汽車材料金屬及合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶鐵碳相圖

1、3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 3.13. 2純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 非晶體：非晶體：材料內(nèi)部的原子在三維空間無規(guī)則排列的物體。材料內(nèi)部的原子在三維空間無規(guī)則排列的物體。如松香、石蠟、玻璃等如松香、石蠟、玻璃等晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子規(guī)則排列的方式晶體中原子規(guī)則排列的方式. 晶格晶格：通將原子抽象為幾何點，并通過用一些遐想連線將幾通將原子抽象為幾何點，并通過用一些遐想連線將幾何點在三維方向連接起來，這樣構(gòu)成一個空間格子。何點在三維方向連接起來，這樣構(gòu)成一個空間格子。 第第3章章 純金屬的晶體結(jié)

2、構(gòu)與結(jié)晶純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 1.晶體結(jié)構(gòu)基本概念晶體結(jié)構(gòu)基本概念3.1晶體：晶體：材料內(nèi)部的原子在三維空間呈規(guī)則的周期性排列的材料內(nèi)部的原子在三維空間呈規(guī)則的周期性排列的物體。如金剛石、水晶、金屬等物體。如金剛石、水晶、金屬等晶胞晶胞能反映晶格特征的最小組成單元。能反映晶格特征的最小組成單元。3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 面心立方晶格 體心立方晶格密排六方晶格 鎢（鎢（W)、釩、釩(V)、鉻、鉻(Cr)、鐵、鐵(-Fe)等等鋁鋁(Al)(Al)、銅、銅(Cu)(Cu)、金、金(Au)(Au)、鐵（、鐵（

3、-Fe）鎂（鎂（Mg)、鋅、鋅(Zn)3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 第第3章章 （1） 冷卻曲線與過冷度冷卻曲線與過冷度結(jié)晶結(jié)晶3.1.3 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶1.金屬結(jié)晶的基本規(guī)律金屬結(jié)晶的基本規(guī)律 液態(tài)金屬冷卻凝固轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過程叫做液態(tài)金屬冷卻凝固轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過程叫做隨著溫度降低，一些原子趨于穩(wěn)定長大形成晶核，晶核進一步長大形成小晶體隨著溫度降低，一些原子趨于穩(wěn)定長大形成晶核，晶核進一步長大形成小晶體 自發(fā)形核自發(fā)形核金屬原子還可以依附在外來晶核上長大金屬原子還可以依附在外來晶核上長大 非自發(fā)形非自發(fā)形核核3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 過冷度過冷度

4、理論結(jié)晶溫度和實際理論結(jié)晶溫度和實際結(jié)晶溫度之差。結(jié)晶溫度之差。 T = T0T1 冷卻速度越快，過冷度越大冷卻速度越快，過冷度越大過冷過冷液態(tài)金屬的實際結(jié)晶溫度液態(tài)金屬的實際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象總是低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象 第第3章章 只有當(dāng)液體的過冷度達到一定的大小，結(jié)晶過程才能只有當(dāng)液體的過冷度達到一定的大小，結(jié)晶過程才能 開始進行開始進行過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。液態(tài)金屬在結(jié)晶時的溫度液態(tài)金屬在結(jié)晶時的溫度時間曲線時間曲線 3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 3.1.3 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 第第3章章 在工業(yè)中生產(chǎn)中，為了細(xì)化晶粒，常

5、采用什在工業(yè)中生產(chǎn)中，為了細(xì)化晶粒，常采用什么方法？么方法？提高過冷度提高過冷度變質(zhì)處理變質(zhì)處理 在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。振動、攪拌等振動、攪拌等3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 單晶體多晶體 在理想情況下，晶在理想情況下，晶體內(nèi)部的晶格位向是體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，即晶體完全一致的，即晶體的原子是按一定幾何的原子是按一定幾何規(guī)律做周期性排列而規(guī)律做周期性排列而成，這種晶體稱為單成，這種晶體稱為單晶體晶體 。 外形不規(guī)則，呈顆粒狀的小晶體稱為晶粒，每個晶外

6、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。許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。 3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 1.1.多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)晶粒晶粒晶界晶界3.1.3 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第第2章章 晶粒晶粒晶界晶界3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章

7、2. 晶體缺陷晶體缺陷（1）點缺陷（）點缺陷（長、寬、高尺寸都很小的缺陷）長、寬、高尺寸都很小的缺陷）1. 空位空位2. 間隙原子間隙原子（2）線缺陷（）線缺陷（晶體內(nèi)沿某一條線，附近原子的排列偏離了完整晶格形成的缺陷區(qū)，晶體內(nèi)沿某一條線，附近原子的排列偏離了完整晶格形成的缺陷區(qū)， 即發(fā)生了即發(fā)生了“位錯位錯”）1.刃型位錯刃型位錯(a)2. 螺型位錯螺型位錯(b)（3）面缺陷（）面缺陷（在兩個方向的尺寸很大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），第三個方向的尺寸很小而呈面狀的缺陷） 晶晶界界 亞晶界亞晶界 第第3章章 3.置換原子置換原子3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第

