机械工程材料-2章 晶体结构、结晶与相图二

2.4.1铁碳合金的组元与基本相1纯铁的同素异构转变2.4铁碳合金相图

相图铁为元素周期表上第26号元素，原子量55.85，属于过渡族元素。熔点为1538℃，沸点为2862℃，室温密度7.87g/cm3。1）含义固态下，同一种元素的晶体由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

晶格由面心立方转变为体心立方，体积膨胀8%。晶粒细化热膨胀晶格由体心立方转变为面心立方，体积收缩8%

。(a)纯铁的同素异构转变(b)对晶粒的影响(c)纯铁的线膨胀率纯铁的同素异构转变及其作用

2）特点固态下的同素异构转变与液态结晶过程类似，遵循结晶的一般规律：①有一定的平衡转变温度；②需要一定的过冷度；③经历形核、长大的过程。但这种转变在固态下进行，原子扩散比在液态下困难，使同素异构转变还具有如下特点：①需要较大的过冷度；②纯铁同素异构转变引起晶体体积变化，并产生内应力。③在降温时，同素异构转变使晶粒细化。3）应用使钢铁材料可以通过热处理来改变组织，从而提高性能；利用它将常温下塑性较差的体心立方晶格转变为高温时塑性较好的面心立方晶格，从而进行钢材的热轧和锻造；使钢铁材料组织多样，性能多样，适应多种应用要求。铁素体(F)碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。体心立方晶格。727℃时固溶度为0.0218%；室温时，固溶度为0.0008%。碳在铁素体中最大固溶度时：即在1000个铁原子中只有一个碳原子，500个晶胞中最多有1个碳原子。铁素体性能：Rm=230MPa,A=50%,50～80HBS。2铁碳合金的基本相及其性能碳存在于八面体间隙中奥氏体(A)碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。面心立方晶格。1148℃时固溶度最大，2.11%，727℃时固溶度为0.77%。固溶度最大时：10个铁原子约能固溶1个碳原子，即奥氏体中每2.5个晶胞中最多可容纳1个碳原子。奥氏体硬度不高，易于塑性变形。

Rm=400～800MPaA=40～50%,（170～220）HBS碳存在于八面体间隙中渗碳体(Fe3C)铁与碳形成的金属化合物。渗碳体一般作为碳钢中的主要强化相。它的数量、形态及分布，对铁碳合金的机械性能有很大影响。渗碳体形状有片状、网状、球状和板状等形态。含碳量6.69%，熔点1227℃。硬度达800HBW，脆性大，韧性和塑性几乎为0。Fe3C中Fe原子可以被其它金属原子所置换，形成合金渗碳体，如（Fe、Mn)3C;(Fe、Cr)3C；部分C原子可被N、B所置换，形成Fe3（C、N);Fe3(C、B)渗碳体晶胞珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体交替排列的片层状组织，属于机械混合物。Wc=0.77%。珠光体的强度和硬度高，具有一定的塑性，其力学性能大致为：抗拉强度Rm＝750～900MPa，延伸率A=20～25%，冲击韧度αk=24～32J/cm2，硬度为180～280HBS。奥氏体和渗碳体的机械混合物，呈蜂窝状Wc=4.3%。莱氏体是渗碳体基体上分布着奥氏体组织，其硬度很高，脆性大，耐磨性能好，常用来制造犁铧、冷轧辊等耐磨性要求高并且工作时不受冲击的工件。1148℃下，随着温度降低，莱氏体中的奥氏体会发生转变，这样的莱氏体称为低温莱氏体，用符号“Ld′”表示。莱氏体（Ld）相图1铁碳合金相图2.4.2铁碳合金相图分析铁碳合金相图的横坐标代表铁碳合金的成分，常用含碳量（Wc％）表示；纵坐标代表温度（℃）。横坐标左端原点代表纯铁（Wc％＝0），右端末点代表含碳量为（Wc％＝6.69％）的Fe3C。奥氏体液相渗碳体铁素体珠光体莱氏体

共晶转变共析转变LC

(AE

+Fe3C)，Ld

1148℃AS

(FP

+Fe3C)，P

727℃两相区：

L+γ；L+Fe3C；γ+Fe3C；α+Fe3C。单相区：液相，L；奥氏体区，γ（或A）；铁素体区，α（或F）；渗碳体区，Fe3C。相图中的相区两个重要转变奥氏体液相渗碳体铁素体珠光体相图中的特征线液相线ＡＣＤ；固相线ＡＥＣＦ；共晶转变ECF；共析转变PSK。

碳在铁中最大溶解度点P（0.0218，727）：α-Fe中E（2.11，1148）：γ-Fe中Q（0.0008，RT）：室温下S（0.77，727）：共析（A＋F＋Fe3C）C（4.3，1148）：共晶（A＋L＋Fe3C）F（6.69,1148)渗碳体K

