第二章鐵碳相圖合金

第二章鐵碳合金第一節(jié)純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變一.金屬的結(jié)晶二.純鐵的晶體結(jié)構(gòu)三.純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變（一）金屬結(jié)晶的基本概念（二）金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象（三）純金屬的結(jié)晶（四）金屬晶粒的大小與控制一.金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結(jié)晶。物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變。因而結(jié)晶過程是相變過程。玻璃制品水晶（一）金屬結(jié)晶的基本概念（二）冷卻曲線與過冷現(xiàn)象1、冷卻曲線金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度Tn。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱引起的.

純金屬的冷卻曲線mn2、過冷與過冷度純金屬都有一個理論結(jié)晶溫度Tm(熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下,液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在Tm以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。霧凇液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差T稱過冷度T=Tm–Tn過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。TmTnΔT液體和晶體自由能隨溫度變化自由能與溫度的關(guān)系曲線金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件1、結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成.液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時聚時散，稱為晶坯。在Tm以下,經(jīng)一段時間后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。晶核半徑與ΔG關(guān)系（三）純金屬的結(jié)晶晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即自發(fā)形核（均勻形核）和非自發(fā)形核（非均勻形核）。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。（四）金屬晶粒的大小與控制細(xì)晶強(qiáng)化：晶體中晶粒的大小，對金屬性能有很大的影響。晶體越細(xì)，金屬的強(qiáng)度、硬度、韌性等機(jī)械性能越好。由凝固理論可知，單位體積晶粒數(shù)決定于形核率N和長大速度V兩個因素。因此控制形核率和形核速度也就控制了晶粒的大小?！轟晶粒大小的控制方法：

（1）增加過冷度；（2）變質(zhì)處理；（3）振動、攪拌二.純鐵的晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。結(jié)構(gòu):物質(zhì)內(nèi)部原子在空間的分布及排列規(guī)律。（一）晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)（二)、晶體結(jié)構(gòu)⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣。1、基本概念⑵晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。⑷晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3

c，==90，=120立方六方四方菱方正交單斜三斜⑶晶格常數(shù)：晶胞個邊的尺寸

a、b、c。各棱間的夾角用、、表示。(6)原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。(7)晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。(8)配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。(9)致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。(5)晶格尺寸：晶格常數(shù)2、典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。⑴

體心立方晶格體心立方晶格的參數(shù)體心立方晶格原子個數(shù)：2配位數(shù)：8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：⑵面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的參數(shù)

a42r=：原子半徑原子個數(shù)：4配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格⑶密排六方晶格密排六方晶格的參數(shù)a21r=：原子半徑原子個數(shù)：6配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長a和高c，c/a=1.633密排六方晶格3、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。屬于相變之一，即固態(tài)相變。第二節(jié)鐵碳合金的基本組織合金是指在金屬中加入一種或幾種元素后，熔合而成為具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu兩相合金黃銅所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。單相合金兩相合金一、

固溶體

合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相稱固溶體。習(xí)慣以、、表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。黃銅置換固溶體組織（1）置換固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無序固溶體。（2）間隙固溶體固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對位錯的釘扎作用。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的Fe3C當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。二、化合物①正常價化合物—符合正常原子價規(guī)律。如Mg2Si②電子化合物—符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。電子濃度為價電子數(shù)與原子數(shù)的比值。③間隙化合物—由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基軸承合金中的電子化合物a.間隙相：r非/r金0.59時形成的具有簡單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)間隙相具有金屬特征和極高的硬度及熔點(diǎn)，非常穩(wěn)定。部分碳化物和所有氮化物屬于間隙相。VC的結(jié)構(gòu)b.具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)r非/r金>0.59時形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C稱滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物為基的固溶體。Fe3C的晶格高溫合金中的Cr23C6第三節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量為0.0218%~2.11%的稱鋼，含碳量為2.11%~6.69%的稱鑄鐵。研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具。制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù)鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，合金太脆，已無實(shí)用價值。實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。一、鐵碳合金的組元和相結(jié)構(gòu)組元：Fe、Fe3C

鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe1.相結(jié)構(gòu)(1)工業(yè)純鐵-Fe、-Fe為體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)，-Fe為面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)。都是鐵的同素異構(gòu)體。-Fe-Fe碳在δ-Fe中的固溶體稱δ-鐵素體，用δ表示。都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體(2)鐵素體：碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體,用F

或

表示。

(3)奧氏體:碳在

-Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強(qiáng)度低、塑性好，鋼材熱加工都在區(qū)進(jìn)行.碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體(4)滲碳體：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強(qiáng)度低(b35MPa),脆性大,塑性幾乎為零Fe3C是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),該反應(yīng)對鑄鐵有重要意義。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體二、鐵碳合金相圖的分析⒈特征點(diǎn)?????LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

⑶三個三相區(qū)：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三條水平線。2.相區(qū)⑴五個單相區(qū)：

L、、、、Fe3C⑵七個兩相區(qū):L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C3.特征線⑴液相線—ABCD，固相線—AHJECFD⑵三條水平線：HJB：包晶線LB+δH?J

ECF：共晶線LC?E+Fe3C共晶產(chǎn)物是與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作萊氏體,用Ld表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體PSK：共析線

S?FP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。⑶其它相線GS,GP—

?

固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3線。HN,JN—δ?

固溶體轉(zhuǎn)變線，ES—碳在

-Fe中的固溶線。又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。三、典型合金的平衡結(jié)晶過程⑵鋼(0.0218~2.11%C)高溫組織為單相

①亞共析鋼

(0.0218~0.77%C)②共析鋼(0.77%C)③過共析鋼

(0.77~2.11%C)鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：⑴工業(yè)純鐵(<0.0218%C)組織為單相鐵素體。亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵⑶白口鑄鐵

(2.11~6.69%C)

鑄造性能好,硬而脆①亞共晶白口鑄鐵

(2.11~4.3%C)②共晶白口鑄鐵(4.3%C)③過共晶白口鑄鐵

(4.3~6.69%C)㈡共析鋼的結(jié)晶過程合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)椤５絊點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

S?P+Fe3C,

全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。共析鋼的結(jié)晶過程㈢亞共析鋼的結(jié)晶過程0.09~0.53%C亞共析鋼冷卻時發(fā)生包晶反應(yīng).以0.45%C的鋼為例合金在4點(diǎn)以前通過勻晶—包晶—勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)?。?點(diǎn)，由中析出

。到5點(diǎn),成分沿GS線變到S點(diǎn)，

發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，

中析出Fe3CⅢ，由于與共析Fe3C結(jié)合,且量少,忽略不計.亞共析鋼的結(jié)晶過程㈣過共析鋼的結(jié)晶過程合金在1~2點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

,到3點(diǎn),開始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱二次滲碳體,用Fe3CⅡ表示,其沿