第二章 工程材料结构

第二章工程材料结构教学目标:

１．理解基本概念２．掌握Fe-Fe3C状态图的应用学习目的:

通过本章的学习，了解金属及合金的组织结构，理解和掌握铁碳合金相图的内容与应用本章重点内容:1.金属的结构，结晶条件、规律及控制

2.铁碳合金的基本组织

3.铁碳合金相图的内容与意义与应用非晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等第一节金属的结构晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等一、纯金属的晶体结构第一节金属的结构一、纯金属的晶体结构晶格常数—晶胞的三个棱边的长度a,b,c晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。晶格：通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。晶体结构—晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式.

1.晶体结构基本概念

①晶胞原子数：一个晶胞内含有的原子数目。

②原子半径：晶胞中最近的两原子之间距离的一半。

③致密度：指晶胞内原子实际占有的体积与晶胞体积之比。

④配位数：指晶格中与任一原子最近邻且等距离的原子数。显然，晶体中原子的配位数愈大，晶体中的原子排列愈紧密。各种晶体由于其晶格类型与晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。2.常见的金属晶格类型（１）体心立方晶格

立方体晶胞，八个顶角和立方体中心各有一个原子，每个晶胞有原子２个。常见金属有：Cr、W、Mo、V和α-Fe等。配位数：体心立方晶格配位数为8致密度：68%

（２）面心立方晶格

立方体晶胞，八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞有原子４个。常见金属有：Al、Cu、Ni、Au、Ag和-Fe等。配位数：面心立方晶格配位数为12致密度：74%（３）密排六方晶格正六棱柱体晶胞，12个顶角和上下面中心各有一个原子，晶胞内还有３个，每个晶胞有原子6个。常见金属有：Mg、Zn、Be和Cd等。配位数：密排六方晶格配位数为12致密度：74%

晶格类型不同，原子排列的致密度（晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值）也不同。体心立方晶格的致密度为68%，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度均为74%。晶格类型发生变化，将引起金属体积和性能的变化。3．晶面与晶向的表示方法不同晶面和不同晶向上原子排列的状态是不同的。为了便于表示各种晶面和晶向，用统一的晶面指数和晶向指数来表示，国际上通用的是密勒（Miller）指数。

在金属中，许多性能现象与特定的晶面和晶向关系很大。

晶面：晶格中各方位的原子面晶向：任意两个原子连线所指的方向（1）立方晶系的晶向指数

①选定晶胞中的任一结点为坐标原点，并以该点连接的三条棱边作为坐标轴，即ox、oy、oz（反向为负）。

②以晶格常数a作为坐标轴上的度量单位,并通过坐标原点作一直线平行于所求的晶向。

③求出该直线上任一点的三个坐标值。

④将三个坐标值化为最小整数，并加方括号，即为所求的晶向指数，可写成[uvw](2)立方晶系的晶面指数①选定晶胞中的任一结点为坐标系原点，以与该点连接的三条棱边为坐标轴，即ox、oy、oz（反向为负值）。

②以晶格常数a作为坐标轴上的度量单位，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距（截距为负值时，在指数上方加“－”号，如晶面与某平面平行，则截距为∝）。

③求出3个截距的倒数并化为最小整数。

④将3个整数加圆括号，即为所求的晶面指数。可写成（hkl）。

（3）原子密度不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列紧密程度是不一样的。体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为{110}。称密排面；原子密度最大的晶向族是<111>，称密排方向。（4）各向异性在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同，则原子间结合力大小也不同，因而金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。4.金属的实际结构与晶体缺陷

1）.多晶体结构单晶体——晶体内部的晶格位向完全一致。晶粒——外形不规则，呈颗粒状的小晶体。晶界——晶粒与晶粒之间的界面。多晶体——由许多晶粒组成的晶体。

2）.晶体缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。 这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。点缺陷线缺陷面缺陷自然界金属材料都是多晶体

（１）点缺陷

晶格空位、间隙原子、异类原子 使金属材料强度和硬度增加，塑性和韧性降低。（２）线缺陷

刃型位错、螺型位错

强度、硬度增加，塑性、韧性下降。（３）面缺陷

晶界和亚晶界金属强度、硬度增高，塑性也增高。晶界亚晶界※金属晶体缺陷的影响？

点缺陷--造成局部晶格畸变,使金属的电阻率;屈服强度增加,

密度发生变化。

线缺陷--形成位错对金属的力学性能影响很大，位错密度越大，金属强度也提高。

面缺陷--晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，同时塑性、韧性也有一定幅度提高。

5.纯金属的结晶纯金属的冷却曲线（理想状态）ºCTº

L

ab

S0a：结晶开始点b：结晶终了点1）.金属结晶的基本规律纯金属的冷却曲线（实际）ºC

LT0T1S0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0--T1（过冷度）结晶的必要条件----温度改变金属的结晶过程：

