Transcript 2.结晶、铁碳合金
第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 金属的结晶及铁碳合金 授课班级 机电（3+2）1102 学习目标 授课时间 2012-2-15（3、4） 学时 2 1. 掌握金属材料的组织结构和性能 2.明确铁碳合金的组织、相图的意义和合金结晶过程 3.掌握钢的成分、组织、性能之间的关系 学习内容 教学过程组织与方法 1. 1金属的晶体结构与结晶 1.复习—材料机械性能—提问 1.2 铁碳合金 2.晶体结构、结晶过程—说明 3. 合金组织——重点是性能 4. 相图——应用 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • 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 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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. 第1章机械工程材料 • • • • 金属的结晶及铁碳合金 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 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • 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。 晶格类型 晶胞原子数 原子半径 致密度 常 见 金 属 体心立方晶格 2 3 a 4 0.68 铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、α 铁(α-Fe) 面心立方晶格 4 2 a 4 0.74 铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ 铁(γ-Fe) 密排六方晶格 6 1 a 2 0.74 镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd) 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • 3. 金属的实际晶体结构 • 单晶体、多晶体、晶粒与 晶界的概念。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 金属的同素异构转变 Fe Fe Fe 13940 C 9120 C 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 • • 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 点缺陷 (a) 空位；(b) 间隙原子；(c) 置换原子 第1章机械工程材料 • • 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 刃型位错 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • （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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 固溶体的类型 (a) 间隙固溶体；(b) 置换固溶体 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • （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）。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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： 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • （ 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 1.2 铁碳合金平衡图 1.2.1铁碳合金的基本组织 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 • 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 1. Fe- Fe3C平衡图的分析 主要点的意义：A,C,D,E,G,P,S 第1章机械工程材料 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。 金属的结晶及铁碳合金 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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。 。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 钢的结晶过程分析 典型铁碳合金的结晶过程分析 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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。 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 第1章机械工程材料 金属的结晶及铁碳合金 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 作业 • P.47 1-3,1-5