第一章金属与合金的晶体结构

第一章金属与合金的晶体结构

晶体的基本知识 一、晶体和非晶体晶体：固态物质的原子（离子或分子）在空间按一定的几何规律作周期性排列。例如：金属等非晶体：原子无规律的堆积在一起。例如：玻璃、松香等晶体的基本特点： Ⅰ有固定的熔点。例如铁的熔点为1538℃ Ⅱ各向异性。 • 晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。

晶体的基本知识 二、晶格、晶胞、晶格常数晶格：金属学中把晶体的原子假设成是固定不动的刚性小球，用假想的线条将各原子的中心连接起来，构成一个空间的格子。晶胞：能够反映晶格特征的、最小的几何单元。晶格常数：晶体学上，以棱边长度a、b、c和棱面夹角α、 β、γ来表示晶胞的形状和大小。其中棱边长度称为晶格常数。单位为埃（1埃=10-8cm)

金属的晶体结构 金属中常见的晶格 1、体心立方晶格 • 晶胞中实际拥有的原个数为2个 • 致密度为0.68 • 配位数为8 • 典型金属：α-Fe、Cr、Mo、W、V等 2、面心立方晶格 • 晶胞中实际拥有的原个数为4个 • 致密度为0.74 • 配位数为12 • 典型金属：γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag等

金属的晶体结构 金属中常见的晶格 3、密排六方晶格 • 晶胞中实际拥有的原个数为6个 • 致密度为0.74 • 配位数为12 • 典型金属Mg、Zn、Be、Cd等

合金的晶体结构 一、合金的基本概念 • 合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。例如：黄铜由Cu和Zn两种金属元素组成。碳钢和铸铁是铁和碳两种元素组成。 • 组元：组成合金的最基本的、独立的物质叫组元。例如： Cu和Zn是黄铜的两个组元。 Fe-Fe3C是碳钢的两个组元。 • 相：合金中具有同一化学成分且结构相同的，和其它部分有明显界面区分的独立均匀部分称为相。

合金的晶体结构 • 合金系：给定组元后，可以按不同比例配制出一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。例如：Cu和 Ni二元合金系

合金的晶体结构 • 相：合金中具有同一化学成分且结构相同的，和其它部分有明显界面区分的独立均匀部分称为相。 • 合金系：给定组元后，可以按不同比例配制出一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。

合金的晶体结构 二、合金的相结构 1、固溶体：合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相。 • 固溶体的晶格结构和溶剂相同按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，固溶体可分为 • 间隙固溶体例如：C溶于α-Fe形成间隙固溶体 • 置换固溶体例如：Ni溶于Cu形成置换固溶体按照溶质原子在溶剂中的溶解度的不同，固溶体可分为 • 有限固溶体例如：Sn溶于Cu形成有限固溶体 • 无限固溶体例如：Fe溶于Cr形成无限固溶体

合金的晶体结构 • 少数置换固溶体在满足一定条件下可形成无限固溶体，间隙固溶体和大部分置换固溶体都是有限固溶。固溶体的性能：由于固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增加，结果使金属材料的强度、硬度增加，电阻、矫顽力升高，导电性下降。固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。

合金的晶体结构 2、金属化合物金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。金属化合物常见有以下三种类型 • 正常价化合物组成正常价化合物的元素是按原子价规律结合的，因而其成分固定不变。通常由金属性强的元素和非金属或类金属形成这种化合物。如Mg2Si，Mg2Sn等。

合金的晶体结构 • 电子化合物按照一定的电子浓度形成一定晶体结构的化合物。如CuZn（体心立方） Cu5Zn8 （复杂立方）CuZn3（密排六方） • 间隙化合物一般由原子直径较大的过渡族金属和原子直径较小的非金属原素所组成。如：具有简单晶格的间隙相VCWCTiC 具有复杂晶格的间隙化合物Fe3C， Cr23C6，Cr7C3

合金的晶体结构 金属化合物的性能：金属化合物一般具有较高的熔点和硬度可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高，有些金属化合物还具有某些特殊的物理、化学性能，如性能远优于硅半导体材料GaAs，具有形状记忆效应的NiTi，CuZn，新一代能源的储氢材料 LaNi5。弥散强化：金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上，将是合金的强硬度、耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。

实际金属中的晶体缺陷 根据晶体缺陷的几何形态，可将其分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。 1、点缺陷：空位和间隙原子

