1、金属材料与热处理-金属学与金属材料

金属材料与热处理（之一）

----金属材料与金属学目录一、金属材料概念二、金属学基础概念三、钢中常见的组织四、铁碳合金相图五、合金元素在钢铁材料中的作用一、金属材料概念金属是指具有良好的导电性和导热性、有一定的强度和塑性、并具有光泽的物质，如铁、铝和铜等。金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料、并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和合金。金属（或金属材料）通常分为黑色金属和有色金属两大类：1、黑色金属以铁或以它为主而形成的物质，称为黑色金属，如钢和生铁。2、有色金属除黑色金属外的其它金属，称为有色金属，如铜、铝和镁等。

一、金属材料黑色金属分为钢和生铁。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，大于2.11%的铁碳合金称为铁。

1、铁的分类

炼钢生铁、铸造生铁（灰口铸铁、白口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁）。2、钢的分类

钢是含碳量在0.04%-2.1%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。二、金属学知识二、金属学知识金属的结构与结晶:

不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。金属力学的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决定的。

1、晶体结构的基本概念晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。根本区别：晶体中原子（或分子）在三维空间有规律地周期性重复排列，而非晶体不具备这一特点。二、金属学知识原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体晶体：非晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。金属的理想晶体结构2、金属材料的晶体结构①纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。金属原子趋向于紧密排列。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。常见纯金属的晶格类型有体心立方、面心立方和密排六方晶格。②晶体结构为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连结起来，就构成了有明显规律性的空间格子。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架，叫做晶格。晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。

晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。二、金属学知识3、金属晶格的类型

1）体心立方晶格

它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心，属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）、及a-铁（a-Fe）等金属。二、金属学知识⑵面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角和立方体六个面的中心，属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及r-铁（r-Fe）等金属。二、金属学知识3）密排六方晶格：

它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个角顶上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等金属。

二、金属学知识相：是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。单相合金两相合金二、金属学知识NaCl溶液（液相）未溶NaCl（固相）组织：

用放大镜或显微镜观察到的材料的宏观或微观形貌图像。（如宏观组织、微观组织、金相组织、单相组织、多相组织）显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。二、金属学知识二、金属学知识4、钢的晶粒度钢中晶粒大小的尺寸称为晶粒度，通常用显微晶粒级别指数G表示。在放大100倍的条件下，645.16mm2面积所包含的晶粒数n与G的关系为n=2G-1。二、金属学知识5、双相合金及多元合金

①合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。

二、金属学知识

②固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。

Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体二、金属学知识③

固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。④

机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。

⑤金属化合物：合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格铁碳合金中的Fe3C二、金属学知识合金相固溶体金属化合物有限固溶体无限固溶体按溶质原子位置分按溶解度分按溶质原子分布分间隙固溶体置换固溶体无序固溶体有序固溶体正常价化合物电子化合物尺寸因素化合物合金相的分类B2H6一些金属间化合物三、钢中常见的组织1、奥氏体

碳或其它合金元素溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或A表示。

是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。无磁性强度低、塑性好，钢材热加工都在

区进行.奥氏体三、钢中常见的组织2、铁素体

碳和其它合金元素溶入α-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，以α或F表示。右图为纯铁的铁素体金相组织三、钢中常见的组织3、渗碳体渗碳休是铁和碳组成的金属化合物，在碳素钢中用分子式Fe3C表示。Fe3C硬度高、强度低(b35MPa),脆性大,塑性几乎为零。由于碳在

-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体三、钢中常见的组织4、珠光体珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，通常呈片层状相间分布，片层间距和片层厚度主要取决于奥氏体分解时的过冷度。

珠光体转变根据片层的厚薄不同珠光体(P)索氏体(S)屈氏体(T)形成温度A1～650℃形成温度为650～600℃形成温度为600～550℃片层较厚片层较薄片层极薄珠光体(P)索氏体(S)屈氏体(T)室温平衡状态下铁碳合金组织中基本组成物的机械性能名称符号结合类型Rm(MPa)HBZ(%)AK（J）铁素体F碳在α-Fe中的固溶体（体心立方晶格）2308050160渗碳体Fe3C铁和碳的金属化合物（复杂晶格）30800≈0≈0珠光体P铁素体与渗碳体的机械混合物75018020-2524-325、莱氏体（Le）力学性能：σb=30MPa；δ=0；HB=700

莱氏体—是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。

1148℃，4.3%C

6、钢中其他非平衡组织a、马氏体

马氏体是碳与合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，是合金在冷却过程中所发生的马氏体转变产物的统称，用M表示。

b、贝氏体（B）：过冷奥氏体在中温区间（约250—4500C）相变产生的过饱和的铁素体和渗碳体混合物。c、魏氏组织：亚共析钢因为过热而形成的粗晶奥氏体，在一定的过冷条件下（较快），除了在原来奥氏体晶粒边界上析出块状α-Fe外，还有从晶界向晶粒内部生长的片状α-Fe。d、带状组织：经热加工后低碳结构钢显微组织中，铁素体和珠光体沿加工方向平行成层分布的条带组织。

e、σ相：是在研究Fe-Cr合金变脆时发现的一种合金相。相图（状态图）——表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。

温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心1538℃1394℃912℃温度℃成分相图（状态图）的作用是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。

五、铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.1、铁碳合金状态图⇄⇄⇄⇄⇄LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

1）

特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD⑵三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄

J

ECF：共晶线LC⇄

E+Fe3C共晶产物是

(A)与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Ld表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体铁碳合金相图PSK：共析线

S

⇄FP+Fe3C共析转变的产物是A与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。铁碳合金按含碳量划分为七种类型(1)工业纯铁

