汽车材料金属及合金的结构与结晶、铁碳相图

1、3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 3.13. 2纯金属的晶体结构与结晶纯金属的晶体结构与结晶铁碳合金相图铁碳合金相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 非晶体：非晶体：材料内部的原子在三维空间无规则排列的物体。材料内部的原子在三维空间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等如松香、石蜡、玻璃等晶体结构晶体结构晶体中原子规则排列的方式晶体中原子规则排列的方式. 晶格晶格：通将原子抽象为几何点，并通过用一些遐想连线将几通将原子抽象为几何点，并通过用一些遐想连线将几何点在三维方向连接起来，这样构成一个空间格子。何点在三维方向连接起来，这样构成一个空间格子。 第第3章章 纯金属的晶体结

2、构与结晶纯金属的晶体结构与结晶 1.晶体结构基本概念晶体结构基本概念3.1晶体：晶体：材料内部的原子在三维空间呈规则的周期性排列的材料内部的原子在三维空间呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等物体。如金刚石、水晶、金属等晶胞晶胞能反映晶格特征的最小组成单元。能反映晶格特征的最小组成单元。3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 面心立方晶格 体心立方晶格密排六方晶格 钨（钨（W)、钒、钒(V)、铬、铬(Cr)、铁、铁(-Fe)等等铝铝(Al)(Al)、铜、铜(Cu)(Cu)、金、金(Au)(Au)、铁（、铁（

3、-Fe）镁（镁（Mg)、锌、锌(Zn)3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 第第3章章 （1） 冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度结晶结晶3.1.3 纯金属的结晶纯金属的结晶1.金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律 液态金属冷却凝固转变为固态金属的过程叫做液态金属冷却凝固转变为固态金属的过程叫做随着温度降低，一些原子趋于稳定长大形成晶核，晶核进一步长大形成小晶体随着温度降低，一些原子趋于稳定长大形成晶核，晶核进一步长大形成小晶体 自发形核自发形核金属原子还可以依附在外来晶核上长大金属原子还可以依附在外来晶核上长大 非自发形非自发形核核3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 过冷度过冷度

4、理论结晶温度和实际理论结晶温度和实际结晶温度之差。结晶温度之差。 T = T0T1 冷却速度越快，过冷度越大冷却速度越快，过冷度越大过冷过冷液态金属的实际结晶温度液态金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象总是低于理论结晶温度的现象 第第3章章 只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能 开始进行开始进行过冷是金属结晶的必要条件。过冷是金属结晶的必要条件。液态金属在结晶时的温度液态金属在结晶时的温度时间曲线时间曲线 3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 3.1.3 纯金属的结晶纯金属的结晶 第第3章章 在工业中生产中，为了细化晶粒，常

5、采用什在工业中生产中，为了细化晶粒，常采用什么方法？么方法？提高过冷度提高过冷度变质处理变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。核的核心，以细化晶粒和改善组织。振动、搅拌等振动、搅拌等3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 单晶体多晶体 在理想情况下，晶在理想情况下，晶体内部的晶格位向是体内部的晶格位向是完全一致的，即晶体完全一致的，即晶体的原子是按一定几何的原子是按一定几何规律做周期性排列而规律做周期性排列而成，这种晶体称为单成，这种晶体称为单晶体晶体 。 外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒，每个晶外

6、形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒，每个晶粒相当于一个单晶体，其原子排列位向是一致的，而各粒相当于一个单晶体，其原子排列位向是一致的，而各个晶粒的晶格位向各不相同。晶粒与晶粒之间的界面称个晶粒的晶格位向各不相同。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，晶界上的原子处于过渡的不规则状态，这些由为晶界，晶界上的原子处于过渡的不规则状态，这些由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 1.1.多晶体结构多晶体结构晶粒晶粒晶界晶界3.1.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构第第2章章 晶粒晶粒晶界晶界3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章