实际金属中的晶体缺陷 2、面缺陷：位错（螺型位错和刃型位错）刃型位错是在切应力的作用下，晶体的右上部分相对于下半部分产生了一个原子间距的滑移，其结果使得晶体的上半部分产生了一个额外半原子面，就好象刀刃插入晶体，使晶体中的原子发生了有规律的错排，因此称为刃型位错。

实际金属中的晶体缺陷 3、面缺陷：晶界、亚晶界、相界细晶强化：晶界、亚晶界处的原子也会偏离平衡位置引起晶格畸变，使金属材料的强度和硬度得以提高，这种靠增加晶界或亚晶界强化材料的方式叫细晶强化。

第二章铁-渗碳体相图

铁碳合金的基本相 1、铁素体：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。符号为F或α。 • 铁素体的晶格结构为体心立方晶格。 • 铁素体在727℃具有最大溶碳量为：ωC=0.0218%，随着温度下降溶碳量逐渐减小。 • 铁素体的强度硬度不高，但具有较好的塑性和韧性。

铁碳合金的基本相 2、奥氏体：碳溶于γ-Fe形成的间隙固溶体。符号为：A或γ。 • 奥氏体的晶格结构为面心立方晶格。 • 奥氏体在1148℃时具有最大溶碳量为：ωC=2.11%。随温度降低溶碳量下降。 • 奥氏体的硬度较低但塑性很好，易于锻压成形。

铁碳合金的基本相 3、渗碳体：是一种具有复杂晶格（正交晶体结构）的间隙化合物。分子式为Fe3C。 • 渗碳体的含碳量为： ωC=6.69%。熔点为：1227℃。 • 渗碳体的硬度很高（950～1050HV），但塑性和韧性几乎为零。它是碳钢中主要的强化相，它的形态与分布对钢的性能有很大的影响。

铁-渗碳体相图 • 铁-渗碳体相图包括三个二元平衡相图。包晶相图、共晶相图和共析相图。 • 铁-渗碳体相图是以铁和渗碳体为基本组元，因为钢中的碳主要以渗碳体化合物的形式存在。 • 铁-渗碳体相图的含碳量的范围为0～6.69%。超过6.69%以后，钢里含有大量铁碳化合物，使材料硬度值很高，难以切削加工，没有实用价值。

铁-渗碳体相图 一、图中重要的点 A点：纯铁的熔点，1538℃ D点：渗碳体的熔点，1227℃ C点：共晶点， ωC=4.3%。液态合金经过该点时发生共晶转变。 S点：共析点， ωC=0.77%。液态合金经过该点时发生共析转变。

铁-渗碳体相图 二、图中重要的线： 1、 ABCD为液相线 2、AHJECF为固相线 3、HJB为包晶转变线转变：δ+L→A， 4、ECF为共晶转变线，L→A+Fe3C，（莱氏体） 5、 PSK为共析转变线，A→F+Fe3C（珠光体）

铁-渗碳体相图 三、相区 1、单相区：L, A，F, Fe3C 2、两相区：L+A, L+Fe3C, A+F, A+Fe3C, F+Fe3C 3、三相区：L+A+Fe3C, A+F+Fe3C

铁碳合金结晶过程分析 1、共析钢的结晶后的室温组织为：P 2、亚共析钢结晶后的室温组织为：F+P 3、过共析钢结晶后的室温组织为： P+Fe3CⅡ 4、共晶白口铸铁结晶后的室温组织为：Ld 5、亚共晶白口铸铁结晶后的室温组织为：Ld+P+Fe3CⅡ 6、过共晶白口铸铁结晶后的室温组织为：Ld+Fe3CⅠ

铁碳合金的力学性能 随着含碳量的增加，铁碳合金的强度、硬度增加，塑韧性下降。

第三章钢的热处理

§3—1钢在加热和冷却时的转变 一、热处理及其作用热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。

热处理的作用： 改善材料工艺性能和使用性能，充分挖掘材料的潜力，延长零件的使用奉命，提高产品质量，节约材料和能源。此外，还可以消除材料经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷、细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀。最终热处理：在生产过程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。预备热处理：热加工后，为随后的冷拔、冷冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理，称为预备热处理。

二、钢临界温度 1、Fe—Fe3C相图上的临界温度共析钢：PSK线（A1） γ→P(α+Fe3C) 亚共析钢：原始组织F+P PSK线（A1）P→γ GS线（A3）F→γ 过共析钢：原始组织Fe3CF+P PSK线（A1）P→γ ES线（Acm）Fe3C溶入γ

