機(jī)械制造基礎(chǔ) 1-2

第一篇金屬材料導(dǎo)論第二章鐵碳合金05二月20232.1純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

液體晶體晶體：

原子排列是有序的，原子在三維空間做規(guī)則的、周期性的、重復(fù)排列。有一定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，性能趨向各向異性液態(tài)金屬:

原子排列雜亂無章呈無序狀態(tài)。金屬的結(jié)晶1金屬的這種由液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的現(xiàn)象叫做結(jié)晶。05二月2023結(jié)晶凝固過程可分為兩個(gè)階段：即晶核（結(jié)晶中心）的形成和晶核的成長。晶核的形成過程中一些原子自發(fā)地聚集在一起，稱自發(fā)晶核；液態(tài)金屬中一些外來的微細(xì)固態(tài)質(zhì)點(diǎn)也可形成晶核，稱作外來晶核。金屬的結(jié)晶205二月2023結(jié)晶主要是在晶體的生長線速度最大的方向上發(fā)展，這樣就形成晶軸，并逐漸成長為樹枝狀晶體。當(dāng)全部長大的晶體互相抵觸時(shí)，液態(tài)金屬即已耗盡，結(jié)晶過程宣告完成。每個(gè)晶核長成的晶體又叫晶粒，晶粒之間的接觸面叫做晶界。金屬的結(jié)晶305二月2023液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度以下才開始結(jié)晶的現(xiàn)象，叫做過冷

金屬的結(jié)晶溫度℃時(shí)間s理論結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度過冷度4過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度↑，過冷度↑。過冷度↑↓↓晶核數(shù)量↑，結(jié)晶時(shí)間↓↓↓晶粒越細(xì)?。?5二月2023晶粒的粗細(xì)對(duì)于金屬的機(jī)械性能影響很大。晶粒愈細(xì)，機(jī)械性能愈好。細(xì)晶強(qiáng)化的方法：——↑過冷度（中、小型零件）——變質(zhì)處理↑形核率——震動(dòng)、攪拌結(jié)晶——熱處理和壓力加工的方法使固態(tài)金屬的粗大晶粒得以細(xì)化。細(xì)晶強(qiáng)化?金屬型or砂型505二月2023金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子排列的情況如圖所示。把每個(gè)原子看成一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)代表原子的振動(dòng)中心。把這些點(diǎn)用直線連接起來，便形成一個(gè)空間方格，稱作晶格。晶格中每個(gè)點(diǎn)叫做結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)代表原子在晶體中的平衡位置。605二月2023晶格的最小單元叫做晶胞，它代表整個(gè)晶格的原子排列規(guī)律。晶胞中各棱邊的長度叫做晶格常數(shù)，其大小以(10-10m)來度量。最常見和最典型的晶格類型有以下三種。金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格7ɑ-Fe、V、Cr、b-Tig-Fe、Al、Cu、AuMg、Zn、ɑ-Ti1394℃1538℃10006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe05二月20238有些金屬（如鐵．錫．鈦．錳等）的晶格類型，因溫度而異。一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質(zhì)，叫做同素異構(gòu)性。金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變05二月20231394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe物理現(xiàn)象：放熱現(xiàn)象——等溫轉(zhuǎn)變。有體積變化——面心立方晶格中鐵原子排列比較緊密，密度增大。9金屬在固態(tài)時(shí)改變其晶格類型的過程叫金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。一定溫度下，固態(tài)晶格類型發(fā)生轉(zhuǎn)變——重結(jié)晶/再結(jié)晶重結(jié)晶具備這樣的特點(diǎn)（1）需要較大的過冷度重結(jié)晶的過程遵循結(jié)晶規(guī)律：有一定的轉(zhuǎn)變溫度——過冷、有潛熱發(fā)生。轉(zhuǎn)變過程也是由晶核的形成和晶核的長大完成的。但由于同素異晶轉(zhuǎn)變在固態(tài)下進(jìn)行，原子擴(kuò)散↓，△T↑（2）產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力

晶格轉(zhuǎn)變→V變化→內(nèi)應(yīng)力。如g-Fe轉(zhuǎn)變a-Fe，V↑1%，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致工件的變形和開裂。05二月202310思考題：

