機械制造基礎 課件 1.2 鐵碳合金

第1章金屬材料及熱處理1.2鐵碳合金主要內(nèi)容及要求：

理解金屬的結晶過程熟悉純金屬和合金的晶體結構熟悉鐵碳合金相圖及應用掌握碳的質(zhì)量分數(shù)對碳鋼的組織和性能的影響1.2鐵碳合金一、純鐵及其同素異構轉(zhuǎn)變純金屬的結晶過程金屬晶粒的大小與控制純金屬的晶體結構（一）純金屬的結晶過程1.基本概念凝固：液態(tài)（L）→固態(tài)（晶體或非晶體）結晶：液態(tài)→固態(tài)晶體（只能是晶體）金屬的結晶：液態(tài)金屬→固態(tài)金屬晶體廣義理解：是指金屬從一種原子的排列狀態(tài)過渡到另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的過程。

2.冷卻曲線與過冷度

冷卻曲線：結晶時，溫度與時間的關系曲線。

實際結晶溫度：水平段所對應的溫度Tn

過冷：液態(tài)金屬在理論結晶溫度T0以下開始結晶的現(xiàn)象，稱為過冷。

過冷度

T

：指理論結晶溫度與實際結晶溫度之差，T=To–Tn

結晶的必要條件：必須有過冷度

T

V冷Tn

T

3.純金屬的結晶過程

由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成。液態(tài)金屬中存在著時聚時散的原子集團，它們規(guī)則排列形成晶胚。在To

以下一定時間后，一些大尺寸的晶胚將會長大成為晶核。晶核形成后便向各方向生長；同時，又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成和長大成為晶粒，直到晶粒相互接觸，液體完全消失，形成多晶體。即：

晶胚一定T

下晶核

長大

晶粒晶核1.晶粒大小對力學性能的影響

常溫下，晶粒越細小，金屬力學性能越好。即Rm↑

HBW↑A↑ak↑2.鑄造生產(chǎn)中，常用細化鑄件晶粒的方法

提高過冷度：如采用金屬型模代替砂模、在模外加強制冷卻、采用低溫慢速澆注等。

進行變質(zhì)處理：在澆注前向液態(tài)金屬中加入難熔固體顆粒（變質(zhì)劑），提高晶核數(shù)量，使晶粒細化。

振動、攪拌等：有機械、電磁、超聲波等方法。細晶強化：

生產(chǎn)中，通過細化晶粒來提高金屬材料強韌性的方法稱為細晶強化。（二）金屬晶粒的大小及控制（三）純金屬的晶體結構

三種典型的晶體結構類型及其特征

特征晶格類型晶胞晶胞中原子數(shù)原子半徑r與晶格常數(shù)a的關系致密度①/%典型金屬體心立方晶格268

-Fe、W、Cr、Mo面心立方晶格40.74

－Fe、Al、Cu、Pb密排六方晶格60.74Zn、Mg、Ti、Zr注：①致密度指在晶胞中原子所占的體積百分數(shù)，表示原子排列的緊密程度。

正是純鐵具有同素異構現(xiàn)象，工業(yè)生產(chǎn)中才能對鋼和鑄鐵進行熱處理強化。純鐵的同素異構轉(zhuǎn)變（四）純鐵的同素異構轉(zhuǎn)變

純鐵具有同素異構轉(zhuǎn)變；塑性好，強度和硬度極低；可與碳形成Fe3C和間隙固溶體。

1.2鐵碳合金純金屬的優(yōu)點：具有優(yōu)良的導電性、導熱性、延展性、金屬光澤等。不足之處：強度、硬度、耐磨性等力學性能都比較差，種類有限。合金：種類繁多（達數(shù)萬種），性能各異，應用更為廣泛。指通過熔煉、燒結或其它方法，將一種金屬元素與其它金屬或非金屬元素結合在一起形成的具有金屬特性的物質(zhì)。

例如：由鐵與碳形成的合金稱為鐵碳合金。合金的相結構：兩大類固溶體金屬化合物二、鐵碳合金中的基本組織固溶體：奧氏體、鐵素體金屬化合物：Fe3C機械混合物：P、Ld′1.2鐵碳合金（一）固溶體1.定義：溶質(zhì)原子溶入溶劑的晶格中形成的，成分和性能均勻并保持溶劑晶格結構的金屬晶體，稱為固溶體。2.分類：按溶質(zhì)原子的位置置換固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)結點位置間隙固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)間隙位置置換固溶體間隙固溶體固溶強化：指通過在溶劑的晶格中溶入某種溶質(zhì)原子形成固溶體，使金屬的變形抗力增加，強度和硬度提高

的現(xiàn)象。4.固溶體的形成對合金性能的影響

固溶強化3.固溶體的特征

①組成：總是以一種金屬元素為溶劑，另一種或多種元素為溶質(zhì)碳可溶入鐵的晶格中形成固溶體，鐵為溶劑，碳為溶質(zhì)②成分：可在一定范圍內(nèi)變化，性能隨成分的變化而變化③結構：與溶劑的晶格結構相同④性能：與溶劑金屬相比，強度、硬度提高，塑性、韌性無明顯降低。固溶強化是強化金屬材料的重要途徑之一。5.鐵碳合金中的固溶體

（1）鐵素體：碳溶入α-Fe的晶格中形成的間隙固溶體，用F表示，體心立方晶格結構，力學性能與純鐵接近，塑性很好，強度、硬度低。

（2）奧氏體：碳溶入γ-Fe的晶格中形成的間隙固溶體，用A表示，面心立方晶格結構塑性很好，強度、硬度略高于鐵素體。

鐵素體和奧氏體是鐵碳合金中的基本組織。（二）金屬化合物1.定義：指合金組元之間形成的，晶格類型既不同于溶劑也不同于溶質(zhì)，但仍保持金屬特性的化合物。晶體結構復雜熔點高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。2.鐵碳合金中的金屬化合物——滲碳體

在合金中，金屬化合物常作為強化相存在，提高金屬材料的強度！3.對合金性能的影響：

強度、硬度、耐磨性提高鐵碳合金中的Fe3CFe3C的晶體結構（三）機械混合物1.定義：合金中，由兩種固溶體或固溶體與金屬化合物組成的兩相混合物。2.性能：介于兩組成相之間3.鐵碳合金中的機械混合物

珠光體：是F與Fe3C組成的機械混合物，用

P表示，平均含碳量為0.77%，具有一定的強度和塑性，硬度適中。萊氏體：平均含碳量為4.3%，是白口鑄鐵中的主要組織。

727℃以上，為A和Fe3C

的機械混合物，用Ld

表示；

727℃以下，為

P和Fe3C

的機械混合物，用Ld?表示；

基體為Fe3C，力學性能與Fe3C相似，硬度高，脆性大。三、鐵碳合金相圖

Fe-Fe3C相圖分析鐵碳合金的分類鋼的分類及室溫組織碳的質(zhì)量分數(shù)對碳鋼性能的影響1.2鐵碳合金（一）Fe-Fe3C相圖分析L+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠ簡化的Fe-Fe3C相圖

特性點

P、S、E、C點特征線PSK線：A1線GS線：A3線ES線：Acm線（二）鐵碳合金的分類及室溫組織（三）含碳量對鋼的組織和性能的影響1.亞共析鋼

wC增加，P%增多，F(xiàn)%減少，強度、硬度提高，塑性、韌性降低。2.共析鋼

P%，為珠光體本身的性能。3.過共析鋼

wC≤0.9%時，wC增加，P%減少，在晶界上析出Fe3