2、实际加热、冷却条件下的临界温度 加热时的临界温度用脚标C表示，AC1、AC3、ACcm；冷却时的临界温度用脚标r表示，Ar1、Ar3、Arcm。在加热（冷却）速度为0.125℃/min时，对临界点A1，A3，Acm的影响

钢在加热时的转变 钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界以上，使钢部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变或奥氏体化过程。由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。因此，弄清钢的加热转变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。

珠光体（P）和奥氏体（γ）自由能 随温度的变化曲线（示意图）一、奥氏体形成的热力学条件从Fe—Fe3C状态图可知，珠光体被加热到A1（727℃）以上时将转变为奥氏体。珠光体与奥氏体的自由能均随温度的升高而降低，但是下降的速度不同，相交于某一温度，该交点所对应的温度即A1（727℃）。右图是珠光体、奥氏体的自由能与温度的关系。

奥氏体形成时系统总的自由能变化为 ΔG=ΔGV +ΔGS +ΔGe 式中： ΔGV—新相奥氏体与母相珠光体之间的体积自由能差； ΔGS —为形成奥氏体时所增加的界面能； ΔGe—形成奥氏体时所增加的应变能。其中: ΔGV—奥氏体转变的驱动力， ΔGS与ΔGe是相变的阻力。因为奥氏体是在高温下形成的，ΔGe一项较小，相变的主要阻力是ΔGS。若只考察相变的方向，可忽略不计。

从能量方程可以看出： 当T<T0时， ΔGV=GA-GP>0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体；当T=T0时， ΔGV=GA-GP=0 ΔG>0 珠光体不能转变为奥氏体；当T>T0时， ΔGV=GA-GP<0 ΔG<0 珠光体可能转变为奥氏体；因此奥氏体形成的热力学条件是：必须在A1温度以上，即在一定的过热条件下奥氏体才能形成。只有当珠光体与奥氏体的体积自由能之差能克服界面能和应变能时，珠光体向奥氏体转变才能使系统向低能状态转变，奥氏体才能自发地形成。

二、奥氏体的形成过程 （一）奥氏体的结构、组织和性能 1、奥氏体的结构奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体。在合金钢中，除了碳原子外，溶于γ-Fe中的还有合金元素原子。（1）碳原子在点阵中的位置 X射线结构分析证明，碳原子位于γ-Fe八面体间隙位置中心，即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中点，如图所示。

γ-Fe的八面体间隙半径仅5.2×10-2nm（0.52Å），小于碳原子的半径7.7×10-2nm（0.77Å），碳原子的溶入将使八面体发生膨胀，使周围的八面体中心的间隙减小。因此不是所有的八面体中心均能容纳一个碳原子。（2）碳原子在奥氏体中的分布碳原子在奥氏体的分布是不均匀的，存在着浓度起伏。奥氏体中碳的分布是呈统计均匀的。用统计理论计算结果表明，在含碳0.85%的奥氏体中可能存在大量比平均碳浓度高八倍的微区，相当于渗碳体的碳含量。因此说碳原子在奥氏体点阵的分布是统计均匀的。

奥氏体点阵常数与碳含量的关系 （3）碳含量与点阵常数的关系碳原子的溶入使的γ-Fe点阵发生畸变，点常数增大。溶入的碳愈多，点阵常数愈大。如图所示。

2、奥氏体的组织 在一般的情况下奥氏体的组织是由多边形的等轴晶粒所组成，在晶粒内部有时可以看到相变孪晶。如图所示。奥氏体显微组织（晶内有孪晶） 1000×

3、奥氏体的性能 Fe-C合金中的奥氏体在室温下是不稳定相。但是在Fe-C合金中加入足够数量的能扩大γ相区的元素，可使奥氏体在室温，甚至在低温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种重要组织形态。以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。（1）磁性：奥氏体具有顺磁性，故奥氏体钢又可作为无磁钢。（2）比容：在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。可利用这一点调整残余奥氏体的量，以达到减少淬火工件体积变化的目的。

（3）膨胀： 奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故奥氏体钢也可被用来制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。（4）导热性：除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。因此，为避免热应力引起的工件变形，奥氏体钢不可采用过大的加热速度加热。（5）力学性能：奥氏体具有高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成形。因为面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，至密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故奥氏体钢可作为高温用钢

（二）奥氏体的形成过程 以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。从珠光体向奥氏体转变的转变方程， α + Fe3C → γ 碳含量C% 0.0218 6.69 0.77 晶格类型体心立方复杂斜方面心立方我们可以看出：珠光体向奥氏体转变包括铁原子的点阵改组，碳原子的扩散和渗碳体的溶解。实验证明：珠光体向奥氏体转变符合一般的相变规律，是一个晶核的形成和晶核长大过程。共析珠光体向奥氏体转变包括奥氏体晶核的形成、晶核的长大、残余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化等四个阶段。