7、2. 晶体缺陷晶体缺陷（1）点缺陷（）点缺陷（长、宽、高尺寸都很小的缺陷长、宽、高尺寸都很小的缺陷）1. 空位空位2. 间隙原子间隙原子（2）线缺陷（）线缺陷（晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格形成的缺陷区，晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格形成的缺陷区， 即发生了即发生了“位错位错”）1.刃型位错刃型位错(a)2. 螺型位错螺型位错(b)（3）面缺陷（）面缺陷（在两个方向的尺寸很大在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷） 晶晶界界 亚晶界亚晶界 第第3章章 3.置换原子置换原子3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3

8、章章 金属晶体缺陷的影响金属晶体缺陷的影响 ？ 点缺陷点缺陷空位、间隙原子、置换原子造成局部晶格畸变空位、间隙原子、置换原子造成局部晶格畸变,使金属使金属的电阻率发生变化，屈服强度增加的电阻率发生变化，屈服强度增加,硬度增强，密度发生变化硬度增强，密度发生变化。 线缺陷线缺陷-位错在晶体中易于移动，金属材料的塑形变形是位错在晶体中易于移动，金属材料的塑形变形是通过位错运动来实现的。通过位错运动来实现的。 面缺陷面缺陷-晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高， 第第3章章 3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 （2）结晶的一般过程）结晶的一般过程

9、3.1.3纯金属的结晶纯金属的结晶 第第3章章 结晶过程结晶过程晶核的晶核的长大长大 晶核的形成晶核的形成3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 铁碳相图铁碳相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 定义定义：金属在固态下，随：金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称变为另一种晶格的现象称为为同素异构转变同素异构转变。以不同。以不同晶格形式存在的同一金属晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为金属的元素的晶体称为金属的同同素异形体素异形体。转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。 3.2.2合金

10、的结晶合金的结晶 第第3章章 n铁碳合金铁碳合金铁和碳，是工业应用最广的合金。铁和碳，是工业应用最广的合金。n含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%的称的称钢钢n含碳量为含碳量为 2.11% 6.69%的称的称铸铁铸铁。3.2.2合金的结晶合金的结晶 两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 合金合金3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 铁和碳可形成一系列稳定化合物：铁和碳可形成一系列稳定化合物： FeFe3 3C C、 FeFe2 2C C、 FeCFeCl含碳量大于含碳量大于FeFe3

11、 3C C成分（成分（6.69%6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。）时，合金太脆，已无实用价值。l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- FeFe- Fe3 3C C相图相图。FeFe3C Fe2C FeCCC%(at%) 3.铁碳合金相图铁碳合金相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 一、铁碳合金的基本组织一、铁碳合金的基本组织l是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低, ,在在727727时时最大为最大为0.0218%0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%0.0008%。l铁素体的组织为多边形晶粒，

12、铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。性能与纯铁相似。铁素体铁素体l 组元：组元：Fe、 Fe3Cl 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素铁素体体, 用用F 或或 表示。表示。3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 铁素体组织金相图铁素体组织金相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 l 奥氏体奥氏体: :l碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A A或或 表示。表示。l是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，11481148时最大为时最大为2.11%2.11%。727

13、727 时为时为0.77%0.77%l组织为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶界较直。强度低、塑性强度低、塑性好好，奥氏体奥氏体3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 l 渗碳体：渗碳体：即即FeFe3 3C, C, 含碳含碳6.69%, 6.69%, 用用FeFe3 3C C表示。表示。lFeFe3 3C C硬度高、强度低硬度高、强度低( ( b b 35MPa35MPa), ), 脆性大脆性大, , 塑性几乎为零塑性几乎为零l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很中的溶解度很小，因而小，因而常

