課題二金屬的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金組織和相圖

1、鋼鐵材料鋼鐵材料鋼鋼（含碳量小于（含碳量小于2.11%的鐵碳合金）的鐵碳合金）鑄鐵鑄鐵（含碳量大于（含碳量大于2.11%的鐵碳合金）的鐵碳合金）根據(jù)含碳量的不同分為根據(jù)含碳量的不同分為鋼鐵材料的生產(chǎn)方式鋼鐵材料的生產(chǎn)方式煉鋼煉鋼煉鐵煉鐵鋼材生產(chǎn)鋼材生產(chǎn)鋼材種類(lèi)鋼材種類(lèi)型材型材：圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、角鋼、槽鋼、螺紋鋼等圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、角鋼、槽鋼、螺紋鋼等板材板材：中厚鋼板、薄鋼板、鋼帶和硅鋼片中厚鋼板、薄鋼板、鋼帶和硅鋼片管材管材：無(wú)縫鋼管和焊接鋼管（又稱(chēng)有縫鋼管）無(wú)縫鋼管和焊接鋼管（又稱(chēng)有縫鋼管）線材線材：直徑為直徑為69mm的圓鋼和直徑在的圓鋼和直徑在10mm以下的螺紋鋼以下

2、的螺紋鋼課題二課題二 金屬的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金組織和相圖金屬的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金組織和相圖 金屬材料在不同的使用場(chǎng)合下，所要求的力學(xué)性能、物理性金屬材料在不同的使用場(chǎng)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。的主要原因是由于金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同。 非晶體非晶體中的質(zhì)點(diǎn)，是雜亂無(wú)章地堆積在一起，無(wú)規(guī)則可循。中的質(zhì)點(diǎn)，是雜亂無(wú)章地堆積在一起，無(wú)規(guī)則

3、可循。根據(jù)內(nèi)部原子堆積的情況根據(jù)內(nèi)部原子堆積的情況固態(tài)物質(zhì)固態(tài)物質(zhì)分類(lèi)分類(lèi)晶體晶體：如純鋁、純鐵、純銅等：如純鋁、純鐵、純銅等非晶體：非晶體：玻璃、瀝青、松香、石蠟等玻璃、瀝青、松香、石蠟等晶體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)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。則作周期性地重復(fù)排列。晶體和非晶體的晶體和非晶體的根本區(qū)別根本區(qū)別晶體具有規(guī)則的外形。晶體具有規(guī)則的外形。晶體具有固定的熔點(diǎn)。晶體具有固定的熔點(diǎn)。晶體具有各向異性。晶體具有各向異性。晶體的特點(diǎn)晶體的特點(diǎn)純鐵晶粒純鐵晶粒的內(nèi)部結(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面

4、心立方晶格密排六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 BCC 結(jié)構(gòu) FCC 結(jié)構(gòu) CPH 結(jié)構(gòu) 單晶體多晶體 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(chēng)為單晶體 。 外形不規(guī)則，呈顆粒狀的小晶體稱(chēng)為晶粒，每個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體，其原子排列位向是一致的，而各個(gè)晶粒的晶格位向各不相同。晶粒與晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界，晶界上的原子處于過(guò)渡的不規(guī)則狀態(tài)，這些由許多晶粒組成的晶體稱(chēng)為多晶體。 晶核形成晶核形成晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大純鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖純鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖 晶格空位晶格空位置換原子置換原子間隙原子間隙原子點(diǎn)缺陷是指長(zhǎng)、

5、寬、高尺寸都很小的缺陷。點(diǎn)缺陷是指長(zhǎng)、寬、高尺寸都很小的缺陷。常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷晶體缺陷晶體缺陷刃型位錯(cuò)（刃型位錯(cuò)（a）螺形位錯(cuò)螺形位錯(cuò) （b）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)生了所形成的線形缺陷區(qū)，即發(fā)生了“位錯(cuò)位錯(cuò)”。 常見(jiàn)的線缺陷常見(jiàn)的線缺陷面缺陷是在兩個(gè)方向的尺寸很大，第三個(gè)方向的尺寸面缺陷是在兩個(gè)方向的尺寸很大，第三個(gè)方向的尺寸很小而呈面狀的缺陷，主要指晶界和亞晶界。很小而呈面狀的缺陷，主要指晶界和亞晶界。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)或由兩種或兩種以上的

