金属的结晶及铁碳合金

1. 金属的结晶及铁碳合金

2. 复习 • 材料的力学性能 • 材料的物理性能 • 材料的化学性能 • 材料的工艺性能

3. 第一章 机械工程材料 • 1.1 金属的晶体结构与结晶 • 1.1.1 金属的晶体结构 1.晶体的基本概念:固态物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体两种。非晶体的原子在空间呈短程有序排列，晶体的原子是长程有规则地、按一定几何形状排列的.

4. 2. 常见的金属晶格类型: • 体心立方晶格：Cr、Mo、W、V、α-Fe • 面心立方晶格：Al、Cu、Ni、Ag、γ-Fe • 密排六方晶格：Mg、Zn、Be

5. 常见晶格的致密度 • 金属晶体的一个显著特点是其原子趋于最紧密的排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。晶格的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积之比。

6. 3. 金属的实际晶体结构 • 单晶体、多晶体、晶粒与 晶界的概念。

7. 1．1．2 金属的结晶 1. 冷却曲线 2. 金属的结晶过程 • 纯铁的冷却曲线

8. 金属的同素异构转变 金属在固态下晶体结构随温度变化的现象称为同素异构转变。 同素异构转变实质上也是一种结晶过程，同样遵循结晶的基本规律，因而称为二次结晶。

9. 1.1.3晶体缺陷 • 点缺陷 • 线缺陷 • 面缺陷 每一种晶体缺陷，都会使缺陷处的晶格产生畸变。晶格畸变使晶体塑性变形抗力增大，导致金属材料强度和硬度提高。

10. 1. 点缺陷 • 　　点缺陷是指尺寸都很小(原子尺寸范围内)的缺陷。常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子。空位是指在正常的晶格结点上没有原子，如图 (a)所示；间隙原子是指个别晶格空隙之间存在的多余原子，如图 (b)所示；置换原子是指晶格结点上的原子被其它元素的原子所取代，如图 (c)所示。由于点缺陷的出现，原子间作用力的平衡被破坏了，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开，即产生了晶格的畸变。这将会引起金属强度、硬度、电阻等的变化。

11. 　点缺陷 (a) 空位；(b) 间隙原子；(c) 置换原子

12. 2. 线缺陷 • 线缺陷是指晶体内部呈线状分布的缺陷，常见的是各种类型的位错。位错是晶体中有一列或若干列原子发生了有规则的错排现象。刃型位错是比较简单的一种，（还有螺型位错）。这种缺陷的特点是：在晶体的某一个晶面的上、下两部分的原子面产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入的一个多余原子面，但又未插到底，犹如插入刀刃一般，故称为刃型位错，而多余原子面的底边称为刃型位错线。

13. 　刃型位错

14. 3. 面缺陷 • 面缺陷是指金属的晶界和亚晶界。实际金属材料一般为多晶体材料，其相邻两晶粒之间的位向差多数为30°～40°的大角度。晶界处原子的排列必须从一种晶粒的位向过渡到另一种晶粒的位向，因此晶界成为两晶粒之间原子无规则排列的过渡层。在实际金属晶体中的晶粒内部，存在有许多小晶块，它们之间的位向差很小，只有几分、几秒，一般小于1°～2°，它们相互镶嵌成一颗晶粒。在这些小晶块的内部原子排列的位向是一致的，这些小晶块称为亚晶粒(或亚结构，或镶嵌块)，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。

16. 1.1.4合金的相结构 • 1. 合金的基本概念 ：合金是由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。 • 由两个组元组成的合金称为二元合金。由若干给定组元可以配制成一系列成分不同的合金，构成一个合金系。 • 在金属或合金中，凡是成分相同、结构相同，具有相同的物理和化学性能，并与该系统其它部分有界面分开的物质部分，称为相。

