机械制造基础 1-2(上传)

第一篇金属材料导论第二章铁碳合金07二月20232.1纯铁的晶体结构及同素异构转变

液体晶体晶体：

原子排列是有序的，原子在三维空间做规则的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性液态金属:

原子排列杂乱无章呈无序状态。金属的结晶1金属的这种由液体转变为晶体的现象叫做结晶。07二月2023结晶凝固过程可分为两个阶段：即晶核（结晶中心）的形成和晶核的成长。晶核的形成过程中一些原子自发地聚集在一起，称自发晶核；液态金属中一些外来的微细固态质点也可形成晶核，称作外来晶核。金属的结晶207二月2023结晶主要是在晶体的生长线速度最大的方向上发展，这样就形成晶轴，并逐渐成长为树枝状晶体。当全部长大的晶体互相抵触时，液态金属即已耗尽，结晶过程宣告完成。每个晶核长成的晶体又叫晶粒，晶粒之间的接触面叫做晶界。金属的结晶307二月2023液态金属冷却到理论结晶温度以下才开始结晶的现象，叫做过冷

金属的结晶温度℃时间s理论结晶温度实际结晶温度过冷度4过冷度大小与冷却速度有关，冷却速度↑，过冷度↑。过冷度↑↓↓晶核数量↑，结晶时间↓↓↓晶粒越细小！07二月2023晶粒的粗细对于金属的机械性能影响很大。晶粒愈细，机械性能愈好。细晶强化的方法：——↑过冷度（中、小型零件）——变质处理↑形核率——震动、搅拌结晶——热处理和压力加工的方法使固态金属的粗大晶粒得以细化。细晶强化?金属型or砂型507二月2023金属的晶体结构晶体中原子排列的情况如图所示。把每个原子看成一个点，这个点代表原子的振动中心。把这些点用直线连接起来，便形成一个空间方格，称作晶格。晶格中每个点叫做结点，结点代表原子在晶体中的平衡位置。晶格中每个结点周围都具有完全相同的邻点，各个方位的原子平面称作晶面。607二月2023晶格的最小单元叫做晶胞，它代表整个晶格的原子排列规律。晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小以(10-10m)来度量。最常见和最典型的晶格类型有以下三种。金属的晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格7ɑ-Fe、V、Cr、b-Tig-Fe、Al、Cu、AuMg、Zn、ɑ-Ti1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe07二月20238有些金属（如铁．锡．钛．锰等）的晶格类型，因温度而异。一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。金属的同素异晶转变07二月20231394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe物理现象：放热现象——等温转变。有体积变化——面心立方晶格中铁原子排列比较紧密，密度增大。9金属在固态时改变其晶格类型的过程叫金属的同素异晶转变。一定温度下，固态晶格类型发生转变——重结晶/再结晶重结晶具备这样的特点（1）需要较大的过冷度重结晶的过程遵循结晶规律：有一定的转变温度——过冷、有潜热发生。转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大完成的。但由于同素异晶转变在固态下进行，原子扩散↓，△T↑（2）产生较大的内应力

晶格转变→V变化→内应力。如g-Fe转变a-Fe，V↑1%，产生内应力，严重时导致工件的变形和开裂。07二月202310思考题：

一块纯铁，由911℃缓慢加热到913℃，铁的体积会如何变化？07二月202311碳的同素异构现象：金刚石——石墨——碳纳米管07二月202312针状兼具金属和半导体性强度为钢的100倍比重仅为钢的1/6第二节铁碳合金的基本组织基本概念：1.组元：组成合金的最基本单元。通常是指组成该合金的元素或某些化合物。（黄铜）2.相：凡是化学成分相同、晶格结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。4.在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形貌、图象称为组织，合金又可分为不同的组织。07二月202313铁碳合金的基本组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。固溶体：α（或F）、γ（或A）金属化合物：Fe3C机械混合物：P、Ld07二月202314一、固溶体（SolidSolution）某些合金的组元在固态时，具有一定的互相溶解能力。溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。

07二月202315间隙固溶体和置换固溶体铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体

间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置。固溶体

置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子。

07二月202316“固溶强化”通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大的缘故。因此固溶强化是材料的一种主要的强化途径。07二月202317固溶体的性能当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变。其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。07二月202318铁素体：碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体（F）。C在F中的溶解能力小，最大溶解度在727℃，为0.0218%，T↓，其溶解度↓室温时溶解度为0.006%。力学性能及物理、化学性能与纯铁相近，塑性好、韧性好（δ=45-50%），强度、硬度低（sb=250MPa、80HBS）。在770℃以下有磁性，超过这个温度，磁性消失。07二月202319奥氏体：碳溶解在γ-Fe中的间隙固溶体（A）。奥氏体的碳溶解能力比F大，在1148℃时，最大溶解度为2.11%，随T↓，溶解度↓，727℃时，为0.77%。奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性高——钢的锻造（奥氏体温度）。07二月202320二、金属化合物（Compound）合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质，称为金属化合物。铁碳合金中的渗碳体（Fe3C）属金属化合物，是复杂晶格的铁与碳的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子。含碳量为6.69%硬度很高800HB，塑性、韧性几乎为零，脆而硬。Fe3C在钢和铸铁中呈片状、网状或球状。是钢中重要的硬化相。渗碳体是亚稳定化合物，一定条件下分解。07二月202321渗碳体组织金相图07二月202322Fe3CPFe3C三、机械混合物（SolidMixture）定义：两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物质。混合物各相保持其原有晶格。混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。F（体心）+Fe3C（复杂）——P（体心+复杂）铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。07二月202323珠光体：A发生共析转变所形成的F与Fe3C的混合物－共析体（P），含碳量为0.77%综合性能↑。莱氏体：液态铁碳合金发生共晶转变所形成的A与Fe3C的混合物－共晶体（Ld）。含碳量为4.3%，硬度高，塑性差。07二月202324Fe3C相图——表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温度之间关系的图形。平衡——合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质量保持稳定，不随时间改变的状态。利用相图可以表示不同成分的合金、在不同温度下，由哪些相组成、相的成分和相的相对量如何，以及合金在加热或冷却过程中可能发生的转变。铁碳合金状态图07二月202325一、二元相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。07二月202326举例配制几组成分不同的Cu-Ni合金；分别将它们熔化，然后极缓慢冷却，同时测定其从液态到室温的冷却曲线；找出各冷却曲线上开始结晶的温度点TNi、1、2、3、4、TCu及结晶终了的温度点（称为临界点），TNi、1，、2

