金属工艺学第二章

第二章铁碳合金第一篇金属材料的主要性能一、纯铁的晶体结构及其同素异晶结构金属在固态下一般都是晶体。1、金属的结晶金属的冷却曲线过冷概念：结晶基本规律：晶核不断的形成和长大同时进行（晶核有自发晶核、外来晶核）形成晶核晶粒长大直至相互接触为止。由于先后不同，晶粒大小也不同。结晶过程：金属晶粒的粗细对力学性能影响:同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性韧性也越好。晶核越多，晶粒越细。细化铸态晶粒的主要途径：1.加快冷却速度，以增加晶核；2.变质处理，以增加外来晶核;3.用热处理细化晶粒;4.用压力加工（塑性加工）方法细化铸态金属的晶粒。2、纯铁的晶体结构纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种1.体心立方晶格例：Gr、Mo、W、α-Fe2.面心立方晶格例：Cu、Al、Ag、Au、γ-Fe

两种晶格金属力学指标不同，体心立方金属强度较好，面心立方晶格金属塑性较好。

3、纯铁的同素异晶转变（同素异构现象）同素异晶转变—随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象。Ex：纯铁在1394℃和912℃发生同素异晶转变。同素异晶转变时，原子的排列密度、体积也随之改变，这种改变使金属内部产生组织应力（内应力）。★材料能同素异晶转变，是进行热处理条件之一.二、铁碳合金的基本组织合金—两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质。

现实工程中大量使用合金的原因：

合金比纯金属强度、硬度高，且成本低。

改变合金的成分或进行热处理,可调节材料性能。组元—组成合金的元素，称为组元。（合金中的稳定化合物也可作组元，例如Fe3C）相—在合金中，凡化学成分和晶格构造相同、并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。

例如：钢液是液相。组织—不同的相的体态特征称为组织。铁碳合金组织（3类）：固溶体，金属化合物，和机械混合物（一）固溶体（铁素体F、奥氏体A）固溶体—两种或两种以上的组元互相溶解，溶质的原子进入溶剂晶格，仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称为固溶体。又分置换固溶体和间隙固溶体。固溶体组织可通过固溶强化提高性能。1.铁素体F碳溶解于α—Fe中形成的固溶体，呈体心立方晶格。特点：铁素体溶碳量少，固溶强化作用甚微；强度低；硬度低；塑性、韧性好。铁素体金相图片

铁素体晶粒多为明亮的多边形晶粒，晶界较曲折。

2.奥氏体A碳溶入γ-Fe（912℃

-1394℃）中形成的固溶体，呈面心立方晶格。特点：高温组织；强度不高，硬度不高；塑性优良。例如：锻造和轧制时为有利于塑性变形，通常将钢加热到高温，使之呈奥氏体状态有利于塑性变形。多边形晶粒，晶界较铁素体晶界平直，存有双晶带。

（二）化合物（代表产物渗碳体Fe3C）

金属化合物—各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，它是单相组织。化合物性能特征：硬而脆

例如：渗碳体Fe3C

渗碳体（Fe3C）特点：硬度极高，高达800HBS，可以划玻璃；塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零；在钢中的渗碳体数量、形态、分布对钢的性能影响很大；渗碳体在一定条件下可发生分解：（用于灰铸铁可锻化退火）Fe3C→3Fe+C石墨(三)、机械混合物（代表产物珠光体P、莱氏体Ld、Ld´）机械混合物——各组元按一定比例混合而形成的两相组织，例如可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格。性能：性能介于各组成相性能之间，与各组成相的形状、大小、和分布有关。例如：铁碳合金中的机械混合物有珠光体P和莱氏体Ld、Ld´

。1.珠光体P或（F+Fe3C）

铁素体和渗碳体组成的机械混合物特征：珠光体的含碳量为0.77%力学性能：

σb≈750MPa；HB=180HBSδ=20%～25%、aK=30～40J/cm2层片状，其中白色基体为铁素体,黑色层片为渗碳体。二、铁碳合金状态图

铁碳合金状态图：是表明平衡状态下含碳不大于6.69%的铁碳合金的成分,温度与组织之间关系.铁碳合金状态图实际为Fe-Fe3C的状态图.（含C>6.69%在工业上无实际意义,而含C=6.69%时,Fe与C形成Fe3C,故可看成一个组元)（一）铁碳合金状态图的分析铁碳合金状态图中点的意义A:纯铁熔点含碳:0%

1538℃C:共晶点

4.3%

1148℃D:Fe3C熔点

6.69%

1227℃E:碳在A体中最大溶解度2.11%

1148℃F:

Fe3C成分点

6.69%

1148℃G:α-Fe与γ-Fe转变点

0%

912℃S:共析点

0.77%727℃P:碳在α-Fe中最大溶解度

0.02%727℃Q:碳在α-Fe中溶解度

0.0008%

600℃

铁碳合金状态图中线的意义

1)

ACD:液相线,液体冷却到此线开始结晶.2)

AECF:固相线此线以下合金为固态3)

ECF:共晶线，生铁固相线,液体转变为Ld体4)

AE:钢的固相线,液态到此线转变为A体5)

GS（A3线）A体到此线开始析出F体6)

ES（Acm线）A体到此线开始析出Fe3CⅡ体7)

PSK（A1）共析线.A体同时析出P(F+Fe3C)体钢铁分类

1工业纯铁:含C<0.0218%

组织:F

2钢:含碳:0.0218%~2.11%共析钢

含C=0.77%

组织:P亚共析钢

含C<0.77%

组织:P+F过共析钢

含C>0.77%

组织:P+Fe3CⅡ

3铁（铸铁生铁）

含C:2.11%~6.69%共晶铸铁

C=4.3%

组织:Ld’亚共晶铸铁

C<4.3%

组织:P+Ld’+Fe3CⅡ过共晶铸铁

C>4.3%

组织:Ld’+Fe3CⅠ（二）钢结晶过程组织转变1共析钢L→L+A→A→

P（室温组织P）2亚共析钢L→A+L→A→A+F→

F+P（室温组织F+P）3过共析钢L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→

Fe3CⅡ+P（室温组织Fe3CⅡ+P）本章小结及要求：了解金属结晶、晶体结构、同素异晶（构）转变概念；熟悉晶粒大小与机械性能关系及晶粒细化方法：（重点）