第2章：金屬結(jié)構(gòu)和和鐵碳合金相圖

*XX學(xué)校1／共40頁《金屬材料與熱處理》電子教案主編：鄒世平劉晛暐第二章金屬的結(jié)構(gòu)和鐵碳合金相圖1金屬的結(jié)構(gòu)和鐵碳合金相圖培養(yǎng)目標(biāo)

目錄

重點(diǎn)與難點(diǎn)

小結(jié)

作業(yè)2

鐵碳合金是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。不同成分的鐵碳合金，在不同的溫度下，具有不同的組織，因而表現(xiàn)出不同的性能，為了了解鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系，必須研究鐵碳合金的結(jié)構(gòu)和相圖。培養(yǎng)目標(biāo)返回3

純金屬與合金的結(jié)構(gòu)；鐵碳合金相圖的特點(diǎn)、線、區(qū)域組織的含義；鋼的含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響。

重點(diǎn)和難點(diǎn)返回4目錄返回第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)第二節(jié)鐵碳合金相圖5返回觀察與思考第二章金屬結(jié)構(gòu)和鐵碳合金相圖6返回學(xué)習(xí)任務(wù)1、掌握純金屬與合金的結(jié)構(gòu)；2、掌握鐵碳合金相圖的特點(diǎn)、線、區(qū)域組織的含義；3、掌握鋼的含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響。第二章金屬結(jié)構(gòu)和鐵碳合金相圖7一、純金屬的結(jié)構(gòu)第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)1.金屬結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)（1）晶體與非晶體

晶體的原子按一定幾何形狀有規(guī)律的重復(fù)排列，如金屬及大多數(shù)非金屬固體。非晶體的原子是無規(guī)律地堆積在一起的，如玻璃、松香、瀝青。

8（2）晶格與晶胞晶體中的原子排列晶格晶胞第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)92.常見晶格類型（1）體心立方晶格模型晶胞晶胞原子數(shù)屬于這種晶格類型的金屬有а鐵（а-Fe）、鉻（Cr）、鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）等。第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)10（2）面心立方體晶格屬于這種晶格類型的金屬有鋁（Al）、銅（Cu）、鎳（Ni）、金（Au）、銀（Ag）、γ鐵（γ-Fe）等。模型晶胞晶胞原子數(shù)第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)11（3）密排六方晶格屬于這類晶格類型的金屬有鎂（Mg）、鋅（Zn）、鈹（Be）、α鈦（α-Ti）等。模型晶胞晶胞原子數(shù)第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)123.合金的結(jié)構(gòu)（1）合金的基本概念合金由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬與非金屬元素）組成的，具有金屬特性的新物質(zhì)。組元組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)稱為（簡稱元）。相金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分稱為相。在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相組成的。組織用顯微鏡觀察到的材料的內(nèi)部形狀。第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)13（2）合金的相結(jié)構(gòu)固溶體溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相。溶質(zhì)原子溶入溶劑中引起固溶體晶格發(fā)生畸變，使合金強(qiáng)度、硬度提高，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高金屬力學(xué)性能的重要途徑之一。置換固溶體間隙固溶體第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)14Fe3C的結(jié)構(gòu)金屬化合物合金組元之間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的一種相。當(dāng)金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體的基本體上，將顯著提高合金硬度、強(qiáng)度和耐磨性，這種現(xiàn)象稱為“彌散強(qiáng)化”。第一節(jié)金屬的結(jié)構(gòu)15

第二節(jié)鐵碳合金相圖一、鐵碳合金的基本相1.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同一種元素在不同的溫度下，具有不同的晶格類型。如鐵、鈷、錫、鈦等。

16純鐵的冷卻曲線鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變具有十分重要的意義，由于純鐵具有這種同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，因而才有可能對(duì)鋼鐵進(jìn)行各種熱處理、熱加工，以改變其組織和性能。第二節(jié)鐵碳合金相圖172.鐵碳合金的基本相鐵素體的顯微組織示意圖碳溶入α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體。用符號(hào)F表示，鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格。