6、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。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。 簡(jiǎn)稱(chēng)元，是指組成合金的最基本獨(dú)立物質(zhì)。組元通常是純?cè)?jiǎn)稱(chēng)元，是指組成合金的最基本獨(dú)立物質(zhì)。組元通常是純?cè)鼗蛘叻€(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。為二元合金、三元合金或多元合金等。是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按照不同比例配制成一系列不是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。同成分的合金。是指合金中具有同一的聚集狀態(tài)、同一的結(jié)構(gòu)

7、和性質(zhì)的均勻組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。成部分。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。是決定材料最終性能的關(guān)鍵。合金在熔點(diǎn)以上時(shí)各組元都能互相溶解，形成均勻液溶體。固態(tài)時(shí)由于各合金在熔點(diǎn)以上時(shí)各組元都能互相溶解，形成均勻液溶體。固態(tài)時(shí)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。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

8、物。固溶體固溶體金屬化合物金屬化合物置換固溶體間隙固溶體 指由合金中各組元指由合金中各組元的原子按一定比例相互的原子按一定比例相互作用而生成的一種新的作用而生成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。具有金屬特性的物質(zhì)。 機(jī)械混合物機(jī)械混合物 物質(zhì)由液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為凝固。如果凝固的固物質(zhì)由液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)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(chēng)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(chēng)為結(jié)晶。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，結(jié)晶就是原子從不規(guī)則的排列（液態(tài)）為結(jié)晶。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，結(jié)晶就是原子從不規(guī)則的排列（液態(tài)）過(guò)渡到按照一定的幾何形狀作有秩序排

9、列（固態(tài)）的過(guò)程。過(guò)渡到按照一定的幾何形狀作有秩序排列（固態(tài)）的過(guò)程。TTn實(shí)際結(jié)晶溫度 TO理論結(jié)晶溫度 過(guò)冷度 Tm熔點(diǎn) 過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象實(shí)際開(kāi)始結(jié)晶實(shí)際開(kāi)始結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象現(xiàn)象 。在金屬液體中，總是存在著一些類(lèi)似晶體中原子有規(guī)則排列的小集團(tuán)。在金屬液體中，總是存在著一些類(lèi)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(shí)聚時(shí)散，此起彼伏。當(dāng)在熔點(diǎn)或熔點(diǎn)以上，這些小集團(tuán)是不穩(wěn)定的，時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏。當(dāng)?shù)陀谌埸c(diǎn)時(shí)，這些小集團(tuán)中的一部分長(zhǎng)大至一定尺寸后，就能成為比較低于熔點(diǎn)時(shí)，這些小集團(tuán)中的一部分長(zhǎng)大至一定尺寸后，就能成為比較穩(wěn)定的

10、小晶體。這些小晶體作為結(jié)晶中心，稱(chēng)為晶核。實(shí)際金屬液體并穩(wěn)定的小晶體。這些小晶體作為結(jié)晶中心，稱(chēng)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(shí)，晶核大多依附在不是很純的，其中總有一些固態(tài)雜質(zhì)存在，在結(jié)晶時(shí)，晶核大多依附在這些固態(tài)雜質(zhì)表面上形成。這些固態(tài)雜質(zhì)表面上形成。 細(xì)晶強(qiáng)化細(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：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；提高冷卻速度，如用金屬模等； 變質(zhì)處理變質(zhì)處理(加形核劑孕育處理加形核劑孕育處理)； 攪拌處理；攪拌處理； 振動(dòng)處理；振動(dòng)處理；定義定義：金屬在固態(tài)下，隨

11、溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的：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(chēng)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現(xiàn)象稱(chēng)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(chēng)為金屬的同素異形體。稱(chēng)為金屬的同素異形體。重結(jié)晶或二次結(jié)晶重結(jié)晶或二次結(jié)晶同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變會(huì)使金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變會(huì)使金屬體積發(fā)生變化，產(chǎn)生較體積發(fā)生變化，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。這是鋼熱處大內(nèi)應(yīng)力。這是鋼熱處理時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致工件理時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致工件變形或開(kāi)裂的原因。變形或開(kāi)裂的原因。 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)

12、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、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。組織和性能之間的關(guān)系。2.1 鐵碳合金分類(lèi)鐵碳合金分類(lèi)通常根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的特點(diǎn)，由通常根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的特點(diǎn)，由FeFe3C相圖中的相圖中的P點(diǎn)和點(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(lèi)。點(diǎn)將鐵碳合金分為工業(yè)純鐵、鋼及白口鑄鐵三類(lèi)。工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵是指是指P點(diǎn)以左的鐵碳合金（含碳量小于點(diǎn)以左的鐵碳合金（含碳量小于0.0218%），室溫組織為鐵素體），室溫組織為鐵素體+少量少量三次滲碳體。工業(yè)純鐵的性能特點(diǎn)