17. （1）固溶体 • 1) 间隙固溶体。 • 溶质原子处于溶剂晶格间隙中的固溶体称为间隙固溶体。实验证明：当溶质元素与溶剂元素的原子半径之比小于0.59时才能形成间隙固溶体，因此形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如H、C、O、N等。 非金属元素的原子半径小，形成间隙固溶体的例子很多。如碳钢中碳原子溶入α-Fe晶格的间隙中形成称为铁素体的间隙固溶体，碳原子溶入γ-Fe晶格间隙中形成称为奥氏体的间隙固溶体。溶质原子溶入溶剂的数量越多，溶剂的晶格畸变就越大，当溶质超过一定数量时，溶剂的晶格就会变得不稳定，于是溶质原子就不能继续溶解。所以间隙固溶体永远是有限固溶体。 　

18. 固溶体的类型 (a) 间隙固溶体；(b) 置换固溶体

19. 2) 置换固溶体 溶剂晶格中的某些原子位置被溶质原子取代而形成的固溶体称为置换固溶体。 置换固溶体时，溶质原子在溶剂中的溶解度主要取决于两者在元素周期表中的位置、晶格类型和原子半径的大小。一般说来，溶质与溶剂原子在周期表中位置越靠近，晶格类型相同，原子半径差越小，其溶解度越大，甚至可以以任何比例互溶形成无限固溶体。例如，铜和镍都是面心立方晶格，铜的原子半径为2.55×10-10 m，镍的原子半径为2.49×10-10 m，两者是处在同一周期并且相邻的两个元素，所以可以形成无限固溶体。

21. 由于溶质原子的溶入，固溶体的晶格发生畸变，结果使金属材料的强度、硬度升高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大、强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是金属材料强化的重要途径之一。实践证明，适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。例如，向铜中加入19%的镍，可使纯铜的抗拉强度由220 MPa提高到380 MPa，硬度由44HBS提高到70HBS，而伸长率仍然保持在50%左右。

22. （2）金属化合物 • 金属化合物是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶格结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶格类型。由于金属化合物的各组成元素之间有固定的比例关系，故其组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的 Fe3C （渗碳体）。

23. 金属化合物一般熔点高，性能硬而脆。当它细小、均匀地分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化。因此，合金中的金属化合物通常是不可缺少的强化相。但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量过多或呈粗人、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。金属化合物一般熔点高，性能硬而脆。当它细小、均匀地分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化。因此，合金中的金属化合物通常是不可缺少的强化相。但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量过多或呈粗人、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。 • 当合金的组织为单相固溶体时，一般具有良好的塑州，但其强度不够高；而合金的组织为固溶体与少量金属化合物组成的混合物时，具有较好的强韧性。通过调整固溶体中溶质原子的含量，以及控制金属化合物的数量、形态、分布状况，司以在很大的范围内改变合金的力学性能，以满足不同的需要。

24. 金属化合物一般熔点高，性能硬而脆。当它细小、均匀地分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化。因此，合金中的金属化合物通常是不可缺少的强化相。但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量过多或呈粗人、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。金属化合物一般熔点高，性能硬而脆。当它细小、均匀地分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化。因此，合金中的金属化合物通常是不可缺少的强化相。但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量过多或呈粗人、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。 • 当合金的组织为单相固溶体时，一般具有良好的塑州，但其强度不够高；而合金的组织为固溶体与少量金属化合物组成的混合物时，具有较好的强韧性。通过调整固溶体中溶质原子的含量，以及控制金属化合物的数量、形态、分布状况，司以在很大的范围内改变合金的力学性能，以满足不同的需要。

25. 2 ．晶粒大小与控制措施 • 晶粒大小对力学性能的影响很大。在室温下，一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。因此，细化晶粒是改善材料力学性能的重要措施。分析结晶过程得知，金属的晶粒大小与形核率 〔 单位时间、单位体积内所形成晶核的数目，单位为 mm -3 · s -1」和长大速度（单位时间内晶核长大的线长度，单位为 m m/ s ）有关。形核率越大，晶核的长大速度越慢，结晶后晶粒越细。工业上常用以下方法细化晶粒：

26. （ 1 ）增加过冷度随着过冷度的增加，形核率和长大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要快，使产生的晶核数目增多。因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化。 • （ 2 ）变质处理在金属液中加入变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称变质处理。变质处理在生产中应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷度时，采用变质处理可有效地细化晶粒。 • （ 3 ）附加振动在金属结晶时施以机械振动、电磁振动和超声波振动等，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，达到细化晶粒的目的。