，

、3

，

、4

，

、TCu将各临界点坐标在以温度为纵坐标，以成分为横坐标，并将意义相同的临界点连接起来——得到Cu-Ni合金相图。07二月20232707二月202328C％℃912℃727℃0.77％2.11％SG1148℃0.4%1.2％E1.6％tt℃℃0%0.4%0.77%1.2％1.6％790℃880℃1000℃AusteniteFerrite+AusteniteFerrite+PearlitePearlite+Fe3CⅡAustenite+Fe3CⅡPearlite07二月202330铁碳合金状态图绘制原理301538℃912℃727℃C％0.77％2.11％4.3％6.69％SEF+PP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡAustenite+Fe3CⅡ+LedeburiteLd+Fe3CⅠLdA+LL+Fe3CⅠCADFKLGP1148℃Q1495℃1394℃0.0218%1227℃LFA1200℃1.0％1000℃3.0％F+Fe3CⅢ07二月2023311538℃912℃727℃C％0.77％2.11％4.3％6.67％F+PP+Fe3CⅡLFP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdAA+LL+Fe3CⅠCADFKL1148℃Q0.0218%GPSEA特征线段及区域Features07二月2023321538℃912℃727℃C％0.77％2.11％4.3％6.69％SEF+PP+Fe3CⅡLiquidFerriteP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdA+LL+Fe3CⅠADFKLGP1148℃A3Acm固相线Solidus液相线Liquidus共晶线Eutectic共析线A1Eutectoid液相线Liquidus固相线SolidusQ0.0218%AusteniteCementite基本相BasicPhase07二月202333C主要特性点的含义

(PropertyPoints)07二月2023特性点 温度℃ 含碳量％ 含义A 1538 0 纯铁熔点(meltingpoint)C 1148 4.30 共晶点(eutecticpoint)D 1227 6.69 渗碳体的熔点(meltingpoint)E 1148 2.11 C在γ铁中的最大溶解度(solubility)F 1148 6.69 渗碳体的成分(composition)G 912 0 α铁γ铁同素异构转变点(allotropicpoint)K 727 6.69 渗碳体的成分(composition)P 727 0.0218 C在α铁中的最大溶解度(solubility)S 727 0.77 共析点(eutectoidpoint)Q6000.006600℃时，C在α铁中的最大溶解度特征线段及区域34主要线段的含义T始晶连线ACD——液相线，即液态合金冷却到此线时开始结晶。T全晶连线AECF线——固相线，此线以下的合金为固体状态。ECF线——生铁的固相线，又叫共晶线。T始转连线GSE线GS线(析铁线)——习惯用A3来表示，开始析出铁素体。ES线(析碳线)——用Acm表示，开始析出渗碳体。T全转PSK线——又叫共析线，用A1来表示，共析反应析出珠光体。07二月2023特征线段及区域3507二月2023主要区域的含义ACDA区——液相区，又称L区，其中全部为金属液体。AESGA区——奥氏体区，又称A区，此区组织全部为奥氏体。GPQG区——铁素体区，又称F区，此区组织全部为铁素体。DFKL区——渗碳体区，又称Fe3C区，此区组织全部为渗碳体。液体L、铁素体F、奥氏体A和渗碳体Fe3C是铁碳合金的基本组织，或者说是基本晶体结构，即基本相，其他各区组织都由这些基本相按不同比例混合而成。特征线段及区域361538℃912℃727℃C％0.77％2.11％4.3％6.67％F+PP+Fe3CⅡLFP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdAA+LL+Fe3CⅠCADFKL1148℃Q0.0218%GPSEA结晶过程中的组织转变PhaseChangeinCrystallization07二月2023371538℃912℃727℃C％0.77％2.11％4.3％6.67％SEF+PP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPearliteF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdA+LCADFKLGP1148℃A3AcmQ0.0218%L+Fe3CⅠCarbonSteel123EutectoidSteelSolidusLiquidusEutecticEutectoidA1LiquidusSolidusLFAFe3CEutectoidReactionAsP(F+Fe3C)727℃07二月202338Ld’1538℃912℃727℃C％0.77％2.11％4.3％6.67％SEF+PP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ledeburite’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdA+LCADFKLGP1148℃A3AcmQ0.0218%L+Fe3CⅠCastIron12SolidusLiquidusEutecticEutectoidA1LiquidusSolidusLFAFe3CEutecticReactionLcLd(A+Fe3C)1148℃EutecticIronLedeburite07二月2023391538℃912℃727℃C％0.77％2.11％4.3％6.67％SEF+PP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠPF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdA+LCADFKLGP1148℃A3AcmQ0.0218%L+Fe3CⅠⅣEutectoidReactionEutecticReactionⅢⅤⅥHypoeutecticIronEutecticIronHypereutecticIronHypereutectoidSteelSolidusLiquidusEutecticEutecto