原子团（杂质）

形核

晶核长大

小晶粒

晶粒（外形不规则的小晶体）形核：自身晶核、外来晶核晶核长大方式：树枝状方式（视频）晶界—晶粒间的分界面；（视频）晶核的长大方式—树枝状金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶细化晶粒的方法增加冷却速度，增大过冷度；变质处理，增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；晶粒粗细对材料力学性能的影响

晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。2）.金属结晶后的晶粒大小

1.基本概念合金

合金是以一种金属元素为基础，加入另一种或几种金属或非金属元素组成的具有金属特性的物质。组元组成合金的基本单元称为组元。合金中的组元可以是金属元素和非金属元素，也可以是稳定化合物。

合金系以不同比例配比的一系列同种合金叫做合金系。二、合金的相结构相合金中，具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开、均匀的组成部分。组织指用肉眼或显微镜观察到的不同的组成相的形状、尺寸、分布及各相之间的组合状态。(1)合金

由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属特性的物质.

普通黄铜：Cu+Zn

45钢:

铁碳合金

合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、强磁性、耐蚀性等。(2)组元

组元可以是金属、非金属或稳定化合物组成合金的独立的，最基本的单元(3)合金系

若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金（4）相在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。问题：水、油混装在一个瓶子里，是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？（5）组织合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。不同组织具有不同的性能。由不同组织构成的材料具有不同的性能。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能。45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织。并获得不同的性能。组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌。2.合金的结构

1）固溶体：由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原子。当A、B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的铁素体、奥氏体。（1）固溶体分类置换固溶体和间隙固溶体的区别碳

在

α－Fe中

的

间

隙

固

溶

体铜

和

金

形

成

的

置

换

固

溶

体（2）固溶体的性能固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提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。固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相。固溶强化的原因

由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。2）金属化合物它是合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。

例如：Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典型的金属化合物。根据金属化合物的相结构不同，可分为三类。①正常价化合物

指符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变，可用化学式表示。金属中常见的有：Mg2Si、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP等。这类化合物性能的特点是硬度高、脆性大。②电子化合物

指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的物质。金属中常见的有：Cu-Zn、Cu-Si、Cu-Al、Cu-Si等。电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性。它们的熔点和硬度都较高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。

③间隙化合物

指过渡族金属元素与C、N、H、B等原子半径很小的非金属元素形成的化合物。根据其结构特点，可分为间隙相和复杂结构的间隙化合物2种。间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，将形成具有简单晶格结构的简单化合物。间隙化合物：当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，将形成具有复杂晶格结构的间隙化合物。最具有代表性的复杂晶格间隙化合物是铁与碳形成的Fe3C，呈复杂斜方晶格。金属化合物主要用来作为碳钢、各类合金钢、硬质合金及有色金属的重要组成相及强化相。而性能除固溶强化影响外，还取决于金属化合物的种类和数量。弥散强化

当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将显著提高合金的强度、硬度和耐磨性,此现象称为弥散强化。

3）机械混合物（多相复合组织） 由纯金属、固溶体、金属化合物等组成合金的基本相。两种或两种以上的相按一定的质量百分数组合成的物质。特点：保持各组元的晶格类型。性能取决于各组成相的性能及分布状态。思考题1在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？2为什么晶粒越细小其力学性能越好？3如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？合金的冷却曲线ºCa

bLsL+s0a：结晶开始点b：结晶终了点合金的结晶是在一个温度范围内完成。三、合金的结晶二元合金相图相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关系的图形。（又称状态图，平衡图）相图的建立二元合金相图的建立

匀晶相图上临界点：上相变点L1…下临界点：下相变点α1…两相区L+α单相区L单相区α液相线固相线结晶过程：L1→

α3固溶体合金结晶的特点：在一定温度范围内结晶；已结晶的固相成分不断沿固相线变化，剩余液相不断沿液相线变化。杠杆定律

在合金的结晶过程中，液、固两相的相对量是变化着的，在某温度下液、固两相的相对量可用杠杆定律来计算。已知：温度t时，设合金的总质量为1，固相α质量为Qα，液相L的质量为QL。且液相中含B量为X’’，固相中含B量为X′,合金中含B量为K。