14、温下碳在铁碳合常温下碳在铁碳合金中主要以金中主要以Fe3C或或石墨石墨的形的形式存在。式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 l珠光体：珠光体：铁素体铁素体与与FeFe3 3C C的机械混合物的机械混合物，用，用P P表示。表示。l珠光体的组织特点是两相珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布呈片层相间分布,性能介性能介于两相之间。于两相之间。珠光珠光体体3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 珠光体珠光体 ( P )( P )3.2.2合金的结晶合金的结晶

15、 第第3章章 l莱氏体：莱氏体： A A 与与Fe3CFe3C的的机械混合物机械混合物l高温莱氏体高温莱氏体：727 727 以上，以上，奥奥氏体与渗碳体，以氏体与渗碳体，以L Ld d表示表示l低温莱氏体：低温莱氏体：727 727 以下，珠光体与渗碳体，以以下，珠光体与渗碳体，以LLd d表示表示l为蜂窝状为蜂窝状, , 以以FeFe3 3C C为基，性能硬而脆。为基，性能硬而脆。莱氏莱氏体体3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 上下各上下各5个特征点个特征点: 上：上：A、E、C、D、F下：下：G、Q、P、S、K两个重要转变两个重要转变:共晶转变、共析转变。共晶转变、共析转变。特征

16、线特征线: 液相线液相线ACD， 固相线固相线AECF 共晶转变线共晶转变线ECF共析转变线共析转变线_psk3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 钢钢 0.0218%wc2.11%过共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁：4.3%wc6.69%，室温组织：，室温组织：渗碳体和低温莱氏体渗碳体和低温莱氏体 （3）典型合金的冷却过程及其组织）典型合金的冷却过程及其组织工业纯铁工业纯铁 wc0.0218%，室温组织：，室温组织：铁素体和三次渗碳体铁素体和三次渗碳体铁碳合金的分类铁碳合金的分类亚共析钢亚共析钢 0.0218%wc0.77%，室温组织：，室温组织

17、：铁素体和珠光体铁素体和珠光体；共析钢共析钢 wc=0.77%，室温组织：，室温组织：珠光体珠光体；过共析钢过共析钢 0.77%wc2.11%，室温组织：，室温组织：珠光体和二次渗碳体珠光体和二次渗碳体白口铸铁白口铸铁 2.11%wc6.69%亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11%wc4.3%，室温组织：，室温组织：珠光体、低温莱氏体珠光体、低温莱氏体 和二次渗碳体和二次渗碳体； 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 wc=4.3%，室温组织：，室温组织：低温莱氏体低温莱氏体；3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 1 1. . 共析钢共析钢 ( Wc = 0.77% )( Wc = 0.77% )

18、3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 共析钢组织金相图共析钢组织金相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 2 2. .亚共析钢亚共析钢 ( Wc = 0.45% )( Wc = 0.45% )3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 亚共析钢组织金相图亚共析钢组织金相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 3 3. .过共析钢过共析钢 ( Wc = 1.2% )( Wc = 1.2% )3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 （4）铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用3.2.2合金的结晶合

19、金的结晶 第第3 章章 在选材方面的应用在选材方面的应用 形状复杂、不受冲击、要求耐磨的铸件（如冷轧辊、拉丝模、犁铧形状复杂、不受冲击、要求耐磨的铸件（如冷轧辊、拉丝模、犁铧等），应选用等），应选用白口铸铁白口铸铁。 要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用碳的质量分数低的钢碳的质量分数低的钢； 承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选用承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选用碳碳的质量分数为的质量分数为0.25%0.55%的钢；的钢；要求硬度高、耐磨性好的各种工具，应选用要求硬度高、耐磨性好的各种工具，应选用碳的质量分数大于碳的质量分数大于0.55%的钢；的钢；3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 在铸造方面的应用在铸造方面的应用 合金的液、固相线温度间隔大时合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散先结晶出的树枝晶阻碍结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。缩孔。3.2.2合金的结晶合金的结晶 第第3章章 纯组元和共晶成分的合金纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。 相图中液相线和固相线之间距