(6.69,727)渗碳体ES线：碳在奥氏体A中的溶解度曲线。最小S：0.77%，最大E：2.11%。随温度↓，最大溶解度↓，多余C以Fe3CⅡ形式析出。Fe3CⅡ多以网状析出，损害材料强度、塑性。PQ线：碳在铁素体F中的溶解度曲线，随温度降低，多余C以Fe3CⅢ形式析出，Fe3CⅢ数量很少，忽略。GS：A®F开始线;F®A结束线GP：A®F结束线;F®A开始线奥氏体液相渗碳体铁素体珠光体莱氏体固溶度线工业纯铁：<0.0218%C

亚共析钢：0.0218-0.77%C碳钢共析钢：0.77%C0.0218-2.11%C

过共析钢：0.77-2.11%C

亚共晶白口铸铁：2.11-4.3%C白口铸铁共晶白口铸铁：4.3%C

2.11-6.69%C

过共晶白口铸铁：4.3-6.69%C1铁碳合金的分类及组织

铁碳合金按含碳量和室温组织不同，分为：2.4.3典型铁碳合金结晶过程及其组织2碳钢的平衡结晶过程3铸铁的平衡结晶过程4铁碳合金组织60钢的室温组织QP=77.3%,

QF=22.7%σs=325MPa,δ=9%,HB200-24120钢的室温组织QP=23.8%,

QF=76.2%σs=205MPa,

δ=24%,HB105-15645钢的室温组织QP=58.4%,

QF=41.6%

σs=295MPa,

δ=14%,HB170-207

共析钢的室温组织：100%的珠光体相组成：F+Fe3C

QFe3C=11.5%;QF=88.5%

过共析钢室温组织:

P+Fe3CII(1.4%C的)共晶白口铁室温组织：Ld'

亚共晶白口铁：Ld'+A

过共晶白口铁：Fe3CI+Ld'1铁碳合金含碳量与组织的关系

F®F+P®P®P+Fe3CⅡ

®P+Fe3CⅡ+Ld′®Ld′®Ld′+Fe3C®

Fe3C2.4.4碳对铁碳合金组织与性能的关系2铁碳合金含碳量与性能的关系随着含碳量的增高，合金的强度、硬度、耐磨性增高。强度在Wc=0.9%时达到峰值。随着含碳量增高，合金的塑性和韧性降低。铁碳合金性能与含碳量的关系可结合组织进行分析：F强度硬度较低，塑性、韧性较好，是软韧相；P强度、硬度较高，塑性、韧性较低；Fe3C是硬脆相，塑性、韧性几乎等于零。随碳含量的增加，亚共析钢中P增多而F减少,强度随碳含量的增大而增大。组织越细密，则强度越高。当含碳量超过共析成分之后，Fe3CⅡ沿晶界出现，强度增高变慢，到约0.9%时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低，随着碳的进一步增加，强度不断下降。含碳量到2.11%后，合金中出现Ld′时，强度已降到很低。再增加碳含量时，合金基体为脆性很高的Fe3C，强度趋于Fe3C的强度（约20－30MPa)。Fe3C塑性极差，合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大，F量不断减少时，塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时，塑性就接近于零。1)在选材方面的应用

3Fe-FeC3相图的应用2)在制定热加工工艺方面的应用制定铸造工艺的依据：熔炼温度、浇注温度制定热处理工艺的依据：确定加热温度制定锻造工艺的依据：确定锻造加热温度若需要塑性、韧性高的材料，应选用低碳钢(Wc=0.10%～0.25%)；需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用中碳钢(Wc=0.25%～0.60%)；当要求硬度高、耐磨性好的材料时，应选用高碳钢(Wc=0.60%～1.3%)。例如：铸造成型的零件尽量选择共晶成分合金。问：不锈钢水杯？锉刀？在热加工方面的应用金属材料在外力作用下要经历二个变形阶段——弹性变形阶段和塑性变形阶段。在外力不超过弹性极限时，金属材料只发生弹性变形，一旦外力去除，由它引起的变形也即告消失。金属在弹性变形状态下，其内部原子间的距离会有所改变，但在外力去掉以后原子间距离即恢复原状。2.5金属的塑性变形当外力继续增大，使金属的内部应力超过了该金属的屈服极限以后，引起的变形即使外力去除也不会自行消失，这就是塑性变形。其实质是内应力迫使晶粒内部产生滑移和晶粒发生转动等变化，从而产生了塑性变形。弹性变形塑性变形外力去除后1滑移