若t为已知温度，则X′与X"都是已知数，即可计算出Qα与QL的质量百分数。枝晶偏析

在实际生产中，冷却速度较快，原子扩散来不及充分进行，导致先后结晶出的固溶体成分存在差异，晶粒内部化学成分不均匀现象称为晶内偏析（又称枝晶偏析）。枝晶偏析会使塑性、韧性显著下降，通常扩散退火工艺来消除。

共晶相图溶解度曲线最大溶解度点共晶线共晶点共晶合金亚共晶合金共晶相图：液态无限互溶，固态有限互溶；匀晶相图：液态无限互溶，固态无限互溶共晶转变——恒温下，液相中同时结晶出二个成分、结构不同的固相

L→

α+β

转变产物：共晶体（共晶组织）——两固相的机械混合物包晶相图包晶转变：恒温下，一个固相与液相作用生成另一个固相

L+α→

β与共晶转变比较：同：恒温转变，同时生成两个成分、结构不同的固相异：共析

——母相是固相，在固态转变

共晶

——母相是液相，在液态转变共析相图Lγα

α+

β

β共析转变：恒温下，一个固相中同时析出两种成分、结构不同的固相。γ→

α+β转变产物：共析组织（共析体）

——机械混合物1.金属的同素异构（晶）转变1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方金属的同素异晶转变的慨念

金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。

金属的同素异晶转变的意义

可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。动画演示

2.铁碳合金的基本组织

1）铁素体（F）

碳溶于α—Fe中形成的间隙固溶体，用符号F（或α）表示。性能：与纯铁相似，强度、硬度低，而塑性和韧性好。组织：呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。

600℃溶碳量0.008%727℃溶碳量0.0218%

2）奥氏体（A）

碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体，用符号A（或γ）表示。性能：有一定的强度和硬度，塑性和韧性好，适于进行锻压加工。组织：与铁素体相似，晶粒呈多边形，但晶界较铁素体平直.727℃溶碳量0.77%1148℃溶碳量2.11%

3）渗碳体（Fe3C）

铁和碳形成的一种具有复杂斜方晶格的间隙化合物，用化学分子式Fe3C表示。

ωc=6.69%熔点为1227℃

性能：硬度很高，脆性很大，塑性极差。组织：常以片状、球（粒）状和网状等不同形态存在。

4）珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。

ωc=0.77%

性能：介于铁素体与渗碳体之间，即综合性能良好。

5）莱氏体 (高温、低温)ωc=4.3%的合金，缓慢冷却到1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织，用符号Ld表示。性能：与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。（1）铁素体（F）—

（2）奥氏体

(A)—（3）渗碳体(Fe3C)—室温时的性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性和韧性好

具有一定的强度和硬度，塑性也很好

硬度很高（约1000HV），塑性、韧性几乎为零，极脆

铁素体与渗碳体（F+Fe3C）—珠光体（P）奥氏体与渗碳体（A+Fe3C）—高温莱氏体（Ld）珠光体与渗碳体（P+Fe3C）—低温莱氏体（L’d）三种复相组织碳溶于α-Fe中的间隙固溶体碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体铁与碳形成的金属化合物3.铁碳合金相图在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，合金系中各种合金组织状态与温度、成分之间关系的图形，是分析铁碳合金组织及其变化规律的有效工具。通过铁碳合金相图可以了解合金的结晶过程和规律，了解铁碳合金系中任何成分的合金在某一温度下的组织状态，存在几个相，每个相的成分是多少等以及发生结晶和相变的温度。

Fe-Fe3C

相图FeT°Fe3C（1）铁碳合金相图的建立

ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图(P+Fe3C)铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm

铁碳合金相图中主要特性点的含义

特性点的符号温度t/℃含碳量wc%含义

A

C

D

E

G

P

S

Q

1538114812271148912727727

室温04.36.692.1100.020.770.0008纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度α-Teγ-Te同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度相图中主要线的含义ACD线—液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线—固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线（A1线）含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线—(Acm线)是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。铁碳合金含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。共晶生铁：

含碳量为4.3%;亚共晶生铁：含碳量在2.11%—4.3%之间；过共晶生铁：含碳量在4.3%—6.69%之间；含碳量小于0.0218%的铁碳合金。工业纯铁钢生铁

含碳量为0.0218%—2.11%的铁碳合金。根据金相组织的不同，可分为三种。共析钢：含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在0.0218%—0.77%之间；过共析钢：含碳量在0.77%—2.11%之间；两种反应：1148℃1、共晶反应

一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两