（1）鐵素體鐵素體的性能和純鐵相似，即強(qiáng)度、硬度低，但具有良好塑性和韌性。第二節(jié)鐵碳合金相圖18奧氏體顯微組織示意圖碳溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體。用符號(hào)A表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。（2）奧氏體奧氏體的強(qiáng)度、硬度不高，但塑性和韌性好。第二節(jié)鐵碳合金相圖19Fe3C的結(jié)構(gòu)滲碳體是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜斜方晶格的金屬化合物。用化學(xué)式Fe3C表示。（3）滲碳體滲碳體硬度很高，脆性很大，塑性極差。第二節(jié)鐵碳合金相圖20二、鐵碳合金相圖

Fe-Fe3C相圖第二節(jié)鐵碳合金相圖21

1.Fe-Fe3C相圖分析(1)Fe-Fe3C相圖的特性點(diǎn)

第二節(jié)鐵碳合金相圖22（2）Fe-Fe3C相圖的特性線第二節(jié)鐵碳合金相圖23

（3）相區(qū)單相區(qū)：Fe-Fe3C相圖中有F、L、A和Fe3C四個(gè)單相區(qū)。兩相區(qū)：有五個(gè)兩相區(qū)，即L+A，L+Fe3CⅠ、A-Fe3CⅡ、A+F和F+Fe3CⅢ兩相區(qū)第二節(jié)鐵碳合金相圖24

2.典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織（1）鐵碳合金的分類根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織的不同，可將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼及白口鑄鐵三類。

①工業(yè)純鐵Wc≤0.0218%，顯微組織為鐵素體②鋼，0.0218%＜Wc＜2.11%。按室溫組織不同，又分為以下三種：a.共析鋼，Wc＝0.77%，組織為珠光體；b.亞共析鋼，0.0218%＜Wc＜0.77%，組織為珠光體+鐵素體；c.過共析鋼，0.77%＜Wc＜2.11%，組織為珠光體+二次滲碳體；第二節(jié)鐵碳合金相圖25

③白口鑄鐵2.11%＜Wc＜6.69%范圍的鐵碳合金。按室溫組織不同，又分為以下三種：a.共晶白口鑄鐵，Wc＝4.3%，組織為低溫萊氏體（Ld′）；b.亞共晶白口鑄鐵，2.11%＜Wc＜4.3%，組織為珠光體+二次滲碳體+低溫萊氏體；c.過共晶白口鑄鐵，4.3%＜Wc＜6.69%,組織為低溫萊氏體+一次滲碳體。第二節(jié)鐵碳合金相圖26（2）典型鐵碳合金的冷卻過程①共析鋼冷卻過程第二節(jié)鐵碳合金相圖27

合金Ⅰ在1點(diǎn)溫度以上全部為液體（L）。當(dāng)冷至1點(diǎn)溫度時(shí)，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體；奧氏體的量隨溫度的降低而增多。冷至2點(diǎn)溫度時(shí)，液體全部結(jié)晶為奧氏體。2—3點(diǎn)溫度范圍內(nèi)為單相奧氏體。當(dāng)冷至3點(diǎn)溫度（727℃）時(shí)，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體。即由奧氏體中同時(shí)析出鐵素體和滲碳體。珠光體用符號(hào)P表示，As

P（FP+Fe3C）

第二節(jié)鐵碳合金相圖28

放大倍數(shù)較低放大倍數(shù)較高第二節(jié)鐵碳合金相圖29

共析鋼室溫組織為珠光體，力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，即強(qiáng)度較高，適中，有一定塑性。珠光體顯微組織一般為層片狀，當(dāng)放大倍數(shù)較低時(shí)，只能看到白色基體和黑色線條狀的滲碳體，當(dāng)放大倍數(shù)較高時(shí)，可清楚看到滲碳體是有黑色邊緣圍繞著的白色條狀。第二節(jié)鐵碳合金相圖30

