材料科学基础52935

1、铁碳合金中的基本相编辑 铁碳佥金相图实际上是fe-fe3c相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和 fe3co铁存在着同素异品转变，即在固态下冇不同的结构。不同结构的铁与碳 可以形成不同的固溶体，fefe3c相图上的固溶体都是间隙同溶体。由于。- fe和y-fe品格屮的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。1, 铁素体（ferrite）铁素体是碳在u-fc小的间隙固溶体，用符号f（或u）表示，体心立方晶格; 虽然bcc的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小，最多只 有0. 0218%（727°c时），室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而 塑性高，并有

2、铁磁性.5二30%50%, aku二128160j o b=180280mpa,5080hbs铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮 的多边形等轴晶粒，在亚共析钢小铁素体呈口色块状分布,但当含碳量接近共析 成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围.2, 奥氏体（austenite ）奥氏体是碳在y-fc中的间隙固溶体，用符号a（或y）表示，面心立方品格; 虽然fcc的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大,最多有2. 11%（1148°c时），727°c时为 0. 77%.在一般情况卜；奥氏体是一种高温组织，稳定

3、存在的温度范围为7271394°c,故 奥氏体的硬度低，塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造,热轧等 时,都应将其加热成奥氏体状态，所谓趁热打铁止是这个意思.a b=400mpa, 170"220hbs, 6 =40%"50%.另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零 件或部件.奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有学晶存在.3, 渗碳体（cementite）渗輕是铁和碳形成的具冇复杂结构的金屈化合物，用化学分子式fe3c表示. 它的碳质量分数wc=6. 69%,熔点为1227°c,质硬而脆，耐腐蚀用4

4、%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味 酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色.渗碳体是钢屮的强化相，根据生成条件不同渗碳体冇条状，网状，片状，粒状等形 态，它们的大小，数量，分布对铁碳合金性能冇很大彩响.总结:在铁碳合金屮一共有三个相，即铁索休，奥氏休和渗碳休但奥氏休一般仅存在于 高温下，所以室温下所有的铁碳合金屮只有两个相，就是铁索休和渗碳休.由于铁 索休屮的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中. 这一点是十分重要的.铁和碳可以形成一系列化合物,如fe3c, fe2c, fec等，有实用意义并被深入研究 的只是fe-fe3c部分，通常称其为fe-fe3c相图，

5、此时相图的组元为fe和fe3c. 由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分轴从0669%.所谓的 铁碳合金相图实际上就是fefe3c相图.铁碳合金相图分析编辑fefe3c相图看起来比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以 将fefe3c相图分成上下两个部分来分析.上半部分共晶转变在1148°c, 4. 3%c的液相发生共晶转变：lc (ae+fe3c),转变的产物称为莱氏体,用符号ld表示.存在于1148°c727°c之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号ld表示，组织由奥 氏体和渗碳体组成;存在于727°c以下的莱氏体称为变态莱氏体或

6、称低温莱氏体, 用符号ld "表示，组织由渗碳体和珠光体组成.低温莱氏体是由珠光体,fe3cil和共晶fe3c组成的机械混合物.经4%硝酸酒精 溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在fe3c基 休上,fe3cii和共晶fe3c交织在一起，一般无法分辨.下半部分共析转变在727°c, 0. 77%的奥氏休发生共析转变：as (f+fe3c),转变的产物称为珠光体.共析转变与共晶转变的区别是转变物是固休而非液休.相图中的一些特征点相图屮应该掌握的特征点冇:a, d, e, c, g(a3点),s(a1点)，它们的含义一定要搞 清楚根据相图分析如下点：相图

7、中重要的点(14个)：1组元的熔点:a (0, 1538)铁的熔点;d (6. 69, 1227) fe3c的熔点2 同素异构转变点:n(0, 1394) 5 -fe y -fe; g (0, 912) y-fe a-fe相图3 碳在铁屮最大溶解度点：p (0.0218, 727),碳在a-fe中的最大溶解度e(2. 11, 1148),碳在y-fe中的最大溶解度h (0. 09, 1495),碳在6_fe中的最大溶解度q (0.0008, rt),室温下碳在a-fe中的溶解度三相共存点：s (共析点,0. 77, 727), (a+f +fe3c)c(共晶点,4. 3, 1148), ( a

8、+l +fe3c)j (包晶点,0. 17, 1495) ( 5 + a+l )其它点b(0. 53, 1495),发生包品反应时液相的成分f(6. 69, 1148 ),渗碳体k (6.69,727 ),渗碳体铁碳相图中的特性线相图中的一些线应该掌握的线有:ecf线,psk线(a1线)，gs线(a3线)，es线(acm 线)水平线ecf为共晶反应线.碳质量分数在2. 11%6. 69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反 应.水平线psk为共析反应线碳质量分数为0. 0218%6. 69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反 应.psk线亦称a1线.gs线是合金冷却时自a中开始析

9、出f的临界温度线，通常称a3线.es线是碳在a屮的固溶线，通常叫做aon线.由于在1148°c时a屮溶碳量最大 可达2.11%,而在727°c时仅为0. 77%,因此碳质量分数大于0. 77%的铁碳合金 自1148°c冷至727°c的过程中，将从a中析岀fe3c析岀的渗碳休称为二次渗 碳休(fe3cl 1). acm线亦为从a中开始析岀fe3cll的临界温度线.pq线是碳在f中固溶线在727°c时f中溶碳量最大可达0. 0218%,室温时仅为 0. 0008%,因此碳质量分数大于0. 0008%的铁碳合金自727°c冷至室温的过程屮,