27. 1.1.5合金的组织 • 将金属或合金制成金相试样，借助于金相显微镜，看到的试样内部各组成相晶粒的大小、方向、形状、排列状况等的构造情况，称为显微组织，通常简称为组织。 • 组织是决定金属材料性能的主要因素。

28. 1.2.1铁碳合金的基本组织 1.2 铁碳合金平衡图 1. 铁素体 ： 铁素体是碳溶于α-Fe所形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格用符号F表示。铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时溶碳量最大，为0.0218%。铁素体的性能特点是强度、硬度低，塑性和韧性良好。其力学性能与工业纯铁大致相同，即σb≈250 MPa、80HBS、δ= 45%～50%，工业纯铁(wC≤0.02%)的室温组织是由铁素体晶粒组成的。

29. 2. 奥氏体：奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的间隙固溶体，呈面心立方晶格，用符号A表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形(δ= 40%～50%)。故在轧钢或锻造时，为使钢易于进行变形，常把钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。

30. 3. 渗碳体：渗碳体是铁和碳所形成的具有复杂晶体结构的金属化合物，用其分子式Fe3C表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。它的硬度极高，可以刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零 4. 珠光体：珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。珠光体有着良好的力学性能，如其抗拉强度高，硬度较高且仍有一定的塑性和韧性。 5. 莱氏体：莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用符号Ld表示。莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有的渗碳体较多，故其力学性能与渗碳体相近。

32. 1.2.2 Fe- Fe3C平衡图 • 铁碳合金平衡图是表示在极其缓慢的加热或冷却条件下，不同成分的铁碳合金，在不同的温度下所具有的状态或组织的图形，因此也称为状态图。

34. 1. Fe- Fe3C平衡图的分析 主要点的意义：A,C,D,E,G,P,S

35. 主要线的意义： 1）ACD线——液相线 2）AECF线——固相线 3）ECF线——共晶线 4）GS线——A3线 5）ES线——Acm线 6) PSK线——共析线， 又称A1线。

36. 1.2.2 Fe- Fe3C平衡图（续） 2. 铁碳合金的分类 （1） 工业纯铁：工业纯铁成分小于P点成分。 （2） 钢。钢的成分在P点和E点之间。 钢分为低碳钢（wc＜0.25%）、 中碳钢（wc在0.25%～0.6%） 高碳钢（wc＞0.6%）。 （3） 白口铁。白口铁的成分大于E点成分。 。

37. 3.钢的结晶过程和组织转变 （1）钢的结晶过程。 （2）钢的组织转变： 1) 共析钢的组织转变。 2) 亚共析钢的组织转变。 3）过共析钢的组织转变

38. 钢的结晶过程分析 典型铁碳合金的结晶过程分析

39. 1) 共析钢的结晶过程 L—→L+A—→A—→A+P—→P(F+Fe3C) 共析钢的结晶过程示意图

40. 2) 亚共析钢的结晶过程 L—→L＋A—→A—→F＋A—→F＋P 亚共析钢的结晶过程示意图

41. 3) 过共析钢的结晶过程 L—→L＋A—→A—→A＋Fe3CII—→P＋Fe3CII(网状) 过共析钢的结晶过程示意图

42. 1.2.3 钢的成分、组织、性能之间的关系 • 钢的成分、组织、性能之间有着密切的关系。随着碳的质量分数的增加，亚共析钢中珠光体增多，铁素体减少，因而钢的强度、硬度上升，塑性、韧性相应下降。共析钢全部由珠光体组成，故强度、硬度比亚共析钢高，塑性、韧性则较低。过共析钢随着碳的质量分数的增加，珠光体减少，二次渗碳体增多，因而硬度升高，塑性、韧性下降；少量的二次渗碳体能使强度继续升高，而网状渗碳体由于削弱了晶粒间的结合力，使强度迅速下降。

44. 小 结 1.金属的晶体结构与结晶 2. 铁碳合金组织结构及性能 3. 铁碳合金平衡图 4.金属的结晶 • P.47 1-3,1-5 作 业