第一章 金属材料基础知识

1、主 编 ： 王 英 杰 张 芙 丽副 主 编 ： 金 升 王 成 国机械工业出版社第一章 金属材料基础知识一、金属材料的分类二、钢铁材料生产过程概述三、机械制造过程概述四、金属材料的性能五、金属材料的晶体性能六、纯金属的结晶过程七、金属材料的同素异构转变八、合金的晶体结构与结晶过程九、金属材料的铸锭组织特征十、铁碳合金相图第一节金属材料的第一节金属材料的分类分类 金属金属是指具有良好的导电性和导热性是指具有良好的导电性和导热性, ,有一定的强度有一定的强度和塑性和塑性, ,并具有光泽的物质并具有光泽的物质, ,如铁、铝和铜等。金属材料是如铁、铝和铜等。金属材料是由金属元素或以某种金属元素为主由

2、金属元素或以某种金属元素为主, ,其他金属或非金属为辅其他金属或非金属为辅构成的构成的, ,并具有金属特性的工程材料并具有金属特性的工程材料, ,它包括它包括纯金属和合金和合金两类。两类。纯金属在工业生产中虽具有一定的用途纯金属在工业生产中虽具有一定的用途, ,但由于其强但由于其强度、硬度一般都较低度、硬度一般都较低, ,且冶炼技术复杂且冶炼技术复杂, ,价格较高价格较高, ,因此在因此在使用上受到较大的限制。目前广泛使用的是合金状态的金使用上受到较大的限制。目前广泛使用的是合金状态的金属材料。属材料。合金合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素

3、组成的金属材料。例如金属元素组成的金属材料。例如, ,普通黄铜是由铜和锌普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金两种金属元素组成的合金, ,碳素钢是由铁和碳组成的合碳素钢是由铁和碳组成的合金金, ,合金钢是由铁、碳和合金元素组成的合金。与纯金合金钢是由铁、碳和合金元素组成的合金。与纯金属相比属相比, ,合金除具有更好的力学性能外合金除具有更好的力学性能外, ,还可以通过调还可以通过调整组成元素之间的比例整组成元素之间的比例, ,以获得一系列性能各不相同的以获得一系列性能各不相同的合金合金, ,从而满足不同的性能要求。从而满足不同的性能要求。金属材料金属材料, ,尤其是钢铁材料在国民经济中有重要

4、的作用尤其是钢铁材料在国民经济中有重要的作用, ,这主要是由这主要是由于金属材料具有比其他材料优越的性能于金属材料具有比其他材料优越的性能, ,如物理性能、化学性能、力学性如物理性能、化学性能、力学性能及工艺性能等能及工艺性能等, ,能够满足生产和科学技术发展的需要。金属材料通常还能够满足生产和科学技术发展的需要。金属材料通常还可分为钢铁材料和非铁金属两大类可分为钢铁材料和非铁金属两大类, ,如图如图1-11-1所示。所示。1.1.钢铁材料钢铁材料以铁或以铁为主而形成的金属材料以铁或以铁为主而形成的金属材料, ,称为钢铁材料称为钢铁材料( (或称黑或称黑色金属色金属),),如各种钢材和铸铁。如

5、各种钢材和铸铁。2.2.非铁金属非铁金属除钢铁材料以外的其他金属材料除钢铁材料以外的其他金属材料, ,统称为非铁金属统称为非铁金属( (或称有或称有色金属色金属),),如铜、铝、镁、锌、钛、锡、铅、铬、钼、钨、镍等。如铜、铝、镁、锌、钛、锡、铅、铬、钼、钨、镍等。除此之外除此之外, ,还出现了许多新型的具有特殊性能的金属材料还出现了许多新型的具有特殊性能的金属材料, ,如粉末冶金材料、非晶态金属材料、纳米金属材料、单晶合金、如粉末冶金材料、非晶态金属材料、纳米金属材料、单晶合金、超导合金以及新型的金属功能材料超导合金以及新型的金属功能材料( (如永磁合金、高温合金、形如永磁合金、高温合金、形状

