课题二金属的晶体结构、铁碳合金组织和相图

1、钢铁材料钢铁材料钢钢（含碳量小于（含碳量小于2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）铸铁铸铁（含碳量大于（含碳量大于2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）根据含碳量的不同分为根据含碳量的不同分为钢铁材料的生产方式钢铁材料的生产方式炼钢炼钢炼铁炼铁钢材生产钢材生产钢材种类钢材种类型材型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材线材：直径为直径为69mm的圆钢和直径在的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢以下

2、的螺纹钢课题二课题二 金属的晶体结构、铁碳合金组织和相图金属的晶体结构、铁碳合金组织和相图 金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。 非晶体非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则

3、可循。根据内部原子堆积的情况根据内部原子堆积的情况固态物质固态物质分类分类晶体晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等：如纯铝、纯铁、纯铜等非晶体：非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等玻璃、沥青、松香、石蜡等晶体晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。则作周期性地重复排列。晶体和非晶体的晶体和非晶体的根本区别根本区别晶体具有规则的外形。晶体具有规则的外形。晶体具有固定的熔点。晶体具有固定的熔点。晶体具有各向异性。晶体具有各向异性。晶体的特点晶体的特点纯铁晶粒纯铁晶粒的内部结的内部结构示意图构示意图体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面

4、心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 体心立方晶格 面心立方晶格密排六方晶格 BCC 结构 FCC 结构 CPH 结构 单晶体多晶体 在理想情况下，晶体内部的晶格位向是完全一致的，即晶体的原子是按一定几何规律做周期性排列而成，这种晶体称为单晶体 。 外形不规则，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，这些由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 晶核形成晶核形成晶核长大晶核长大纯铁结晶过程示意图纯铁结晶过程示意图 晶格空位晶格空位置换原子置换原子间隙原子间隙原子点缺陷是指长、

5、宽、高尺寸都很小的缺陷。点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷常见的点缺陷晶体缺陷晶体缺陷刃型位错（刃型位错（a）螺形位错螺形位错 （b）线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格所形成的线形缺陷区，即发生了所形成的线形缺陷区，即发生了“位错位错”。 常见的线缺陷常见的线缺陷面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸面缺陷是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，主要指晶界和亚晶界。很小而呈面状的缺陷，主要指晶界和亚晶界。由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或由两种或两种以上的

6、金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。 简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金或多元合金等。为二元合金、三元合金或多元合金等。是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。同成分的合金。是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构

7、和性质的均匀组是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成部分。成部分。是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决定材料最终性能的关键。是决定材料最终性能的关键。合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，可能出现两种基本相：固溶体和金属化合物。组分之间相互作用不同，可能出现两种基本相：固溶体和金属化合

8、物。固溶体固溶体金属化合物金属化合物置换固溶体间隙固溶体 指由合金中各组元指由合金中各组元的原子按一定比例相互的原子按一定比例相互作用而生成的一种新的作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。具有金属特性的物质。 机械混合物机械混合物 物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的排列（液态）为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的排列（液态）过渡到按照一定的几何形状作有秩序排

9、列（固态）的过程。过渡到按照一定的几何形状作有秩序排列（固态）的过程。TTn实际结晶温度 TO理论结晶温度 过冷度 Tm熔点 过冷现象过冷现象实际开始结晶实际开始结晶温度低于理论结晶温度的温度低于理论结晶温度的现象现象 。在金属液体中，总是存在着一些类似晶体中原子有规则排列的小集团。在金属液体中，总是存在着一些类似晶体中原子有规则排列的小集团。在熔点或熔点以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当在熔点或熔点以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当低于熔点时，这些小集团中的一部分长大至一定尺寸后，就能成为比较低于熔点时，这些小集团中的一部分长大至一定尺寸后，就能成为比较稳定的

10、小晶体。这些小晶体作为结晶中心，称为晶核。实际金属液体并稳定的小晶体。这些小晶体作为结晶中心，称为晶核。实际金属液体并不是很纯的，其中总有一些固态杂质存在，在结晶时，晶核大多依附在不是很纯的，其中总有一些固态杂质存在，在结晶时，晶核大多依附在这些固态杂质表面上形成。这些固态杂质表面上形成。 细晶强化细晶强化 同一金属, 晶粒细小的有更高的强度、硬度、塑性和韧性。铸造工艺中细化晶粒的方法：铸造工艺中细化晶粒的方法： 提高冷却速度，如用金属模等；提高冷却速度，如用金属模等； 变质处理变质处理(加形核剂孕育处理加形核剂孕育处理)； 搅拌处理；搅拌处理； 振动处理；振动处理；定义定义：金属在固态下，随

