金属的晶体结构与铁碳相图

1、第二章第二章 金属与合金的晶体结构及铁碳相金属与合金的晶体结构及铁碳相图图第一节第一节 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶第二节第二节 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构第三节第三节 合金的晶体结构合金的晶体结构第四节第四节 铁碳合金和铁碳相图铁碳合金和铁碳相图2.1 2.1 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构1、晶体与非晶体固态物质晶体：原子在三维空间排列有规律,有熔点,各向异性。非晶体：原子是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。 晶体有一定的熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。 在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数

2、固体都是晶体。晶体与非晶体的根本区别在于其内部原子的排列是否规则。2 晶体结构的基本概念 用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称为晶格。 在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞。描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。2.1 2.1 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶3 常见金属的晶体结构 1、体心立方晶格 在晶胞的八个角上各有一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有铬、钒、钨、钼和-铁等。 体心立方晶格晶胞中的原子数n = 1 + 8 X 1/8 = 2（c）晶胞）晶胞2.1 2.1 金属的晶体结

3、构与结晶金属的晶体结构与结晶2、面心立方晶格 在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心立方晶格。属于这类晶格的金属有银、铝、铜、镍、铅和-Fe等。面心立方晶格晶胞中的原子数n = 6 X 1/2 + 8 X 1/8 = 4（c）晶胞）晶胞2.1 2.1 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶3、密排六方晶格 在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、-钛和-铬等。密排六方晶格晶胞中的原子数n = 3 + 2 X 1/2 + 12 X 1/6

4、 = 6（c）晶胞）晶胞2.1 2.1 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶一、金属的实际晶体结构 1、单晶体与多晶体的概念 单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒与晶粒 之间的界面称为晶界。 晶晶粒粒晶晶界界2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2、晶体缺陷（1）点缺陷 最常见的点缺陷是空位和间隙原子。因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构（2）线缺陷 晶体中的线缺陷通常是各种

5、类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错，如下图所示。 位错线的密度可用单位体积内位错线的总长度表示。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构（3）面缺陷 面缺陷即晶界和亚晶界。 晶界：晶粒之间原子无规则排列的过渡层,又称大角度晶界。 亚晶界：晶粒内部亚组织之间的边界，一系列刃型位错所形成的小角度晶界。晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就

6、越大，金属的强度、硬度越高。2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构二、金属的结晶结晶：金属由液态转变为固态晶体的现象叫做结晶。一、纯金属的冷却曲线和冷却现象 1、冷却曲线以极缓慢速度冷却以极缓慢速度冷却实际冷却条件下的冷却实际冷却条件下的冷却2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2、过冷现象金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结 晶温度T0以下才开始结晶，这种现象称为过冷。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。 即T T0 T1纯金属结晶的条件是应当有一定的过冷度。2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2、金属的结晶过程晶核的形成和晶核的长大

7、，这两个步骤是同时进的。纯金属结晶过程纯金属结晶过程2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构3、金属结晶后的晶粒大小 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为了方便测量，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。 实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。 这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，

8、强度和韧性就越好。2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2.2 2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构细化晶粒的方法 （1 1）增大冷速增大冷速 增大冷速实为增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。 （2 2）变质处理变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。 （3 3）振动处理振动处理 金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。 2.3 2.3 合金的晶体结构合金的晶体结构一、基本概念

9、1、合金 是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。2、组元 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般来说，组元就是组成合金的元素。 例：碳钢是铁和碳组成的合金。例：铜和锌就是黄铜的组元。 2.3 2.3 合金的晶体结构合金的晶体结构4、相 是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。例：纯铁在1538C以上时为均匀的液相L 3、组织 组织是指金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。2.3 2.3 合金的晶体结构合金的晶体结构 根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，合金的晶体结构可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。二、合金

10、的相结构1、固溶体合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。 固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种： 置换固溶体 溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体。 间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体。2.3 2.3 合金的晶体结构合金的晶体结构置换固溶体间隙固溶体 合金的固溶强化 由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。2.3 2.3 合金的晶体结构合金的晶体

11、结构2、金属化合物 金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。 如碳钢中的Fe3C。2.3 2.3 合金的晶体结构合金的晶体结构金属化合物的特点： 金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高，硬度高，而脆性大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。FeFe3 3C C的晶体结构的晶体结构2.3 2.3 合金的晶体结构合金的晶体结构 铁碳合金的基本组织及其性能1、铁

