金屬工藝學(xué)第二章

第二章鐵碳合金第一篇金屬材料的主要性能一、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及其同素異晶結(jié)構(gòu)金屬在固態(tài)下一般都是晶體。1、金屬的結(jié)晶金屬的冷卻曲線過冷概念：結(jié)晶基本規(guī)律：晶核不斷的形成和長大同時進行（晶核有自發(fā)晶核、外來晶核）形成晶核晶粒長大直至相互接觸為止。由于先后不同，晶粒大小也不同。結(jié)晶過程：金屬晶粒的粗細對力學(xué)性能影響:同一成分的金屬晶粒越細，其強度越高，硬度也越高，塑性韌性也越好。晶核越多，晶粒越細。細化鑄態(tài)晶粒的主要途徑：1.加快冷卻速度，以增加晶核；2.變質(zhì)處理，以增加外來晶核;3.用熱處理細化晶粒;4.用壓力加工（塑性加工）方法細化鑄態(tài)金屬的晶粒。2、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)純鐵的晶格有體心立方和面心立方兩種1.體心立方晶格例：Gr、Mo、W、α-Fe2.面心立方晶格例：Cu、Al、Ag、Au、γ-Fe

兩種晶格金屬力學(xué)指標不同，體心立方金屬強度較好，面心立方晶格金屬塑性較好。

3、純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)現(xiàn)象）同素異晶轉(zhuǎn)變—隨著溫度的改變，固態(tài)金屬晶格也隨之改變的現(xiàn)象。Ex：純鐵在1394℃和912℃發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。同素異晶轉(zhuǎn)變時，原子的排列密度、體積也隨之改變，這種改變使金屬內(nèi)部產(chǎn)生組織應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力）。★材料能同素異晶轉(zhuǎn)變，是進行熱處理條件之一.二、鐵碳合金的基本組織合金—兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬和非金屬元素熔合在一起，構(gòu)成具有金屬特性的物質(zhì)。

現(xiàn)實工程中大量使用合金的原因：

合金比純金屬強度、硬度高，且成本低。

改變合金的成分或進行熱處理,可調(diào)節(jié)材料性能。組元—組成合金的元素，稱為組元。（合金中的穩(wěn)定化合物也可作組元，例如Fe3C）相—在合金中，凡化學(xué)成分和晶格構(gòu)造相同、并與其它部分有界面分開的均勻組成部分，稱為相。

例如：鋼液是液相。組織—不同的相的體態(tài)特征稱為組織。鐵碳合金組織（3類）：固溶體，金屬化合物，和機械混合物（一）固溶體（鐵素體F、奧氏體A）固溶體—兩種或兩種以上的組元互相溶解，溶質(zhì)的原子進入溶劑晶格，仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體，稱為固溶體。又分置換固溶體和間隙固溶體。固溶體組織可通過固溶強化提高性能。1.鐵素體F碳溶解于α—Fe中形成的固溶體，呈體心立方晶格。特點：鐵素體溶碳量少，固溶強化作用甚微；強度低；硬度低；塑性、韌性好。鐵素體金相圖片

鐵素體晶粒多為明亮的多邊形晶粒，晶界較曲折。

2.奧氏體A碳溶入γ-Fe（912℃

-1394℃）中形成的固溶體，呈面心立方晶格。特點：高溫組織；強度不高，硬度不高；塑性優(yōu)良。例如：鍛造和軋制時為有利于塑性變形，通常將鋼加熱到高溫，使之呈奧氏體狀態(tài)有利于塑性變形。多邊形晶粒，晶界較鐵素體晶界平直，存有雙晶帶。

（二）化合物（代表產(chǎn)物滲碳體Fe3C）

金屬化合物—各組元按一定的整數(shù)比結(jié)合而成、并具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，它是單相組織。化合物性能特征：硬而脆