10、 将从f屮析岀fe3c析岀的渗碳休称为二次渗碳休(fe3ciii)pq线亦为从f屮 开始析岀fe3clll的临界温度线.fe3clll数量极少，往往予以忽略.相图中的相区1. 单相区(4 个+1 个)：l, 5 , a, f，(+ fe3c)2 两相区(7 个)：l + 5,l + fe3c, l + a, 6+a,a + f,a + fe3c ,f + fe3c含碳量对铁碳合金组织和性能的影响编辑1. 含碳量对铁碳合金平衡组织的影响按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物 间的定量关系2. 含碳量对机械性能的影响渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硕度和强度越高，塑

11、性和韧性越低；但 当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，口强 度也随之降低。3. 含碳量对工艺性能的影响对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硕度在hb200左右，切 削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性 好、強度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时 必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产牛过 烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸 铁，其结晶温度低，流动性

12、也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来 讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊 接。拉伸曲线编辑描述构件应力与应变关系的曲线。tensile curve分为弹性变形0e段,存在比例极限屈服段es,存在屈服板限强化阶段sb,存在强度极限 颈缩阶段bkp.s图示为低碳钢纺织材料、纺织品在拉伸变形至断裂过程中,拉力(负荷)与伸长变形的关系曲线。由 此曲线可得出断裂强力、伸长、断裂功等参数。在纤维强力试验机上，根据纤维拉伸 至断裂的全过程，可作出负荷t申长曲线。此曲线的坐标转换成相对勘和伸长率后 绘制的曲线成

13、为应力-应变曲线。负荷伸长曲(load-elongation curve)和应力应变曲 线(stress-strain curve)统称拉伸曲线。晶格类型fcc(al)bcc(a2)h 卬(a3)间隙类型正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体间隙个数84126126原子半径/aa_间隙半径/b佰-血);(2 儕(2-佛("-2片(vi - of过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上 看,没有过冷度结晶就没有趋动力。根据rk x yt可知当过冷度at为零时临界晶核半径心为无穷 大，临界形核功(oc %严)也为无穷大。临界晶核半径几与

14、临界形核功为无穷大时,无法形 核，所以液态金属不能结晶。晶体的长大也需要过冷度,所以液态金属结晶需要过冷度。4、细晶强化细品强化：随品粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，槊性、韧性也得到改善的现彖称为细晶强化。细化品粒不但可以捉高强度乂可改善钢的槊性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。机理：晶粒越细小，位错塞集群中位错个数(n)越小，根据t = nr应力集屮越小，所以材料的 强度越高。细晶强化的强化规律:晶界越多，晶粒越细，根据霍尔配奇关系式os=o0 + kd1/2晶粒的平均直(d )越小，材料的屈服强度(os)越高。细化晶粒的方法：结晶过程中可以通过增加过冷度,变质处理,振动及搅拌的方法增加

15、形核率细化晶 粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退火的热处理方法细 化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素。二、改善槊性和韧性的机理晶粒越细小，晶粒内部晶界附近的应变度差越小，变形越均匀，因应力集中引起的开裂的机会也越 小。晶粒越细小,应力集中越小,不易产生裂纹；晶界越多，易使裂纹扩展方向发生变化，裂纹不易传 播，所以韧性就好。提高或改善金属材料韧性的途径：尽量减少钢中第二相的数量；提高基体组织的塑性；提高 组织的均匀性；加入ni及细化晶粒的元素；防止杂质在晶界偏聚及第二相沿晶界析岀。分析含碳0.53-0.77%的铁碳合金的结晶过程，并画出结晶示意图。点之

16、上为液相l ;点开始l->y ;点结晶完毕；点之间为单相y ；点开始y-a转变；点开始p共析转变;室温下显微组织为a+ po结晶示意图：计算室温下亚共析钢（含碳量为x ）的组织组成物的相对量。组织组成物为a. p ,相对量为：x 0.02180.77-0.0218x100% ,wa=l-wp 或肌0.77-x0.77-0.0218x100%分析含碳0.77 2.11%的铁碳合金的结晶过程。点之上为液相l ;点开始l-y ；之间为l+y ;点结晶完毕；点之间为单相丫 ;点开始y->fesc转变；点开始y- p共析转变；室温下显微组织为p + fe3co结晶过程示意图。计算室温下过共析

17、钢（含碳量为x ）的组织组成物的相对疑。组织组成物为p、fe3cn ,相对量为：6 69-xr-0 77叫，=x100%， wmcn =1 昭或wmcu =x100%'6.69-0.77re3cu 卩 mcu 6.69-0.771.分析共析钢的结晶过程,并画出结晶示意图。点之上为液相 开始l*y ;点结 毕；点之间y;点yi p共析 室温下显微组织为ov38饗 mwoo伽00 655 d 3 3 2 1il la 11 1 b 1 n 1al+fe3c、_+一y4.3yy+fe3c0.77lilia + fe3cf®3c、111iii11.0 1.s 2,0 2. 5 3.0

18、 3.5 4.0 4. 5 5. c 5.5 6 0 6.5 讥/107l ；点晶完 为单相 转变；po结晶不意图：点之上之间之间室温组织计算含碳3.0%铁碳合金室温下组织组成物及相组成物的相对最。含碳3.0%的亚共晶白口铁室温下组织组成物为p、fe3cn ,相对量为：3,0-2,114.3-2.11x 100% = 40.6%wy =1 % =59.4%6.69- 2.116.69- 0.77 xwyx 100% = 46.0%呼宀一可严134%相组成物为f. fe3cf相对量为：相图中共有几种渗碳体?说岀各自的来源及形态。相图中共有五种渗碳体：fesci、fe3cn . fe3cni、fesc共析、fe3c ;fe3ci :由液相析出，形态连续分布（基体）；fe3cn :由奥氏体中析出，形态网状分布；fe3cm