（參考幻燈片）金屬的晶體結(jié)構(gòu)鐵碳合金組織和相圖.ppt

金屬材料的基本知識,鋼鐵材料,鋼（含碳量小于2.11%的鐵碳合金）,鑄鐵（含碳量大于2.11%的鐵碳合金）,根據(jù)含碳量的不同分為,鋼鐵材料的生產(chǎn)方式,煉鋼,煉鐵,鋼材生產(chǎn),鋼材種類,型材：圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、角鋼、槽鋼、螺紋鋼等,板材：中厚鋼板、薄鋼板、鋼帶和硅鋼片,管材：無縫鋼管和焊接鋼管（又稱有縫鋼管）,線材：直徑為69mm的圓鋼和直徑在10mm以下的螺紋鋼,課題二金屬的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金組織和相圖,1,金屬材料在不同的使用場合下，所要求的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能以及工藝性能各不相同。雖然都是金屬材料，不同成分和不同狀態(tài)下的性能差異也非常大。造成金屬材料性能差異的主要原因是由于金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同。,2,非晶體中的質(zhì)點(diǎn)，是雜亂無章地堆積在一起，無規(guī)則可循。,1.1晶體及其特點(diǎn),根據(jù)內(nèi)部原子堆積的情況,固態(tài)物質(zhì)分類,晶體：如純鋁、純鐵、純銅等非晶體：玻璃、瀝青、松香、石蠟等,晶體中的原子或分子，在三維空間中是按照一定的幾何規(guī)則作周期性地重復(fù)排列。,晶體和非晶體的根本區(qū)別,一金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,3,晶體具有規(guī)則的外形。晶體具有固定的熔點(diǎn)。晶體具有各向異性。,晶體的特點(diǎn),純鐵晶粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖,4,1.2金屬的三種常見晶體結(jié)構(gòu),體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格,體心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,5,BCC結(jié)構(gòu),FCC結(jié)構(gòu),CPH結(jié)構(gòu),6,1.3金屬實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu),單晶體,單晶體,多晶體,多晶體,在理想情況下，晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，即晶體的原子是按一定幾何規(guī)律做周期性排列而成，這種晶體稱為單晶體。,外形不規(guī)則，呈顆粒狀的小晶體稱為晶粒，每個晶粒相當(dāng)于一個單晶體，其原子排列位向是一致的，而各個晶粒的晶格位向各不相同。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界，晶界上的原子處于過渡的不規(guī)則狀態(tài)，這些由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。,7,晶核形成,晶核長大,純鐵結(jié)晶過程示意圖,8,晶格空位置換原子間隙原子,點(diǎn)缺陷,點(diǎn)缺陷是指長、寬、高尺寸都很小的缺陷。,常見的點(diǎn)缺陷,晶體缺陷,9,刃型位錯（a）螺形位錯（b）,線缺陷,線缺陷是指晶體內(nèi)沿某一條線，附近原子的排列偏離了完整晶格所形成的線形缺陷區(qū)，即發(fā)生了“位錯”。,常見的線缺陷,10,面缺陷,面缺陷是在兩個方向的尺寸很大，第三個方向的尺寸很小而呈面狀的缺陷，主要指晶界和亞晶界。,11,1.4合金的晶體結(jié)構(gòu),基本概念,合金由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì)。如黃銅是由銅和鋅組成。組元簡稱元，是指組成合金的最基本獨(dú)立物質(zhì)。組元通常是純元素或者穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可分為二元合金、三元合金或多元合金等。合金系是指由兩個或兩個以上組元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。相是指合金中具有同一的聚集狀態(tài)、同一的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻組成部分。組織是指用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料具有獨(dú)特微觀形貌特征的部分。組織反映材料的相組成、相形態(tài)、大小和分布狀況，它是決定材料最終性能的關(guān)鍵。,12,固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu),合金在熔點(diǎn)以上時各組元都能互相溶解，形成均勻液溶體。固態(tài)時由于各組分之間相互作用不同，可能出現(xiàn)兩種基本相：固溶體和金屬化合物。,固溶體,金屬化合物,指由合金中各組元的原子按一定比例相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。,機(jī)械混合物,13,1.5金屬的結(jié)晶,物質(zhì)由液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，結(jié)晶就是原子從不規(guī)則的排列（液態(tài)）過渡到按照一定的幾何形狀作有秩序排列（固態(tài)）的過程。,結(jié)晶的定義,Tn實(shí)際結(jié)晶溫度TO理論結(jié)晶溫度過冷度Tm熔點(diǎn),金屬冷卻曲線,過冷現(xiàn)象實(shí)際開始結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。,14,在金屬液體中，總是存在著一些類似晶體中原子有規(guī)則排列的小集團(tuán)。在熔點(diǎn)或熔點(diǎn)以上，這些小集團(tuán)是不穩(wěn)定的，時聚時散，此起彼伏。