例如：滲碳體Fe3C

滲碳體（Fe3C）特點：硬度極高，高達800HBS，可以劃玻璃；塑性韌性極低，伸長率和沖擊韌性近于零；在鋼中的滲碳體數(shù)量、形態(tài)、分布對鋼的性能影響很大；滲碳體在一定條件下可發(fā)生分解：（用于灰鑄鐵可鍛化退火）Fe3C→3Fe+C石墨(三)、機械混合物（代表產(chǎn)物珠光體P、萊氏體Ld、Ld′）機械混合物——各組元按一定比例混合而形成的兩相組織，例如可以是純金屬、固溶體、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格。性能：性能介于各組成相性能之間，與各組成相的形狀、大小、和分布有關(guān)。例如：鐵碳合金中的機械混合物有珠光體P和萊氏體Ld、Ld′

。1.珠光體P或（F+Fe3C）

鐵素體和滲碳體組成的機械混合物特征：珠光體的含碳量為0.77%力學(xué)性能：

σb≈750MPa；HB=180HBSδ=20%～25%、aK=30～40J/cm2層片狀，其中白色基體為鐵素體,黑色層片為滲碳體。二、鐵碳合金狀態(tài)圖

鐵碳合金狀態(tài)圖：是表明平衡狀態(tài)下含碳不大于6.69%的鐵碳合金的成分,溫度與組織之間關(guān)系.鐵碳合金狀態(tài)圖實際為Fe-Fe3C的狀態(tài)圖.（含C>6.69%在工業(yè)上無實際意義,而含C=6.69%時,Fe與C形成Fe3C,故可看成一個組元)（一）鐵碳合金狀態(tài)圖的分析鐵碳合金狀態(tài)圖中點的意義A:純鐵熔點含碳:0%

1538℃C:共晶點

4.3%

1148℃D:Fe3C熔點

6.69%

1227℃E:碳在A體中最大溶解度2.11%

1148℃F:

Fe3C成分點

6.69%

1148℃G:α-Fe與γ-Fe轉(zhuǎn)變點

0%

912℃S:共析點

0.77%727℃P:碳在α-Fe中最大溶解度

0.02%727℃Q:碳在α-Fe中溶解度

0.0008%

600℃

鐵碳合金狀態(tài)圖中線的意義

1)

ACD:液相線,液體冷卻到此線開始結(jié)晶.2)

AECF:固相線此線以下合金為固態(tài)3)

ECF:共晶線，生鐵固相線,液體轉(zhuǎn)變?yōu)長d體4)

AE:鋼的固相線,液態(tài)到此線轉(zhuǎn)變?yōu)锳體5)

GS（A3線）A體到此線開始析出F體6)

ES（Acm線）A體到此線開始析出Fe3CⅡ體7)

PSK（A1）共析線.A體同時析出P(F+Fe3C)體鋼鐵分類

1工業(yè)純鐵:含C<0.0218%

組織:F

2鋼:含碳:0.0218%~2.11%共析鋼

含C=0.77%

組織:P亞共析鋼

含C<0.77%

組織:P+F過共析鋼

含C>0.77%

組織:P+Fe3CⅡ

3鐵（鑄鐵生鐵）

含C:2.11%~6.69%共晶鑄鐵

C=4.3%

組織:Ld’亞共晶鑄鐵

C<4.3%

組織:P+Ld’+Fe3CⅡ過共晶鑄鐵

C>4.3%

組織:Ld’+Fe3CⅠ（二）鋼結(jié)晶過程組織轉(zhuǎn)變1共析鋼L→L+A→A→

P（室溫組織P）2亞共析鋼L→A+L→A→A+F→

F+P（室溫組織F+P）3過共析鋼L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→

Fe3CⅡ+P（室溫組織Fe3CⅡ+P）本章小結(jié)及要求：了解金屬結(jié)晶、晶體結(jié)構(gòu)、同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變概念；熟悉晶粒大小與機械性能關(guān)系及晶粒細化方法：（重點）