6、记忆合金、超细金属隐身材料、超塑性金属材料、储氢合金状记忆合金、超细金属隐身材料、超塑性金属材料、储氢合金) )等。等。第二第二节钢铁材料生产过程概述节钢铁材料生产过程概述钢铁材料是铁和碳的合金。钢铁材料按其碳的质量钢铁材料是铁和碳的合金。钢铁材料按其碳的质量分数分数w(C) (w(C) (含碳量含碳量) ) 进行分类进行分类, , 可分为工业纯铁可分为工业纯铁w(C)0.021 8%; w(C)2.11%w(C)2.11%。生铁是由铁矿石经高炉冶炼而获得的生铁是由铁矿石经高炉冶炼而获得的, ,它是炼钢和铸它是炼钢和铸件生产的主要原材料。件生产的主要原材料。钢材生产以生铁为钢材生产以生铁为主要

7、原料主要原料, ,首先将生铁装首先将生铁装入高温的炼钢炉里入高温的炼钢炉里, ,通过通过氧化作用降低生铁中碳和氧化作用降低生铁中碳和杂质的质量分数杂质的质量分数, ,获得所获得所需要的钢液需要的钢液, ,然后将钢液然后将钢液浇铸成钢锭或连铸坯浇铸成钢锭或连铸坯, ,再再经过热轧或冷轧后经过热轧或冷轧后, ,制成制成各种类型的型钢。图各种类型的型钢。图1-21-2所示为钢铁材料生产过程所示为钢铁材料生产过程示意图。示意图。一、炼铁一、炼铁炼铁用的原料主要是含铁的氧化物。含铁比较多且炼铁用的原料主要是含铁的氧化物。含铁比较多且有冶炼价值的矿物有赤铁矿石、磁铁矿石、菱铁矿石、褐有冶炼价值的矿物有赤铁

8、矿石、磁铁矿石、菱铁矿石、褐铁矿石等。铁矿石中除了含有铁的氧化物以外铁矿石等。铁矿石中除了含有铁的氧化物以外, ,还含有硅、还含有硅、锰、硫、磷等元素的氧化物杂质锰、硫、磷等元素的氧化物杂质, ,这些杂物称为脉石。炼铁这些杂物称为脉石。炼铁的实质就是从铁矿石中提取铁及其有用元素并形成生铁的的实质就是从铁矿石中提取铁及其有用元素并形成生铁的过程。现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的炉料过程。现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料主要是铁矿石、燃料( (焦炭焦炭) )和熔剂和熔剂( (石灰石石灰石) )。焦炭作为炼铁的燃料焦炭作为炼铁的燃料, ,一方面为炼铁提供热量一方

9、面为炼铁提供热量, ,另一另一方面焦炭在不完全燃烧时所产生的方面焦炭在不完全燃烧时所产生的CO,CO,又作为使氧化铁和又作为使氧化铁和其他金属元素还原的还原剂。熔剂的作用是使铁矿石中的其他金属元素还原的还原剂。熔剂的作用是使铁矿石中的脉石和焦炭燃烧后的灰分转变成密度小、熔点低和流动性脉石和焦炭燃烧后的灰分转变成密度小、熔点低和流动性好的炉渣好的炉渣( (漂浮在钢液表面漂浮在钢液表面),),并使之与铁液分离。常用的并使之与铁液分离。常用的熔剂是石灰石熔剂是石灰石(CaCO3)(CaCO3)。炼铁炼铁时需要将炼铁原料分批分层装入高炉中时需要将炼铁原料分批分层装入高炉中, ,在高温在高温和压力的作用

10、下和压力的作用下, ,经过一系列的化学反应经过一系列的化学反应, ,将铁矿石还原成将铁矿石还原成铁。高炉冶炼出的铁不是纯铁铁。高炉冶炼出的铁不是纯铁, ,其中含有碳、硅、锰、硫、其中含有碳、硅、锰、硫、磷等杂质元素磷等杂质元素, ,这种铁称为生铁。生铁是高炉冶炼的主要产这种铁称为生铁。生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的不同需要品。根据用户的不同需要, ,生铁可分为两类生铁可分为两类: :铸造生铁和炼铸造生铁和炼钢生铁。铸造生铁的断口呈暗灰色钢生铁。铸造生铁的断口呈暗灰色, ,硅的质量分数较高硅的质量分数较高, ,主主要用于生产复杂形状的铸件。炼钢生铁的断口呈亮白色要用于生产复杂形状的铸件。炼