一塊純鐵，由911℃緩慢加熱到913℃，鐵的體積會(huì)如何變化？05二月202311碳的同素異構(gòu)現(xiàn)象：金剛石——石墨——碳納米管05二月202312針狀兼具金屬和半導(dǎo)體性強(qiáng)度為鋼的100倍比重僅為鋼的1/6第二節(jié)鐵碳合金的基本組織基本概念：1.組元：組成合金的最基本單元。通常是指組成該合金的元素或某些化合物。（黃銅）2.相：凡是化學(xué)成分相同、晶格結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。4.在顯微鏡下能觀察到的金屬和合金的微觀形貌、圖象稱為組織，合金又可分為不同的組織。05二月202313鐵碳合金的基本組織可分為固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物三種類型。固溶體：α（或F）、γ（或A）金屬化合物：Fe3C機(jī)械混合物：P、Ld05二月202314一、固溶體（SolidSolution）某些合金的組元在固態(tài)時(shí)，具有一定的互相溶解能力。溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中，而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體，稱固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體兩類。

05二月202315間隙固溶體和置換固溶體鐵碳合金中的固溶體都是碳溶解到鐵的晶格中的間隙固溶體

間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的間隙位置。固溶體

置換固溶體：溶質(zhì)原子置換溶劑在晶格結(jié)點(diǎn)上的原子。

05二月202316“固溶強(qiáng)化”通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的產(chǎn)生是由于溶質(zhì)原子溶入后，引起溶劑金屬的晶格產(chǎn)生畸變，進(jìn)而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到阻力增大的緣故。因此固溶強(qiáng)化是材料的一種主要的強(qiáng)化途徑。05二月202317固溶體的性能當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時(shí)，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變。其一般情況下，強(qiáng)度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。05二月202318鐵素體：碳溶解在α-Fe中的間隙固溶體（F）。C在F中的溶解能力小，最大溶解度在727℃，為0.0218%，T↓，其溶解度↓室溫時(shí)溶解度為0.006%。力學(xué)性能及物理、化學(xué)性能與純鐵相近，塑性好、韌性好（δ=45-50%），強(qiáng)度、硬度低（sb=250MPa、80HBS）。在770℃以下有磁性，超過這個(gè)溫度，磁性消失。05二月202319奧氏體：碳溶解在γ-Fe中的間隙固溶體（A）。奧氏體的碳溶解能力比F大，在1148℃時(shí)，最大溶解度為2.11%，隨T↓，溶解度↓，727℃時(shí)，為0.77%。奧氏體的強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性高——鋼的鍛造（奧氏體溫度）。05二月202320二、金屬化合物（Compound）合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質(zhì)，稱為金屬化合物。鐵碳合金中的滲碳體（Fe3C）屬金屬化合物，是復(fù)雜晶格的鐵與碳的間隙化合物，每個(gè)晶胞中有一個(gè)碳原子和三個(gè)鐵原子。含碳量為6.69%硬度很高800HB，塑性、韌性幾乎為零，脆而硬。Fe3C在鋼和鑄鐵中呈片狀、網(wǎng)狀或球狀。是鋼中重要的硬化相。滲碳體是亞穩(wěn)定化合物，一定條件下分解。05二月202321滲碳體組織金相圖05二月202322Fe3CPFe3C三、機(jī)械混合物（SolidMixture）定義：兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組成的物質(zhì)。混合物各相保持其原有晶格。混合物的性能：取決于各組成相的性能，以及它們分布的形態(tài)、數(shù)量及大小。F（體心）+Fe3C（復(fù)雜）——P（體心+復(fù)雜）鐵碳合金中的機(jī)械混合物有珠光體和萊氏體。05二月202323珠光體：A發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的F與Fe3C的混合物－共析體（P），含碳量為0.77%綜合性能↑。萊氏體：液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的A與Fe3C的混合物－共晶體（Ld）。含碳量為4.3%，硬度高，塑性差。05二月202324Fe3CFe-C合金狀態(tài)圖低碳鋼中碳鋼高碳鋼有的鐵只能做工業(yè)原料？相圖——表示合金系在平衡條件下，合金的狀態(tài)與成分、溫度之間關(guān)系的圖形。平衡——合金在相變過程中，原子能充分?jǐn)U散，各相的成分相對(duì)質(zhì)量保持穩(wěn)定，不隨時(shí)間改變的狀態(tài)。利用相圖可以表示不同成分的合金、在不同溫度下，由哪些相組成、相的成分和相的相對(duì)量如何，以及合金在加熱或冷卻過程中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變。鐵碳合金狀態(tài)圖05二月202326一、二元相圖的建立幾乎所有的相圖都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。05二月202327舉例配制幾組成分不同的Cu-Ni合金；分別將它們?nèi)刍缓髽O緩慢冷卻，同時(shí)測定其從液態(tài)到室溫的冷卻曲線；找出各冷卻曲線上開始結(jié)晶的溫度點(diǎn)TNi、1、2、3、4、TCu及結(jié)晶終了的溫度點(diǎn)（稱為臨界點(diǎn)），TNi、1，、2