②亞共析鋼的冷卻過程第二節(jié)鐵碳合金相圖31

合金Ⅱ在3點(diǎn)以上的冷卻過程與合金Ⅰ在3點(diǎn)以上的冷卻過程相似。當(dāng)合金冷至3點(diǎn)時(shí)，從奧氏體中開始析出鐵素體。溫度繼續(xù)降低，鐵素體量不斷增多，而奧氏體量逐漸減少。3-4點(diǎn)間組織為奧氏體和鐵素體。溫度降至4點(diǎn)時(shí)，剩余奧氏體中含碳量達(dá)到共析成分（Wc=0.77%）,發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。溫度降至4點(diǎn)以下，鐵素體和珠光體幾乎不變，因此Wc＝0.45%亞共析鋼的組織為鐵素體和珠光體。第二節(jié)鐵碳合金相圖32

20鋼45鋼60鋼亞共析鋼顯微組織第二節(jié)鐵碳合金相圖33

③過共析鋼的冷卻過程第二節(jié)鐵碳合金相圖34

合金Ⅲ在3點(diǎn)以上的冷卻過程與合金Ⅰ在3點(diǎn)以上的冷卻過程相似。冷至3點(diǎn)時(shí)，開始從奧氏體中析出Fe3CⅡ，呈網(wǎng)狀沿奧氏體晶界分布。溫度繼續(xù)下降，F(xiàn)e3CⅡ量逐漸增加，冷至4點(diǎn)時(shí)，剩余奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。4點(diǎn)以下的組織不再發(fā)生變化。因此室溫的共析鋼的組織為P+Fe3CⅡ。凡是過共析鋼，緩冷后室溫組織是P+Fe3CⅡ，只是鋼的含碳量越高，珠光體越少；而二次滲碳體量越多。第二節(jié)鐵碳合金相圖35

過共析鋼的顯微組織第二節(jié)鐵碳合金相圖36

④共晶白口鑄鐵的冷卻過程第二節(jié)鐵碳合金相圖37當(dāng)液態(tài)合金冷至1148℃（1點(diǎn)）時(shí)，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成萊氏體，用符號(hào)Ld表示。萊氏體由共晶奧氏體和共晶滲碳體組成。Lc

→

Ld(AE+Fe3C)

由1點(diǎn)溫度繼續(xù)冷卻，萊氏體中的奧氏體將不斷析出二次滲碳體。當(dāng)溫度降至727℃（2點(diǎn)）時(shí)，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而生成珠光體，。第二節(jié)鐵碳合金相圖38

共晶白口鑄鐵室溫下的組織是由珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體組成，這種組織稱為低溫萊氏體，用符號(hào)Ld′表示，低溫萊氏體仍舊保持了共晶轉(zhuǎn)變的特性。亞共晶白口鑄鐵室溫下的組織為珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體構(gòu)成。過共晶白口鑄鐵室溫下的組織由一次滲碳體和低溫萊氏體構(gòu)成。第二節(jié)鐵碳合金相圖39

3.含碳量與鐵碳合金組織及性能關(guān)系（1）鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系第二節(jié)鐵碳合金相圖40

（2）鐵碳合金含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系如圖所示，當(dāng)Wc＜0.9%時(shí)，隨著Wc的增加，合金的強(qiáng)度、硬度呈直線上升，塑性不斷下降，這是由于合金組織中滲碳體的相對(duì)增多、鐵素體相對(duì)量減少所致；當(dāng)Wc＞0.9%時(shí)，由于沿晶界形成的二次滲碳體網(wǎng)趨于完整，故強(qiáng)度開始明顯下降，但硬度仍在增加，塑性和韌性繼續(xù)降低。第二節(jié)鐵碳合金相圖41

為保證工業(yè)用的碳鋼具有足夠的強(qiáng)度、一定的塑性和韌性，一般鋼的Wc＜1.3%。Wc＞2.11%的白口鑄鐵，由于組織中有多的滲碳體，性能硬而脆，難以切削加工，故機(jī)械工程上很少直接應(yīng)用。第二節(jié)鐵碳合金相圖42金屬的常見晶格類型主要有三種：體心立晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。合金的基本相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。鐵是我們最常用的金屬之一，并且在不同的溫度表現(xiàn)同素異構(gòu)的特性。通過鐵碳合金相圖對(duì)我們研究鐵碳合金的成分、溫度和組織之間的關(guān)系，利用鐵碳合金相圖制定各種熱加工及熱處