11、钢生铁的断口呈亮白色, ,硅硅的质量分数较低的质量分数较低(w(Si)1.5%),(w(Si)2.11%w(C)2.11%的铁碳合金从液态缓冷至的铁碳合金从液态缓冷至1 1 148148时时, ,将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物( (即即莱氏体莱氏体) )。由于奥氏体在。由于奥氏体在727727时转变为珠光体时转变为珠光体, ,所以所以, ,在室温时莱氏在室温时莱氏体由珠光体和渗碳体所组成。为了区别起见体由珠光体和渗碳体所组成。为了区别起见, ,将将727727以上存在的莱以上存在的莱氏体称为高温莱氏体氏体称为高温莱氏体(Ld),(L

12、d),在在727727以下存在的莱氏体称为低温莱氏以下存在的莱氏体称为低温莱氏体体(Ld),(Ld),或称变态莱氏体。或称变态莱氏体。莱氏体莱氏体的性能与渗碳体相似的性能与渗碳体相似, ,硬度很高硬度很高( (相当于相当于700HBW),700HBW),塑性塑性很差。莱氏体的显微组织可以看成是在渗碳体的基体上分布着颗粒很差。莱氏体的显微组织可以看成是在渗碳体的基体上分布着颗粒状的奥氏体状的奥氏体( (或珠光体或珠光体) )。二二、铁碳合金相图的特性分析、铁碳合金相图的特性分析1.1.铁碳合金相图的形成铁碳合金相图的形成合金相图是表示在极缓慢冷却合金相图是表示在极缓慢冷却( (或加热或加热) )

13、条件下条件下, ,不同化学成分的不同化学成分的合金合金, ,在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。生产实践表明在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。生产实践表明, ,碳的碳的质量分数质量分数w(C)5%w(C)5%的铁碳合金的铁碳合金, ,尤其当碳的质量分数增加到尤其当碳的质量分数增加到w(C)=6.69%w(C)=6.69%时时, ,铁碳合金几乎全部变为渗碳体铁碳合金几乎全部变为渗碳体(Fe3C)(Fe3C)。渗碳体硬而脆。渗碳体硬而脆, ,机械加工困难机械加工困难, ,在在机械工程上很少应用。所以机械工程上很少应用。所以, ,我们在研究铁碳合金相图时我们在研究铁碳合金相图时, ,只需研

14、究只需研究w(C)6.69%w(C)6.69%部分。而部分。而w(C)=6.69%w(C)=6.69%时时, ,铁碳合金全部为亚稳定的渗碳体铁碳合金全部为亚稳定的渗碳体, ,渗碳体可看成是铁碳合金的一个组元。因此渗碳体可看成是铁碳合金的一个组元。因此, ,研究铁碳合金相图研究铁碳合金相图, ,就是研就是研究究Fe-Fe3CFe-Fe3C相图相图( (部分部分),),如图如图1-421-42所示。所示。2 2. .铁碳合金相图中的特性点铁碳合金相图中的特性点铁碳合金相图中主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义铁碳合金相图中主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义见表见表1-41-4。3.3.铁碳合

15、金相图中的主要特性线铁碳合金相图中的主要特性线(1)液相线ACD铁碳合金在液相线铁碳合金在液相线ACDACD以上是液态以上是液态(L)(L)。当。当碳的质量分数碳的质量分数w(C)4.3%w(C)4.3%w(C)4.3%的铁碳合金冷却到的铁碳合金冷却到CDCD线时线时, ,开始从合金液中结晶出渗碳体开始从合金液中结晶出渗碳体( (称一次渗碳体称一次渗碳体),),用用Fe3CFe3C表示。表示。(2)固相线AECF铁碳合金在固相线铁碳合金在固相线AECFAECF以下时以下时, ,铁碳合金铁碳合金均呈固体状态。均呈固体状态。(3)共晶线ECFECFECF线是一条水平线是一条水平( (恒温恒温) )

16、线线, ,称为共晶线。称为共晶线。在在ECFECF线上线上, ,液态铁碳合金将发生共晶转变液态铁碳合金将发生共晶转变, ,其反应式是其反应式是:L4.3 :L4.3 A2.11+Fe3C6.69A2.11+Fe3C6.69共晶转变形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物共晶转变形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物, ,称为莱氏体称为莱氏体(Ld)(Ld)。碳的质量分数在。碳的质量分数在w(C)=2.11%6.69%w(C)=2.11%6.69%的铁碳合金均会发生共晶的铁碳合金均会发生共晶转变。转变。(4)共析线PSKPSKPSK线也是一条水平线也是一条水平( (恒温恒温) )线线, ,称为共析线称为共析线