8、第3章章 金屬晶體缺陷的影響金屬晶體缺陷的影響 ？ 點缺陷點缺陷空位、間隙原子、置換原子造成局部晶格畸變空位、間隙原子、置換原子造成局部晶格畸變,使金屬使金屬的電阻率發(fā)生變化，屈服強度增加的電阻率發(fā)生變化，屈服強度增加,硬度增強，密度發(fā)生變化硬度增強，密度發(fā)生變化。 線缺陷線缺陷-位錯在晶體中易于移動，金屬材料的塑形變形是位錯在晶體中易于移動，金屬材料的塑形變形是通過位錯運動來實現(xiàn)的。通過位錯運動來實現(xiàn)的。 面缺陷面缺陷-晶界和亞晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬強度越高晶界和亞晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬強度越高， 第第3章章 3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 （2）結(jié)晶的一般過程）結(jié)晶的一般過

9、程 3.1.3純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 第第3章章 結(jié)晶過程結(jié)晶過程晶核的晶核的長大長大 晶核的形成晶核的形成3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 鐵碳相圖鐵碳相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 定義定義：金屬在固態(tài)下，隨：金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。以不同。以不同晶格形式存在的同一金屬晶格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為金屬的元素的晶體稱為金屬的同同素異形體素異形體。轉(zhuǎn)變過程也是由晶核的形成和晶核的長大來完成的。轉(zhuǎn)變過程也是由晶核的形成和晶核的長大來完成的。 3.2.2

10、合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 n鐵碳合金鐵碳合金鐵和碳，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。鐵和碳，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。n含碳量為含碳量為0.0218% 2.11%的稱的稱鋼鋼n含碳量為含碳量為 2.11% 6.69%的稱的稱鑄鐵鑄鐵。3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 合金合金3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物： FeFe3 3C C、 FeFe2 2C C、 FeCFeCl含碳量大于含碳量大于FeF

11、e3 3C C成分（成分（6.69%6.69%）時，合金太脆，已無實用價值。）時，合金太脆，已無實用價值。l實際所討論的鐵碳合金相圖是實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe- FeFe- Fe3 3C C相圖相圖。FeFe3C Fe2C FeCCC%(at%) 3.鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 一、鐵碳合金的基本組織一、鐵碳合金的基本組織l是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低, ,在在727727時時最大為最大為0.0218%0.0218%，室溫下僅為，室溫下僅為0.0008%0.0008%。l鐵素體的組織為多邊形晶

12、粒，鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。性能與純鐵相似。鐵素體鐵素體l 組元：組元：Fe、 Fe3Cl 鐵素體：鐵素體：l碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱鐵素鐵素體體, 用用F 或或 表示。表示。3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 鐵素體組織金相圖鐵素體組織金相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 l 奧氏體奧氏體: :l碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶體稱中的固溶體稱奧氏體奧氏體。用。用A A或或 表示。表示。l是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，11481148時最大為時最大為2.11%2.11%。72

13、7 727 時為時為0.77%0.77%l組織為不規(guī)則多面體晶粒，組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。晶界較直。強度低、塑性強度低、塑性好好，奧氏體奧氏體3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 奧氏體組織金相圖奧氏體組織金相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 l 滲碳體：滲碳體：即即FeFe3 3C, C, 含碳含碳6.69%, 6.69%, 用用FeFe3 3C C表示。表示。lFeFe3 3C C硬度高、強度低硬度高、強度低( ( b b 35MPa35MPa), ), 脆性大脆性大, , 塑性幾乎為零塑性幾乎為零l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很中的溶解度很小，因而小，因

14、而常溫下碳在鐵碳合常溫下碳在鐵碳合金中主要以金中主要以Fe3C或或石墨石墨的形的形式存在。式存在。 鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼中的滲碳體3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 滲碳體組織金相圖滲碳體組織金相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 l珠光體：珠光體：鐵素體鐵素體與與FeFe3 3C C的機械混合物的機械混合物，用，用P P表示。表示。l珠光體的組織特點是兩相珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布呈片層相間分布,性能介性能介于兩相之間。于兩相之間。珠光珠光體體3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 珠光體珠光體 ( P )( P )3.2.2合金的結(jié)晶合金的

