(jù)室溫組織的不同又分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼三種。白口鑄鐵白口鑄鐵是指是指E點成分以右（含碳量點成分以右（含碳量2.11%6.69%）的鐵碳合金。白口鑄

14、鐵有較低的）的鐵碳合金。白口鑄鐵有較低的熔點，流動性好，便于鑄造，脆性大。根據(jù)室溫組織的不同，白口鑄鐵又分為熔點，流動性好，便于鑄造，脆性大。根據(jù)室溫組織的不同，白口鑄鐵又分為亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵三類。亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵三類。 含有質(zhì)量分數(shù)為含有質(zhì)量分數(shù)為0.10%0.20%雜質(zhì)雜質(zhì)的鐵碳合金中的鐵碳合金中，稱之為工業(yè)純，稱之為工業(yè)純鐵。工業(yè)純鐵雖然塑性、導(dǎo)磁性良好，但強度較低，不適宜制作鐵。工業(yè)純鐵雖然塑性、導(dǎo)磁性良好，但強度較低，不適宜制作機械零件。為了提高純鐵的強度、硬度，常在純鐵中加入少量碳機械零件。為了提高純鐵的強度、硬度，常在純鐵中

15、加入少量碳元素，可形成等五種基本組織。元素，可形成等五種基本組織。鐵素體、奧氏體、滲碳體、鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體珠光體、萊氏體 鐵素體：鐵素體：用用F表示表示碳溶解在碳溶解在a-Fe 形成的間隙固溶體。溶解度很小，形成的間隙固溶體。溶解度很小，鐵素體的最大固溶度鐵素體的最大固溶度0.0218% (727) 。因此，其性能與純鐵相似，即具有較好的塑性和韌性，但強。因此，其性能與純鐵相似，即具有較好的塑性和韌性，但強度和硬度較低。度和硬度較低。770 以下具有鐵磁性，以上失去鐵磁性。以下具有鐵磁性，以上失去鐵磁性。奧氏體：奧氏體：A碳溶解在碳溶解在 -Fe 中形成的間隙固溶體。溶解

16、度較強，中形成的間隙固溶體。溶解度較強，1148 溶碳量可達溶碳量可達2.11 %。強度硬度不高，沒磁性，具有較好塑性，是絕大多數(shù)鋼在高溫鍛造和軋。強度硬度不高，沒磁性，具有較好塑性，是絕大多數(shù)鋼在高溫鍛造和軋制時所需要的組織。制時所需要的組織。滲碳體：滲碳體：Fe3C鐵與碳形成的金屬化合物，含碳量鐵與碳形成的金屬化合物，含碳量6.69 %。硬度很高，但脆性大，。硬度很高，但脆性大，塑性差，伸長率和沖擊韌性幾乎為零。它是碳鋼中主要的強化相，它的數(shù)量、形塑性差，伸長率和沖擊韌性幾乎為零。它是碳鋼中主要的強化相，它的數(shù)量、形狀和分布對鋼的性能影響很大。在一定條件下可分解成石墨狀的自由碳。這一點狀和

17、分布對鋼的性能影響很大。在一定條件下可分解成石墨狀的自由碳。這一點在鑄造工藝中具有重要意義。在鑄造工藝中具有重要意義?；颈鞠嘞嘀楣怏w珠光體：P 它是它是F和和Fe3C組成的的機械混合物，平均含碳量組成的的機械混合物，平均含碳量0.77 %，存在于存在于727 以下。其性能介于鐵素體和滲碳體之間，大以下。其性能介于鐵素體和滲碳體之間，大體上是兩者性能的平均值，故珠光體的強度較高，硬度適體上是兩者性能的平均值，故珠光體的強度較高，硬度適中，具有一定塑性。中，具有一定塑性。萊氏體萊氏體：Ld或或Ld 1148 時從合金液相中同時結(jié)晶出的奧氏體和滲碳體的時從合金液相中同時結(jié)晶出的奧氏體和滲碳體的混

18、合物，用混合物，用Ld 表示。表示。727時奧氏體還將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，時奧氏體還將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫萊所以室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫萊氏體。性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。氏體。性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。注意：鐵素體、奧氏體和滲碳體都是單相組織，稱為基本相。注意：鐵素體、奧氏體和滲碳體都是單相組織，稱為基本相。珠光體和萊氏體則是由基本相混合組成的多相組織。珠光體和萊氏體則是由基本相混合組成的多相組織。碳的質(zhì)量分數(shù)對緩冷碳鋼力學(xué) 性能的影響硬度：不斷升高塑性：不斷降低韌性：不斷降低強度：先升后降表2-1 FeFe3C相圖中的特性點符號溫度（）含碳量（%）說明A15380純鐵的熔點C11484.30共晶點D12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分點G9120-Fe與-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點K7276.69Fe3C的成分點P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點Q600（室溫） 0.0057（0.0008） 600（或室溫）時碳在-Fe中的溶解