，

、3

，

、4

，

、TCu將各臨界點(diǎn)坐標(biāo)在以溫度為縱坐標(biāo)，以成分為橫坐標(biāo)，并將意義相同的臨界點(diǎn)連接起來——得到Cu-Ni合金相圖。05二月20232805二月202329C％℃912℃727℃0.77％2.11％SG1148℃0.4%1.2％E1.6％tt℃℃0%0.4%0.77%1.2％1.6％790℃880℃1000℃AusteniteFerrite+AusteniteFerrite+PearlitePearlite+Fe3CⅡAustenite+Fe3CⅡPearlite05二月202331鐵碳合金狀態(tài)圖繪制原理311538℃912℃727℃C％0.77％2.11％4.3％6.69％SEF+PP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡAustenite+Fe3CⅡ+LedeburiteLd+Fe3CⅠLdA+LL+Fe3CⅠCADFKLGP1148℃Q1495℃1394℃0.0218%1227℃LFA1200℃1.0％1000℃3.0％F+Fe3CⅢ05二月202332主要特性點(diǎn)的含義

(PropertyPoints)05二月2023特性點(diǎn) 溫度℃ 含碳量％ 含義A 1538 0 純鐵熔點(diǎn)(meltingpoint)C 1148 4.30 共晶點(diǎn)(eutecticpoint)D 1227 6.69 滲碳體的熔點(diǎn)(meltingpoint)E 1148 2.11 C在γ鐵中的最大溶解度(solubility)F 1148 6.69 滲碳體的成分(composition)G 912 0 α鐵γ鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(allotropicpoint)K 727 6.69 滲碳體的成分(composition)P 727 0.0218 C在α鐵中的最大溶解度(solubility)S 727 0.77 共析點(diǎn)(eutectoidpoint)Q6000.006600℃時(shí)，C在α鐵中的最大溶解度特征線段及區(qū)域33主要線段的含義T始晶連線ACD——液相線，即液態(tài)合金冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶。T全晶連線AECF線——固相線，此線以下的合金為固體狀態(tài)。ECF線——生鐵的固相線，又叫共晶線。T始轉(zhuǎn)連線GSE線GS線(析鐵線)——習(xí)慣用A3來表示，開始析出鐵素體。ES線(析碳線)——用Acm表示，開始析出滲碳體。T全轉(zhuǎn)PSK線——又叫共析線，用A1來表示，共析反應(yīng)析出珠光體。05二月2023特征線段及區(qū)域3405二月2023主要區(qū)域的含義ACDA區(qū)——液相區(qū)，又稱L區(qū)，其中全部為金屬液體。AESGA區(qū)——奧氏體區(qū)，又稱A區(qū)，此區(qū)組織全部為奧氏體。GPQG區(qū)——鐵素體區(qū)，又稱F區(qū)，此區(qū)組織全部為鐵素體。DFKL區(qū)——滲碳體區(qū)，又稱Fe3C區(qū)，此區(qū)組織全部為滲碳體。液體L、鐵素體F、奧氏體A和滲碳體Fe3C是鐵碳合金的基本組織，或者說是基本晶體結(jié)構(gòu)，即基本相，其他各區(qū)組織都由這些基本相按不同比例混合而成。特征線段及區(qū)域351538℃912℃727℃F+PP+Fe3CⅡLFP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdAA+LL+Fe3CⅠCADFK1148℃QGPSEA特征線、域及點(diǎn)Features1538℃912℃727℃0.77％2.11％4.3％6.69％1148℃0.0218%360SEF+PP+Fe3CⅡLiquidP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdA+LL+Fe3CⅠAGPA3Acm固相線Solidus液相線Liquidus共晶線Eutectic液相線Liquidus固相線Solidus共析線A1EutectoidQ1538℃912℃727℃1148℃C37AFFerriteAusteniteCementite基本相BasicPhase0.77％2.11％4.3％6.69％0.0218%370DFKC%Fe3CLLd(A+Fe3C)1148℃T/℃F+PP+Fe3CⅡLFP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdAA+LL+Fe3CⅠCAQGPSEA結(jié)晶過程中的組織轉(zhuǎn)變PhaseChangeinCrystallization1538℃912℃727℃1148℃38DFK0.77％2.11％4.3％6.69％0.0218%039共析