1、奥氏体的形核 （1）形核条件奥氏体晶核的形成条件是系统的能量、结构和成分起伏。（2）形核部位奥氏体晶核通常优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成，此外，在珠光体团的边界，过冷度较大时在铁素体内的亚晶界上也都可以成为奥氏体的形核部位。在铁素体和渗碳体相界上优先形核的原因，可做如下的解释：界面两侧两相的碳含量相差很大（0.0218%和6.69%），因此在界面上碳浓度分布很不均匀，比较容易满足成分起伏；界面两侧晶体结构相差较大，原子排列不规则，原子的活动能力较强，比较容易满足结构起伏；界面上原子排列不规则，位错等晶体学缺陷密度较大，处于能量较高的状态，比较容易满足能量起伏，同时新相晶核形成时，可以使部分晶体学缺陷消失，使系统的能量进一步下降，因此在相界面处是奥氏体形核的首选位置。

2、奥氏体的长大 奥氏体晶核形成后便开始长大。奥氏体长大的机制可做如下的解释。在AC1以上某一温度t1形成一奥氏体晶核。奥氏体晶核形成之后，将产生两个新的相界面，一个是奥氏体与渗碳体相界面，另一个是奥氏体与铁素体相界面。为讨论问题的方便，我们假定两个相界面都是平直的（参见图1-5）。根据Fe-Fe3C 相图可知，奥氏体晶核的长大

3、残余渗碳体的溶解 实验表明在珠光体向奥转变过程中，铁素体和渗碳体并不是同时消失，而总是铁素体首先消失，将有一部分渗碳体残留下来。这部分渗碳体在铁素体消失后，随着保温时间的延长或温度的升高，通过碳原子的扩散不断溶入奥氏体中。一旦渗碳体全部溶入奥氏体中，这一阶段便告结束。碳化物溶入A的机理，现在还不十分清楚，有人认为是通过碳化物中的碳原子向奥氏体中扩散和Fe原子向贫碳的渗碳体区扩散，以及Fe3C向A晶体点阵改组来完成的。

为什么铁素体和渗碳体不能同时消失，而总有部分渗碳体剩余？为什么铁素体和渗碳体不能同时消失，而总有部分渗碳体剩余？按相平衡理论，从Fe-Fe3C相图可以看出，在高于AC1温度，刚刚形成的奥氏体，靠近Cem的C浓度高于共析成分较少，而靠近F处的C浓度低于共析成分较多（即ES线的斜率较大，GS线的斜率较小）。所以，在奥氏体刚刚形成时，即F全部消失时，奥氏体的平均C浓度低于共析成分，这就进一步说明，共析钢的P刚刚形成的A的平均碳含量降低，低于共析成分，必然有部分碳化物残留，只有继续加热保温，残留碳化物才能逐渐溶解。

4、奥氏体成分均匀化 珠光体转变为奥氏体时，在残留渗碳体刚刚完全溶入奥氏体的情况下，C在奥氏体中的分布是不均匀的。原来为渗碳体的区域碳含量较高，而原来是铁素体的区域，碳含量较低。这种碳浓度的不均匀性随加热速度增大而越加严重。因此，只有继续加热或保温，借助于C原子的扩散才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。

以上共析碳钢珠光体向奥氏体等温形成过程，可以用下图形象地表示出来。以上共析碳钢珠光体向奥氏体等温形成过程，可以用下图形象地表示出来。

1、奥氏体等温形成动力学曲线 （1）共析碳钢奥氏体等温形成图建立试样：厚2mm左右，直径约为10mm的小圆片；原始状态：每个试样均有相同的原始组织状态；温度：在AC1以上设定不同的温度，如730℃、745℃、765℃、……；时间：在每个温度下保持一系列时间，如1S、5S、10S、20S、……；冷却：在盐水中急冷到室温；观察：在显微镜下测出试样中马氏体的数量（相当于高温下奥氏体的数量）；做图：做出每个温度下奥氏体形成量和保温时间的关系曲线，即得到了奥氏体等温形成的动力学曲线。

共析碳钢奥氏体等温形成图 为方便，通常把不同温度下转变转变相同数量所需时间，综合在温度和时间坐标系内，这样就得到了奥氏体等温形成图。

第一章 金属与合金的晶体结构