第2章 第1、2节.ppt

1、第二章 铁 碳 合 金,第二章 铁 碳 合 金,金属材料通常分为有色金属和黑色金属两大类：,1、黑色金属 包括铁、铬、锰三种。但后两种实际生产中很少用，故黑色金属泛指铁或以铁为主而形成的铁碳合金。如钢和铁。,2、有色金属 除黑色金属以外其它金属称为有色金属，如铜、铝和镁等。,本章主要内容： 金属的晶体结构与铁碳合金性能及用途。,其原因是改变了金属内部的结构。因此，只有了解金属内部结构的变化规律，才能掌握金属材料性能的变化规律。,不同化学元素成份的材料具有不同的机械性能，即使是同一成份的材料，采用不同的加工工艺和热处理工艺也会有不同的性能。,第一节 金属的晶体结构与结晶,一、金属的结构与结晶,固

2、态物质可分为，晶体和非晶体两类。原子呈无规律堆积的固态物质，称为非晶体。原子呈有规律堆积的固态物质，称为晶体 。,1.晶体与非晶体,晶体与非晶体的差异主要有:晶体具有规则的几何外形,而非晶体则不然;晶体具有固定的熔点,而非晶体是不定的;晶体具有各向异性,而非晶体则各向同性.,第二章 铁 碳 合 金,2.晶体结构的概念,1)晶格与晶胞 2)晶格常数,晶格是由许多大小、形状相同的几何单元反复堆积而形成的空间格架。而能完整反映晶格特征的最小几何单元就叫做晶胞。,不同的金属原子晶胞大小和形状是不一样的。晶胞大小可用品胞的棱边长度表示，则晶胞的形状可用棱边间夹角来表示。它们统称为晶格常数。,第二章 铁

3、碳 合 金,二、常见金属的晶体结构,1、体心立方晶格；2、面心立方晶格；3、密排立方晶格,第二章 铁 碳 合 金,三、金属的实际晶体结构,1、金属的多晶体结构,第二章 铁 碳 合 金,2、金属的晶体缺陷,实际金属不仅是多晶体，而且存在各种各样的晶体缺陷。一般分成： 1）点缺陷（ 如图2-4所示） 2）线缺陷（ 如图2-5所示） 3）面缺陷（是晶粒与晶粒之间的交界面）,由于在金属晶体内部存在着空位、间隙原子、位错、晶界和亚晶界等缺陷，都会造成晶格畸形，引起塑性变形抗力增加，从而使金属强度增加。,四、金属的结晶,物质从液态到固态的转变过程称为凝固。如凝固后能形成晶体结构，则称为结晶。结晶所形成的组

4、织，影响各种工艺处理后材料的性能。在机械制造中控制结晶过程是提高金属性能的一个重要手段。,第二章 铁 碳 合 金,图中： T0理论结晶温度； T1 实际结晶温度； T过冷度,1冷却曲线与过冷度,第二章 铁 碳 合 金,2 金属的结晶过程,金属的结晶过程就是由晶核的形成和晶粒的长大两个基本过程组成的。 1）形核 2）长大,第二章 铁 碳 合 金,3金属结晶后的晶粒大小,金属的晶粒大小对其力学性能影响很大。一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。 因为晶粒越细小，则晶界越多，越曲折，晶粒与晶粒之间相互咬合的机会就越多，越不利于裂纹的传播和扩展。增强了彼此之间结合力。不仅使金属

5、的强度、硬度提高，而且塑性、韧性也越好。晶粒大小对纯铁力学性能的影响如下表所示,第二章 铁 碳 合 金,因此，在实际生产中，要设法控制晶粒大小以获得不同性能的金属材料。而实际生产中，常采用控制冷却速度来得到较细晶粒的方法是很多的。,1）增大过冷度 2）变质处理 3）附加振动,五、金属的同素异晶转变 实验证明，在不同的温度区间，金属的晶体结构具有不同的晶格类型，称为同素异晶转变。,第二章 铁 碳 合 金,同素异晶转变，是金属的一个重要性能。凡是具有同素异晶转变的金属及其合金。都可以用热处理的方法改变其性能。同素异晶转变是钢铁能够进行热处理的内因和根据，也是钢铁材料能多种多样、用途广泛的主要原因之

6、一。,第二章 铁 碳 合 金,第二节 合金的晶体结构与二元合金状态图,纯金属虽然具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽，在工业上有一定使用价值。但因纯金属的强度不高，冶炼困难，价格成本较高。在实际生产中应用不多。而大量使用的金属材料主要是合金 。,一、基本概念,合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的。组成合金的独立的、最基本的单元称为组元。因此有二元合金、三元合和多元合金。,合金中聚集状态，成分和晶体结构相同的均匀部分称为相。相与相之间具有明显的界面，通常把合金中相的结构称为相结构，而把金相显微镜下面看到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。用肉眼和放大镜观察到的组织称为宏

7、观组织。在显微镜下观察到的组织称为显微组织。,第二章 铁 碳 合 金,若合金是由成份、结构都相同的同一种晶粒所组成的，则该合金中只有一个相，称为单相组织。若合金是由成份、结构不同的几种晶粒构成，则它们将属于不同的几种相，称为多相组织。,二、合金的相,合金的性能由组织决定，而组织由相组成。所以，在研究合金的组织、性能之前，必须先了解合金的相。根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。,1.固溶体 合金在固态时，合金组元互相溶解，即在某组元的晶格中含有其它组元的原子，这种新相称为固溶体。 在固溶体中含较多且保留住晶格的组元，称为溶剂；含量较少并失去晶格的组元

8、称为溶质。,根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。,第二章 铁 碳 合 金,(1）置换固溶体 (2）间隙固溶体,1)固溶体的类型,2)固溶体的性能,溶质原子溶入溶剂晶格,将使 晶格发生畸变,如图2-11所示,晶格畸变对金属的性能有重大影响,它将使合金的强度、硬度提高。这种畸变称为固溶强化。这是提高金属材料力学性能的重要途径。,第二章 铁 碳 合 金,2金属化合物（如图 2-12所示）,金属化合物一般具有较复杂的晶体结构，熔点高，性能硬而脆。塑性、韧性几乎为零，所以很少单独使用。 当合金中含有金属化合物时，将使合金强度、硬度和耐磨性提高 ，而塑性降低。因此，化

9、合物是许多合金材料的重要强化相，与固溶体适当配合，可提高金属的综合力学性能。,常见的化合物按形成条件可分为三类： 1）正常价化合物。 2）电子价化合物。 3）间隙化合物。,第二章 铁 碳 合 金,3.机械混合物,在合金中，由两或两种以上的相按一定的质量分数组成的物质叫做机械混合物。,机械混合的性能主要取决于各组成部分的性能，以及它们的形态、大小及数量。,三、合金的结晶,合金的结晶与纯金属的结晶有相似之处。纯金属的结晶过程可以用冷却曲线来表示。如图2-6所示。合金的结晶过程比纯金属复杂。因此必须建立合金相图才能表示清楚。,合金相图就是表示合金结晶过程的简明图解。它是研究合金成份、温度和结晶组织结构之间变化规律的重要工具。也是正确制定热加工工艺参数的重要依据。,1.合金相图的建立,第二章 铁 碳 合 金,首先是在极缓慢的冷却条件下。作出该合金系中一系列不同成份合金的冷却曲线，并确定冷却曲线上的结晶转变温度（临界点），然后把这些临界点标在温度成份坐标上，最后把坐标图上的各相应点连接起来，即可得该