17、, ,通称通称A1A1线。在线。在PSKPSK线上固态奥氏体将发生共析转变线上固态奥氏体将发生共析转变, ,其反应式其反应式是是:A0.77 F0.021 8+Fe3C6.69:A0.77 F0.021 8+Fe3C6.69共析转变形成了铁素体与渗碳体的机械混合物共析转变形成了铁素体与渗碳体的机械混合物, ,称为珠光体称为珠光体(P)(P)。碳的质量分数。碳的质量分数w(C)0.021 8%w(C)0.021 8%的铁碳合金均会发生共析转变。的铁碳合金均会发生共析转变。(5) GS线GSGS线表示冷却时由奥氏体组织中析出铁素体组线表示冷却时由奥氏体组织中析出铁素体组织的开始线织的开始线, ,通

18、称通称A3A3线。线。(6) ES线ESES线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线, ,通称通称AcmAcm线。它表示随着温度的降低线。它表示随着温度的降低, ,奥氏体中碳的质量分数沿着奥氏体中碳的质量分数沿着ESES线逐线逐渐减少渐减少, ,而多余的碳以渗碳体形式析出而多余的碳以渗碳体形式析出, ,称为二次渗碳体称为二次渗碳体, ,用用Fe3CFe3C表示表示, ,以区别于从液体中直接结晶出来的以区别于从液体中直接结晶出来的Fe3CFe3C。(7) GP线GPGP线为冷却时奥氏体组织转变为铁素体的终了线为冷却时奥氏体组织转变为铁素体的终了线或者加热时铁素体转变为奥氏

19、体的开始线。线或者加热时铁素体转变为奥氏体的开始线。(8) PQ线PQPQ线是碳在铁素体中的溶解度变化曲线。它表线是碳在铁素体中的溶解度变化曲线。它表示铁素体随着温度的降低示铁素体随着温度的降低, ,铁素体中的碳的质量分数沿着铁素体中的碳的质量分数沿着PQPQ线逐渐减线逐渐减少少, ,在在727727时碳在铁素体中的最大溶解度是时碳在铁素体中的最大溶解度是0.021 8%,0.021 8%,冷却时多余冷却时多余的碳以渗碳体形式析出的碳以渗碳体形式析出, ,称为三次渗碳体称为三次渗碳体, ,用用Fe3CFe3C表示。由于表示。由于Fe3CFe3C数量极少数量极少, ,在一般钢中影响不大在一般钢中

20、影响不大, ,故可忽略。故可忽略。4 4. .铁碳合金相图中的相区铁碳合金相图中的相区铁碳合金相图中的主要相区见表铁碳合金相图中的主要相区见表1-51-5。三、铁碳合金的分类三、铁碳合金的分类铁碳合金相图上的各种合金铁碳合金相图上的各种合金, ,按其碳的质量分数和室温平衡组按其碳的质量分数和室温平衡组织的不同织的不同, ,可分为可分为工业纯铁、钢和白口铸铁(生铁)三类, ,见表见表1-1-6 6。四四、碳对铁碳合金组织和性能的影响、碳对铁碳合金组织和性能的影响碳是决定钢铁材料组织和性能最主要的元素。不同碳的质量碳是决定钢铁材料组织和性能最主要的元素。不同碳的质量分数的铁碳合金在缓冷条件下分数的

21、铁碳合金在缓冷条件下, ,其结晶过程及最终得到的室温组织是其结晶过程及最终得到的室温组织是不相同的。碳的质量分数与室温平衡组织的关系见表不相同的。碳的质量分数与室温平衡组织的关系见表1-61-6。铁铁碳合金的平衡组织由铁素体和渗碳体两相所构成。其中碳合金的平衡组织由铁素体和渗碳体两相所构成。其中铁素体是钢中的软韧相铁素体是钢中的软韧相, ,渗碳体是钢中的强化相。随着钢中碳的渗碳体是钢中的强化相。随着钢中碳的质量分数的不断增加质量分数的不断增加, ,平衡组织中的铁素体量不断减少平衡组织中的铁素体量不断减少, ,渗碳体量渗碳体量不断增多不断增多, ,因此因此, ,钢的力学性能将发生明显的变化。当碳的质量分钢的力学性能将发生明显的变化。当碳的质量分数数w(C)0.9%w(C)0.9%w(C)0.9%时时, ,由于由于Fe3CFe3C的的数量随着碳的质量分数的增加而急剧增多数量随着碳的质