11、温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的：金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体现象称为同素异构转变。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为金属的同素异形体。称为金属的同素异形体。重结晶或二次结晶重结晶或二次结晶同素异构转变会使金属同素异构转变会使金属体积发生变化，产生较体积发生变化，产生较大内应力。这是钢热处大内应力。这是钢热处理时产生应力导致工件理时产生应力导致工件变形或开裂的原因。变形或开裂的原因。 铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应用最铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业

12、中应用最广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合金的成分、广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。组织和性能之间的关系。2.1 铁碳合金分类铁碳合金分类通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由FeFe3C相图中的相图中的P点和点和E点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。工业纯铁工业纯铁是指是指P点以左的铁碳合金（含碳量小于点以左的铁碳合金（含碳量小于0.0218%），室温组织为铁素体），室温组织为铁素体+少量少量三次渗碳体。工业纯铁的性能特点

13、是塑性韧性好，硬度和强度较低。三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较低。钢钢是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中P点成分与点成分与E点成分点成分之间的铁碳合金（含碳量之间的铁碳合金（含碳量0.0218%2.11%），具有良好的塑性，适于锻造、轧），具有良好的塑性，适于锻造、轧制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。白口铸铁白口铸铁是指是指E点成分以右（含碳量点成分以右（含碳量2.11%6.69%）的铁碳合金。白口铸

14、铁有较低的）的铁碳合金。白口铸铁有较低的熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。 含有质量分数为含有质量分数为0.10%0.20%杂质杂质的铁碳合金中的铁碳合金中，称之为工业纯，称之为工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适宜制作铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适宜制作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入少量碳机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中

15、加入少量碳元素，可形成等五种基本组织。元素，可形成等五种基本组织。铁素体、奥氏体、渗碳体、铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体珠光体、莱氏体 铁素体：铁素体：用用F表示表示碳溶解在碳溶解在a-Fe 形成的间隙固溶体。溶解度很小，形成的间隙固溶体。溶解度很小，铁素体的最大固溶度铁素体的最大固溶度0.0218% (727) 。因此，其性能与纯铁相似，即具有较好的塑性和韧性，但强。因此，其性能与纯铁相似，即具有较好的塑性和韧性，但强度和硬度较低。度和硬度较低。770 以下具有铁磁性，以上失去铁磁性。以下具有铁磁性，以上失去铁磁性。奥氏体：奥氏体：A碳溶解在碳溶解在 -Fe 中形成的间隙固溶体。溶解

16、度较强，中形成的间隙固溶体。溶解度较强，1148 溶碳量可达溶碳量可达2.11 %。强度硬度不高，没磁性，具有较好塑性，是绝大多数钢在高温锻造和轧。强度硬度不高，没磁性，具有较好塑性，是绝大多数钢在高温锻造和轧制时所需要的组织。制时所需要的组织。渗碳体：渗碳体：Fe3C铁与碳形成的金属化合物，含碳量铁与碳形成的金属化合物，含碳量6.69 %。硬度很高，但脆性大，。硬度很高，但脆性大，塑性差，伸长率和冲击韧性几乎为零。它是碳钢中主要的强化相，它的数量、形塑性差，伸长率和冲击韧性几乎为零。它是碳钢中主要的强化相，它的数量、形状和分布对钢的性能影响很大。在一定条件下可分解成石墨状的自由碳。这一点状和

17、分布对钢的性能影响很大。在一定条件下可分解成石墨状的自由碳。这一点在铸造工艺中具有重要意义。在铸造工艺中具有重要意义。基基本本相相珠光体珠光体：P 它是它是F和和Fe3C组成的的机械混合物，平均含碳量组成的的机械混合物，平均含碳量0.77 %，存在于存在于727 以下。其性能介于铁素体和渗碳体之间，大以下。其性能介于铁素体和渗碳体之间，大体上是两者性能的平均值，故珠光体的强度较高，硬度适体上是两者性能的平均值，故珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定塑性。中，具有一定塑性。莱氏体莱氏体：Ld或或Ld 1148 时从合金液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的时从合金液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混

18、合物，用混合物，用Ld 表示。表示。727时奥氏体还将转变为珠光体，时奥氏体还将转变为珠光体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体。性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。氏体。性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。注意：铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为基本相。注意：铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为基本相。珠光体和莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。珠光体和莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。碳的质量分数对缓冷碳钢力学 性能的影响硬度：不断升高塑性：不断降低韧性：不断降低强度：先升后降表2-1 FeFe3C相图中的特性点符号温度（）含碳量（%）说明A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分点G9120-Fe与-Fe同素异构转变点K7276.69Fe3C的成分点P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q600（室温） 0.0057（0.0008） 600（或室温）时碳在-Fe中的溶解