<0.0218%C(2)

共析钢

0.77%C(3)

亚共析钢

0.0218~0.77%C(4)

过共析钢

0.77~2.11%C(5)

共晶白口铸铁

4.30%C(6)

亚共晶白口铸铁

2.11~4.30%C(7)

过共晶白口铸铁

4.30~6.69%C2、金属的结晶过程a．金属结晶的过冷现象温度℃时间T0TnΔT冷却曲线过冷度b．金属的结晶过程结晶形核长大过冷度=理论结晶温度-实际结晶温度自发形核非自发形核晶粒晶界

金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。

同素异晶转变—在固态下，随着温度的变化，金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。L1538℃1394℃912℃

一种金属能以几种晶格类型存在的性质—称为同素异晶性。Fe、Sn、Ti、Mn温度℃时间1538℃1394℃912℃体心面心体心Fe3、金属的同素异晶转变4、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类Fe-Fe3C相图中不同成分的铁碳合金，具有不同显微组织和性能，通常根据相图中P点，E点将铁碳合金分为工业纯铁，钢和白口铸铁三大类。1）．工业纯铁成分P点以左（Wc<0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体和三次渗碳体。2）钢成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合金。其特点是高温固态组织为塑性很好的γ，因而可进行热加工。根据含碳量不同又可分为三类：（1）共析钢——含碳量=0.77%（2）亚共析钢——含碳量<0.77%（3）过共析钢——含碳量>0.77%3）

白口铸铁成分为E点右面（C%=2.11~6.69%）的铁碳合金。其特点是液态结晶时都有共晶转变，因而与钢相比有较好的铸造性能。但高温中组织硬脆的渗碳体量很多，故不能进行压力加工，根据相图：白口铸铁分为：共晶白口铸铁——C%=4.3%；亚共晶白口铸铁——C%<4.3%；过共晶白口铸铁——C%>4.3%5、工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图工业纯铁：成分P点以左（Wc<0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体和三次渗碳体。6、亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图亚共析钢—含碳量<0.77%7、共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图共析钢—含碳量=0.77%0(a)0.20%C(b)0.45%C(c)0.60%C亚共析钢的室温平衡组织

亚共析钢是应用最多的钢种8、过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图过共析钢—含碳量>0.77%模具过共析钢的高强度、高硬度可制作各类工具和模具9、共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图10、亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图11、过共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图

12．含碳量对铁碳合金组织和性能的影响FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+Le’Le’Le’+Fe3CC%00.772.114.36.690.02FPLe’Fe3CⅠFe3CⅡ碳钢的力学性能与含碳量的关系

2、锰的影响

一般认为锰在钢中是一种有益的元素。在碳钢中含锰量通常在0.25～0．80％范围；在含锰合金钢中，一般控制在1.0～1.2％范围。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；一部分锰也能溶于Fe3C中，形成合金渗碳体；锰还能增加珠光体相对量，并使它变细，从而提高钢的强度。锰与硫化合成为MnS，以减轻硫的有害作用。当锰含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不显著。1、锅炉压力容器常用碳素钢的含碳量一般不超过0.25%。除碳外，钢种还含有硅、锰、硫、磷以及氮、氢、氧等杂质。这些杂质会对钢的性能产生影响五、合金元素在钢铁材料中的作用

3、硅的影响

硅在钢中也是一种有益的元素。在镇静钢(用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢)中含硅最通常在0.10～O.40％之间；沸腾钢(只用锰铁脱氧的钢)中只含有0.03～0.07％Si。硅与锰一样，能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性均提高，塑性、韧性均降低。硅也有一部分存在于硅酸盐夹杂中。当硅含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的性能影响亦不显著。

五、合金元素在钢铁材料中的作用

4、硫的影响

硫主要以硫化铁形式存在。硫化铁与铁形成低熔点共晶体（熔点985℃）分布于晶界上，当钢材在800—1200℃锻轧时，由于低熔点共晶体熔化而使钢材沿晶界开裂，即“热脆”。

为了避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，锅炉压力容器专用钢板含硫量应≤0.020％。

在钢中增加含锰量，可消除硫的有害作用。Mn与S形成熔点为1620℃的MnS，MnS高温时又有塑性，因此可避免热脆现象。五、合金元素在钢铁材料中的作用

5、磷的影响

磷也是一种有害杂质。磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，并使脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。

磷的存在也使焊接性能变坏，因此钢中含磷量要严格控制，锅炉压力容器专用钢材含硫量应≤0.030％。五、合金元素在钢铁材料中的作用

6、氮、氢、氧的影响

氮使钢耐蚀性下降，以及出现应变实效脆化。氧使钢强、塑性降低，热脆现象严重，疲劳强度下降。氢会引起氢脆、延迟裂纹、白点等危险缺陷五、合金元素在钢铁材料中的作用7、铬

能提高钢的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，铬钢具有良好的综合力学性能，经淬火回火处理的铬钢，铬元素一般不降低其韧性。铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的主要元素，钢中铬含量越高，其抗腐蚀性能越好。通常，不锈钢的铬含量高于13％。由于铬能提高铬镍调质钢和高铬高碳钢的淬透性，因此冷却时要防止由组织应力而产生裂纹。高铬钢(含铬量超过12％～14％时)的导热性能很差，在热加工加热时应注意缓慢地升温，并有足够的保温匀热时间。高铬钢在成型加工时，每次变形量要小些。五、合金元素在钢铁材料中的作用8、镍

能使钢具有很高的强度、塑性和韧性。当镍含量少于20％时，其强度随镍含量增