滑移是金属中最常见的一种塑性变形机理。它是指晶体的一部分沿一定的晶面（原子密排晶面）和晶向（原子密排晶向）相对于另一部分产生相对位移。2.5.1塑性变形机理

晶体中原子密度最大的晶面(密排面)之间的距离最大，在此面上滑移时阻力最小；在密排面上，原子排列最紧密的方向（密排方向）之间的原子层间距也最大，在此方向上滑移阻力最小。因此滑移总是优先沿着密排面上的密排方向上进行，即滑移面为该晶格的密排面，滑移方向为该晶体的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。晶格体心立方面心立方密排六方晶胞滑移面6个4个1个滑移方向2个3个3个滑移系数量6×2＝124×3＝121×3＝3不同晶格金属的滑移系

外力P使单晶体零件内部在如图所示的滑移面和滑移方向上发生了滑移，下面求此滑移方向上的切应力分量τc的大小。

称为取向因子，不同的滑移系的取向不同，其取向因子就不同。

在某晶体任一确定的滑移面和滑移方向上，能使滑移发生所需要的切应力大小是固定的数值，用表示，称其为这一滑移系上的临界分切应力。它由材料成分及其晶体结构决定，与受力方向与晶体的滑移系方向无关。只能发生弹性变形不能滑移；才能发生滑移刃型位错的运动位错运动引起滑移模型单晶体以滑移方式进行塑性变形是通过位错运动实现的。这种变形方式的主要优点在于需要的应力小。整体滑移模型2孪生

滑移和孪生均是晶体在切应力作用下的变形方式。但孪生移动的原子较多，变形条件更苛刻一些，只在滑移变形难以进行时候才能够发生。图中有两个孪生面，两个孪生面之间的部分晶体称为孪晶带，此区域相对于其它部分发生了转动。孪晶带虽然发生了转动，但其晶格仍与未转动前完全一样，只是它与其它部分的晶体位向不同。孪生面是不同取向晶体的共有晶面，它实际是共格晶界，因此又被称为孪晶界。据研究，孪生面两侧的晶体呈镜面对称关系，如不能保持镜面对称，由于几何原因孪晶界就不能成为共格晶界，因此才将晶体的这种变形模式称为孪生，将以孪生面为对称面的两部分晶体称为孪晶。3晶界参与并协调变形晶界是相邻晶粒的过渡区，原子排列不规则。当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来(即位错的塞积)。多晶体中每个晶粒的位向不相同，有些晶粒所处的位向取向因子较大，分切应力较大，在这些位向上容易滑移，称为“软位向”；另一些晶粒所处的位向难于滑移，称为“硬位向”。处于软位向的那些晶粒，首先发生大量滑移，在滑移过程中使晶粒转动。导致所有晶粒的位向重新调整，使有些晶粒由“硬位向”转动到“软位向”开始滑移。由此可见，多晶体中不同晶粒的塑性变形有先有后，各晶粒的变形量大小不一。晶界在塑性变形时也起重要的作用，主要体现在：①晶界阻碍位错运动；②晶界对变形起协调作用。由于各相邻晶粒之间存在位向差，一些晶粒首先发生塑性变形，在晶界对变形起协调作用下，周围的晶粒也发生了转动或产生一定的变形，使晶粒间保持连续性。综上所述，金属的晶粒越细，晶界总面积越大，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，其塑性变形的抗力便越大，表现出强度越高。另外，金属晶粒越细，参与滑移的晶粒数目越多，塑性变形由更多的晶粒分散承担，不致造成应力集中，从而推迟了裂纹的产生，使断裂前发生的塑性变形量增大，表现出塑性的提高。在强度和塑性同时提高的情况下，金属在断裂前需要消耗大量的功，因而其韧性也比较好。1对组织的影响金属塑性变形后，晶粒形状发生改变，原本等轴状的晶粒在力的作用下被拉长或被压扁。在大量变形之后，晶内位错分布不均匀，使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。大量位错在亚晶粒边界上聚集。2.5.2塑性变形对组织和性能的影响

塑性变形后

塑性变形前金属塑性变形程度达70%以上时，由于晶粒发生转动，使变形后各晶粒的位向大致趋近于一致，形成特殊的择优取向。这种各个晶粒位向大致趋近于一致的结构称为形变织构。形变织构一般分为两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，称为丝织构，例如低碳钢经大变形量冷拔后，其<100>平行于拔丝方向；另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向，称为板织构，低碳钢的板织构为{001}<110>。2对性能的影响金属冷塑性变形时，出现强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象，称为形变强化。形变强化可用来提高金属的强度和硬度。对那些不产生相变，不能通过热处理强化的金属材料，形变强化非常重要。形变强化同时造成材料塑性、韧性降低，不利于材料使用，也使材料失去了进一步进行塑性变形的能力，不能继续塑性加工。如还需要进行塑性加工，可对变形过的材料进行退火处理，消除变形晶粒内的大量位错，材料