13、是塑性韌性好，硬度和強(qiáng)度較低。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。鋼鋼是指高溫固態(tài)組織為單相固溶體的一類(lèi)鐵碳合金，相圖中是指高溫固態(tài)組織為單相固溶體的一類(lèi)鐵碳合金，相圖中P點(diǎn)成分與點(diǎn)成分與E點(diǎn)成分點(diǎn)成分之間的鐵碳合金（含碳量之間的鐵碳合金（含碳量0.0218%2.11%），具有良好的塑性，適于鍛造、軋），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(guò)共析鋼三種。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(guò)共析鋼三種。白口鑄鐵白口鑄鐵是指是指E點(diǎn)成分以右（含碳量點(diǎn)成分以右（含碳量2.11%6.69%）的鐵碳合金。白口鑄

14、鐵有較低的）的鐵碳合金。白口鑄鐵有較低的熔點(diǎn)，流動(dòng)性好，便于鑄造，脆性大。根據(jù)室溫組織的不同，白口鑄鐵又分為熔點(diǎn)，流動(dòng)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(guò)共晶白口鑄鐵三類(lèi)。亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵和過(guò)共晶白口鑄鐵三類(lèi)。 含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%0.20%雜質(zhì)雜質(zhì)的鐵碳合金中的鐵碳合金中，稱(chēng)之為工業(yè)純，稱(chēng)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機(jī)械零件。為了提高純鐵的強(qiáng)度、硬度，常在純鐵中

15、加入少量碳元素，可形成等五種基本組織。元素，可形成等五種基本組織。鐵素體、奧氏體、滲碳體、鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體珠光體、萊氏體 鐵素體：鐵素體：用用F表示表示碳溶解在碳溶解在a-Fe 形成的間隙固溶體。溶解度很小，形成的間隙固溶體。溶解度很小，鐵素體的最大固溶度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)。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。度和硬度較低。770 以下具有鐵磁性，以上失去鐵磁性。以下具有鐵磁性，以上失去鐵磁性。奧氏體：奧氏體：A碳溶解在碳溶解在 -Fe 中形成的間隙固溶體。溶解

16、度較強(qiáng)，中形成的間隙固溶體。溶解度較強(qiáng)，1148 溶碳量可達(dá)溶碳量可達(dá)2.11 %。強(qiáng)度硬度不高，沒(méi)磁性，具有較好塑性，是絕大多數(shù)鋼在高溫鍛造和軋。強(qiáng)度硬度不高，沒(méi)磁性，具有較好塑性，是絕大多數(shù)鋼在高溫鍛造和軋制時(shí)所需要的組織。制時(shí)所需要的組織。滲碳體：滲碳體：Fe3C鐵與碳形成的金屬化合物，含碳量鐵與碳形成的金屬化合物，含碳量6.69 %。硬度很高，但脆性大，。硬度很高，但脆性大，塑性差，伸長(zhǎng)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、形塑性差，伸長(zhǎng)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(duì)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)狀和

17、分布對(duì)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。在鑄造工藝中具有重要意義?；颈鞠嘞嘀楣怏w珠光體：P 它是它是F和和Fe3C組成的的機(jī)械混合物，平均含碳量組成的的機(jī)械混合物，平均含碳量0.77 %，存在于存在于727 以下。其性能介于鐵素體和滲碳體之間，大以下。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。中，具有一定塑性。萊氏體萊氏體：Ld或或Ld 1148 時(shí)從合金液相中同時(shí)結(jié)晶出的奧氏體和滲碳體的時(shí)從合金液相中同時(shí)結(jié)晶出的奧氏體和滲碳體的混

18、合物，用混合物，用Ld 表示。表示。727時(shí)奧氏體還將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，時(shí)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(chēng)為低溫萊所以室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱(chēng)為低溫萊氏體。性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。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(chēng)為基本相。注意：鐵素體、奧氏體和滲碳體都是單相組織，稱(chēng)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。珠光體和萊氏體則是由基本相混合組成的多相組織。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)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：先升后降表2-1 FeFe3C相圖中的特性點(diǎn)符號(hào)溫度（）含碳量（%）說(shuō)明A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分點(diǎn)G9120-Fe與-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)K7276.69Fe3C的成分點(diǎn)P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)Q600（室溫） 0.0057（0.0008） 600（或室溫）時(shí)碳在-Fe中的溶解