機械制造基礎(chǔ)課件：金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

機械制造基礎(chǔ)

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖【能力目標】了解金屬的晶體結(jié)構(gòu)及通過結(jié)晶調(diào)整金屬力學(xué)性能的方法?！局R目標】熟悉鐵碳合金相圖及對常用工程材料性能的影響。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖一、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變定義常見的金屬晶格類型純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖1.金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變定義

當(dāng)改變加熱溫度時，大部分金屬會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同樣是一種元素，由于結(jié)構(gòu)不同，其性能（物理的，化學(xué)的等）就有很大不同。金屬在固態(tài)下隨著溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖2.常見的金屬晶格類型

就純金屬來說，常見的晶格類型主要有以下3種：（1）體心立方體（2）面心立方體（3）密排六方體金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖（3）密排六方體，如圖1-9所示。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖3.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

固態(tài)金屬隨溫度變化而發(fā)生晶格改變的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵即具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特征，如圖1-10所示。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖二、Fe-Fe3C相圖分析（一）合金的晶體結(jié)構(gòu)與組織（二）鐵碳合金的基本組織（三）鐵碳合金相圖金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖（一）合金的晶體結(jié)構(gòu)與組織

純金屬具有優(yōu)良的塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，但制造困難、價格昂貴、力學(xué)性能較差，實際中并不使用。

大量使用的金屬材料是碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金及銅合金。1.合金的基本知識2.合金的相結(jié)構(gòu)（1）固溶體（2）金屬化合物3.機械混合物金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖1.合金的基本知識

（1）合金：兩種或兩種以上金屬元素或者金屬與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。

（2）組元：組成合金的最基本的獨立物質(zhì)稱為組元。組元可以是金屬元素也可以是非金屬元素，由兩個組元組成的合金稱為二元合金，如Fe-C；三個組元組成的合金稱為三元合金，如Fe-C-Si；穩(wěn)定的金屬化合物也可以是組元，如Fe3C。

（3）合金系：由兩個或兩個以上的組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，就是合金系。例如，含碳量不同的碳鋼和鑄鐵為Fe-C合金系。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

（4）相：金屬中，化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的部分，包括固溶體、金屬化合物等；或者金屬中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分稱為相。

（5）組織：泛指由金相觀察法觀察到的具有獨特微觀形貌特征的部分。反映材料的相形態(tài)、尺寸大小和分布方式不同的由一種或多種相構(gòu)成的總體，是決定材料最終性能的關(guān)鍵。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖（2）金屬化合物。

合金組元之間發(fā)生相互作用形成的一種具有金屬特性的新相，稱為金屬化合物。其晶格類型和性能完全不同于任一組元，一般用化學(xué)分子式表示，如Fe3C，TiC，CuZn等。

金屬化合物熔點高、硬度高、脆性大，在合金中主要作為強化相，可以提高合金的綜合力學(xué)性能。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖3.機械混合物

固溶體、金屬化合物是組成合金的基本相，由兩種或兩種以上不同的相組合而成的物質(zhì)稱為機械混合物。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖（二）鐵碳合金的基本組織

鋼鐵基本組元是鐵和碳兩種基本元素，故稱為鐵碳合金。

液態(tài)時，鐵和碳可以無限互溶。固態(tài)時相互作用有三種：

第一種是碳原子溶解到鐵的晶格中形成固溶體，如鐵素體與奧氏體；

第二種是鐵和碳原子按一定的比例形成金屬化合物，如滲碳體；

第三種是機械混合物，如珠光體和萊氏體。鐵素體、奧氏體、滲碳體均是鐵碳合金的基本相。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖5.萊氏體

奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。當(dāng)溫度緩慢冷卻到1148℃時，結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的共晶體，稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示；冷卻到727℃時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以室溫下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫萊氏體或變態(tài)萊氏體，用符號Ld’表示。

萊氏體是由基本相混合組成的兩相組織。

萊氏體含64%以上的Fe3C，所以硬度也很高（HBS>700），塑性很差，脆性很大，是白口鐵的基本組織。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖（三）鐵碳合金相圖

從合金相圖中，可知某種合金在某一特定溫度下能形成什么樣的組織。而用來表示合金系中各個合金的結(jié)晶過程的簡明圖解稱為相圖，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。鐵碳合金相圖是用來研究鋼、生鐵（鑄鐵）在平衡條件下，鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系及變化規(guī)律的。

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖三、鐵碳合金的相圖特性點、特性線及含碳量對力學(xué)性能的影響（一）鐵碳合金相圖的特性點和特性線（二）含碳量對力學(xué)性能的影響金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

存在于727~1148℃的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示，組織由奧氏體和滲碳體組成；存在于727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號Ld’表示，組織由滲碳體和珠光體組成。

低溫萊氏體是由珠光體，F(xiàn)e3CⅡ和共晶Fe3C組成的機械混合物。經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察，其中珠光體呈黑色顆粒狀或短棒狀，分布在Fe3C基體上，F(xiàn)e3CⅡ和共晶Fe3C交織在一起，一般無法分辨。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖5.相圖中的相區(qū)（1）單相區(qū)（3個＋1個）：L，A，F(xiàn)，（L+Fe3C）。（2）兩相區(qū)（5個）：L+Fe3C，L+A，A+F，A+Fe3C，F(xiàn)+Fe3C。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖（二）含碳量對力學(xué)性能的影響鋼的含碳量對力學(xué)性能的影響如圖1-12所示。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖1.含碳量對機械性能的影響

滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強度越高，塑性和韌性越低；但當(dāng)滲碳體分布在晶界或作為基體存在時，則材料的塑性和韌性大為下降，且強度也隨之降低。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖2.含碳量對工藝性能的影響

對切削加工性來說，一般認為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過高或過低，都會降低其切削加工性能。

對可鍛性而言，低碳鋼比高碳鋼好。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時，塑性好、強度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在奧氏體狀態(tài)下進行。金屬的結(jié)晶與鐵碳合金相圖

對鑄造性來說，鑄鐵的流動性比