12、素体（F）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。 性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。2、奥氏体（A）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727时存在。 性能-塑性好，强度和硬度高于F。在锻造、轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。3、渗碳体（ Fe3C ）：铁与碳形成的金属化合物。 性能-硬度高，脆性大。4、珠光体（ P ）：F与Fe3C组成的机械混合物。 性能-力学性能介于两者之间。5、莱氏体（ Ld ）：A与Fe3C组成的机械混合物。 性能-硬度高，塑性差。2.4 2.4 铁碳合金与铁碳相图铁碳合金与铁碳相图2.4 2.4 铁碳合金与铁碳相图铁碳合金与铁碳相图同素异构转变 金属在固态

13、下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程称为同素异构转变或同素异晶转变。如铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡（Sn）等。而金属在固态下不同温度具有不同晶格类型的特性，称为金属的同素异构性。意义：没有这一转变，铁碳合金（钢和铸铁）就不可能通过多种热处理来改变其组织和性能。以铁为例以铁为例2.4 2.4 铁碳合金与铁碳相图铁碳合金与铁碳相图 - Fe- Fe- Fe1394OC912OC1538OCLL 铁碳合金的基本组织及其性能1、铁素体（F）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。 性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。2、奥氏体（A）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727时存在。 性能-塑

14、性好，强度和硬度高于F。在锻造、轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。3、渗碳体（ Fe3C ）：铁与碳形成的金属化合物。 性能-硬度高，脆性大。4、珠光体（ P ）：F与Fe3C组成的机械混合物。 性能-力学性能介于两者之间。5、莱氏体（ Ld ）：A与Fe3C组成的机械混合物。 性能-硬度高，塑性差。2.4 2.4 铁碳合金与铁碳相图铁碳合金与铁碳相图Fe-Fe3C相图AFFAAAF+AAFFAAAF+AAFFAAAF+AJ为包晶点为包晶点:1495时,B点成分的L与H点成分的发生包晶反应,生成J点成分的A。C点为共晶点点为共晶点1148时,C点成分的L发生共晶反应,生成E点成分的A和

15、Fe3C（莱氏体）。S点为共析点点为共析点727时,S点成分的A发生共析反应,生成P点成分的F和Fe3C（P）。返回返回Fe-Fe3C相图AFFAAAF+A返回返回Fe-Fe3C相图AFFAAAF+A返回返回Fe-Fe3C相图AFFAAAF+A包晶反应：L+A（1538C）共晶反应：LLe(A+FeC3)（1148C ）返回返回Fe-Fe3C相图共析反应：AP(+FeC3)（727)CAFFAAAF+A3.2 Fe-Fe3C相图过共析钢过共析钢共析钢共析钢共晶白口铁共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢碳素钢白口铸铁白口铸铁亚共析钢亚共析钢工业纯铁工业纯铁0.0218

16、%0.02182.11%2.116.68%0.77%4.3%贴碳合金的分类贴碳合金的分类工程实践中钢的分类工程实践中钢的分类 低碳钢的塑性、韧性好，但强度、低碳钢的塑性、韧性好，但强度、硬度低，焊接性能好。中碳钢的强度较硬度低，焊接性能好。中碳钢的强度较高，塑性、韧性也较好，具有较好的综高，塑性、韧性也较好，具有较好的综合力学性能。高碳钢硬而脆，塑性、韧合力学性能。高碳钢硬而脆，塑性、韧性也差。性也差。 低碳钢（纯铁或部分亚共析钢）一般轧成角钢、低碳钢（纯铁或部分亚共析钢）一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢带或钢板槽钢、工字钢、钢管、钢带或钢板, ,用于制作各种用于制作各种建筑构件、容器、箱

17、体、炉体和农机具等建筑构件、容器、箱体、炉体和农机具等 。含碳量与性能的关系含碳量与性能的关系随随C% Fe3 3C%， F% 由于由于Fe3 3C是硬质点，是硬质点， F 是软质点是软质点 强度强度b, 硬度硬度HB,冲冲击韧度击韧度k, 塑性塑性 , 耐磨性耐磨性当当Fe3 3C以网状分布时，以网状分布时， 脆性脆性当当C%0.9%时，随时，随C% 强度强度b （一）、选用材料：一）、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。 如需要良好塑性、韧性好材料，应选含碳量小于0.25%的钢； 需要强度、塑性、韧性都较好的材料，应选含碳量为0.30.55%的钢； 工具主要选用高碳钢工具主要选用高碳钢（二）、叛断切削加性能：（二）、叛断切削加性能： 低碳钢中