當(dāng)?shù)陀谌埸c(diǎn)時，這些小集團(tuán)中的一部分長大至一定尺寸后，就能成為比較穩(wěn)定的小晶體。這些小晶體作為結(jié)晶中心，稱為晶核。實(shí)際金屬液體并不是很純的，其中總有一些固態(tài)雜質(zhì)存在，在結(jié)晶時，晶核大多依附在這些固態(tài)雜質(zhì)表面上形成。,金屬的結(jié)晶過程,15,細(xì)晶強(qiáng)化同一金屬,晶粒細(xì)小的有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。,鑄造工藝中細(xì)化晶粒的方法：提高冷卻速度，如用金屬模等；變質(zhì)處理(加形核劑孕育處理)；攪拌處理；振動處理；,16,1.6金屬的同素異形體,定義：金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。以不同晶格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為金屬的同素異形體。,重結(jié)晶或二次結(jié)晶,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變會使金屬體積發(fā)生變化，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。這是鋼熱處理時產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致工件變形或開裂的原因。,17,二鐵碳合金,鐵碳合金是以鐵和碳為基本組元的合金，它是現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料。要合理地選擇鐵碳合金，就必須熟悉鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系。,2.1鐵碳合金分類,通常根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的特點(diǎn)，由FeFe3C相圖中的P點(diǎn)和E點(diǎn)將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼及白口鑄鐵三類。工業(yè)純鐵是指P點(diǎn)以左的鐵碳合金（含碳量小于0.0218%），室溫組織為鐵素體+少量三次滲碳體。工業(yè)純鐵的性能特點(diǎn)是塑性韌性好，硬度和強(qiáng)度較低。鋼是指高溫固態(tài)組織為單相固溶體的一類鐵碳合金，相圖中P點(diǎn)成分與E點(diǎn)成分之間的鐵碳合金（含碳量0.0218%2.11%），具有良好的塑性，適于鍛造、軋制等壓力加工，根據(jù)室溫組織的不同又分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼三種。白口鑄鐵是指E點(diǎn)成分以右（含碳量2.11%6.69%）的鐵碳合金。白口鑄鐵有較低的熔點(diǎn)，流動性好，便于鑄造，脆性大。根據(jù)室溫組織的不同，白口鑄鐵又分為亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵三類。,18,含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%0.20%雜質(zhì)的鐵碳合金中，稱之為工業(yè)純鐵。工業(yè)純鐵雖然塑性、導(dǎo)磁性良好，但強(qiáng)度較低，不適宜制作機(jī)械零件。為了提高純鐵的強(qiáng)度、硬度，常在純鐵中加入少量碳元素，可形成等五種基本組織。鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體,2.2鐵碳合金的基本相和基本組織,鐵素體：用F表示碳溶解在a-Fe形成的間隙固溶體。溶解度很小，鐵素體的最大固溶度0.0218%(727)。因此，其性能與純鐵相似，即具有較好的塑性和韌性，但強(qiáng)度和硬度較低。770以下具有鐵磁性，以上失去鐵磁性。奧氏體：A碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體。溶解度較強(qiáng)，1148溶碳量可達(dá)2.11%。強(qiáng)度硬度不高，沒磁性，具有較好塑性，是絕大多數(shù)鋼在高溫鍛造和軋制時所需要的組織。滲碳體：Fe3C鐵與碳形成的金屬化合物，含碳量6.69%。硬度很高，但脆性大，塑性差，伸長率和沖擊韌性幾乎為零。它是碳鋼中主要的強(qiáng)化相，它的數(shù)量、形狀和分布對鋼的性能影響很大。在一定條件下可分解成石墨狀的自由碳。這一點(diǎn)在鑄造工藝中具有重要意義。,基本相,19,珠光體：P它是F和Fe3C組成的的機(jī)械混合物，平均含碳量0.77%，存在于727以下。其性能介于鐵素體和滲碳體之間，大體上是兩者性能的平均值，故珠光體的強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定塑性。萊氏體：Ld或Ld1148時從合金液相中同時結(jié)晶出的奧氏體和滲碳體的混合物，用Ld表示。727時奧氏體還將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為低溫萊氏體。性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。,注意：鐵素體、奧氏體和滲碳體都是單相組織，稱為基本相。珠光體和萊氏體則是由基本相混合組成的多相組織。,20,碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對緩冷碳鋼力學(xué)性能的影響,硬度：不斷升高塑性：不斷降低韌性：不斷降低強(qiáng)度：先升后降,21,2.3鐵碳合金相圖,22,表2-1FeFe3C相圖中的特性點(diǎn),23,24,25,共析鋼(wC=0.77%)的結(jié)晶過程,室溫組織：P,26,亞共析鋼(0.0218%C0.77%)結(jié)晶過,室溫組織：P+F,亞共析鋼（40鋼）的結(jié)晶過程示意圖,27,室溫組織：P+Fe3,C,過共析鋼(0.77%wC2.11%)的結(jié)晶過程,C,過共析鋼(12鋼)的室溫組織,