15、結(jié)晶 第第3章章 l萊氏體：萊氏體： A A 與與Fe3CFe3C的的機械混合物機械混合物l高溫萊氏體高溫萊氏體：727 727 以上，以上，奧奧氏體與滲碳體，以氏體與滲碳體，以L Ld d表示表示l低溫萊氏體：低溫萊氏體：727 727 以下，珠光體與滲碳體，以以下，珠光體與滲碳體，以LLd d表示表示l為蜂窩狀為蜂窩狀, , 以以FeFe3 3C C為基，性能硬而脆。為基，性能硬而脆。萊氏萊氏體體3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 上下各上下各5個特征點個特征點: 上：上：A、E、C、D、F下：下：G、Q、P、S、K兩個重要轉(zhuǎn)變兩個重要轉(zhuǎn)變:共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變。

16、特征線特征線: 液相線液相線ACD， 固相線固相線AECF 共晶轉(zhuǎn)變線共晶轉(zhuǎn)變線ECF共析轉(zhuǎn)變線共析轉(zhuǎn)變線_psk3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 鋼鋼 0.0218%wc2.11%過共晶白口鑄鐵：過共晶白口鑄鐵：4.3%wc6.69%，室溫組織：，室溫組織：滲碳體和低溫萊氏體滲碳體和低溫萊氏體 （3）典型合金的冷卻過程及其組織）典型合金的冷卻過程及其組織工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 wc0.0218%，室溫組織：，室溫組織：鐵素體和三次滲碳體鐵素體和三次滲碳體鐵碳合金的分類鐵碳合金的分類亞共析鋼亞共析鋼 0.0218%wc0.77%，室溫組織：，室溫

17、組織：鐵素體和珠光體鐵素體和珠光體；共析鋼共析鋼 wc=0.77%，室溫組織：，室溫組織：珠光體珠光體；過共析鋼過共析鋼 0.77%wc2.11%，室溫組織：，室溫組織：珠光體和二次滲碳體珠光體和二次滲碳體白口鑄鐵白口鑄鐵 2.11%wc6.69%亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵 2.11%wc4.3%，室溫組織：，室溫組織：珠光體、低溫萊氏體珠光體、低溫萊氏體 和二次滲碳體和二次滲碳體； 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵 wc=4.3%，室溫組織：，室溫組織：低溫萊氏體低溫萊氏體；3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 1 1. . 共析鋼共析鋼 ( Wc = 0.77% )( Wc = 0.77%

18、 )3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 共析鋼組織金相圖共析鋼組織金相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 2 2. .亞共析鋼亞共析鋼 ( Wc = 0.45% )( Wc = 0.45% )3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 亞共析鋼組織金相圖亞共析鋼組織金相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 3 3. .過共析鋼過共析鋼 ( Wc = 1.2% )( Wc = 1.2% )3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 過共析鋼組織金相圖過共析鋼組織金相圖3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 （4）鐵碳合金相圖的應(yīng)用鐵碳合金相圖的應(yīng)用3.2.2合金的結(jié)

19、晶合金的結(jié)晶 第第3 章章 在選材方面的應(yīng)用在選材方面的應(yīng)用 形狀復(fù)雜、不受沖擊、要求耐磨的鑄件（如冷軋輥、拉絲模、犁鏵形狀復(fù)雜、不受沖擊、要求耐磨的鑄件（如冷軋輥、拉絲模、犁鏵等），應(yīng)選用等），應(yīng)選用白口鑄鐵白口鑄鐵。 要求塑性、韌性好的各種型材和建筑用鋼，應(yīng)選用要求塑性、韌性好的各種型材和建筑用鋼，應(yīng)選用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的鋼； 承受沖擊載荷，并要求較高強度、塑性和韌性的機械零件，應(yīng)選用承受沖擊載荷，并要求較高強度、塑性和韌性的機械零件，應(yīng)選用碳碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%0.55%的鋼；的鋼；要求硬度高、耐磨性好的各種工具，應(yīng)選用要求硬度高、耐磨性好的各種工具，應(yīng)選用碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.55%的鋼；的鋼；3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 在鑄造方面的應(yīng)用在鑄造方面的應(yīng)用 合金的液、固相線溫度間隔大時合金的液、固相線溫度間隔大時，形成枝晶偏析的傾向性大；同時，形成枝晶偏析的傾向性大；同時先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙結(jié)晶液體的流動，而降低其流動性，增多分散先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙結(jié)晶液體的流動，而降低其流動性，增多分散縮孔?？s孔。3.2.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 第第3章章 純組元和共晶成分的合金純組元和共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。的流動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。 相圖中液相線和固相線之間