材料的組織結(jié)構(gòu)

1、第第2 2章章 材料材料的組織結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)2.1.1 金屬的理想晶體結(jié)構(gòu)金屬的理想晶體結(jié)構(gòu) （一）晶體與非晶體（一）晶體與非晶體 (二二)晶格、晶胞和晶格常數(shù)晶格、晶胞和晶格常數(shù)（三）金屬晶格的常見(jiàn)類型（三）金屬晶格的常見(jiàn)類型（1）體心立方晶格）體心立方晶格鉻、鎢、鉬、釩、鈮和鉻、鎢、鉬、釩、鈮和912 以下的鐵的鐵（2）面心立方晶格）面心立方晶格鋁、銅、鎳、鉛、金、銀鋁、銅、鎳、鉛、金、銀和和912-1394 的鐵的鐵（3）密排六方晶格）密排六方晶格 鎂、鋅、鎘、鈹?shù)?。鎂、鋅、鎘、鈹?shù)取?.1.22.1.2、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 （零維缺陷）：空位，間隙原

2、子，雜質(zhì)原子（零維缺陷）：空位，間隙原子，雜質(zhì)原子 2.線缺陷（一維缺陷）：位錯(cuò)線缺陷（一維缺陷）：位錯(cuò) 3.面缺陷（二維缺陷）：晶界，亞晶界，層錯(cuò)，孿晶界面缺陷（二維缺陷）：晶界，亞晶界，層錯(cuò)，孿晶界2.1.2 2.1.2 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)2.1.22.1.2、金屬的、金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)n（一）、點(diǎn)缺陷（一）、點(diǎn)缺陷 空位空位和間隙原子和間隙原子 以某個(gè)點(diǎn)為中心、在它的周以某個(gè)點(diǎn)為中心、在它的周圍造成原子排列不規(guī)則，產(chǎn)生圍造成原子排列不規(guī)則，產(chǎn)生晶格畸變相的晶體缺陷晶格畸變相的晶體缺陷。n1 1、間隙原子間隙原子：在晶格的間：在晶格的間隙處出現(xiàn)多余原子的晶體；

3、隙處出現(xiàn)多余原子的晶體；間隙原子間隙原子晶格空位晶格空位置換原子置換原子2.1.2 2.1.2 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)n2 2、晶格空位晶格空位：在晶格的結(jié)：在晶格的結(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)缺少原子的晶體；點(diǎn)處出現(xiàn)缺少原子的晶體；n3 3、置換原子置換原子：在晶格的：在晶格的結(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)原子直徑不同的結(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)原子直徑不同的異類原子。異類原子。n點(diǎn)缺陷使金屬抵抗塑性點(diǎn)缺陷使金屬抵抗塑性變形的能力提高變形的能力提高，從而使金，從而使金屬?gòu)?qiáng)度提高。屬?gòu)?qiáng)度提高。（二）、線缺陷（二）、線缺陷位錯(cuò)位錯(cuò) 晶體中某一列或晶體中某一列或若干列原子發(fā)生了有若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)

4、力場(chǎng)2.1.2 2.1.2 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)：受力后沿：受力后沿某些晶面移動(dòng)，導(dǎo)致某些晶面移動(dòng)，導(dǎo)致金屬變形，互相作用，金屬變形，互相作用，使位錯(cuò)使位錯(cuò) 的阻力增大，的阻力增大，金屬?gòu)?qiáng)度提高。金屬?gòu)?qiáng)度提高。（三）面缺陷（三）面缺陷晶界和亞晶界晶界和亞晶界 晶界晶界：不同位向的兩：不同位向的兩晶粒之間的過(guò)渡層。晶粒之間的過(guò)渡層。 亞晶亞晶：晶粒內(nèi)部尺寸：晶粒內(nèi)部尺寸很小、位向差很小的小很小、位向差很小的小晶塊。晶塊。 亞晶界亞晶界：亞晶之間：亞晶之間的界面。的界面。 面缺陷面缺陷：晶界和亞晶：晶界和亞晶界。界。 亞晶界亞晶界晶界晶界亞晶界亞晶界晶界晶界2.1.2 2.

5、1.2 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)面缺陷是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的面缺陷是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，晶粒、亞晶越細(xì)障礙，晶粒、亞晶越細(xì)小，界面越多，晶格畸小，界面越多，晶格畸變?cè)酱?，位錯(cuò)阻力越大，變?cè)酱螅诲e(cuò)阻力越大，金屬?gòu)?qiáng)度越高。金屬?gòu)?qiáng)度越高。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)n（一）、基本概念（一）、基本概念n1 1、合金合金：兩種或兩種以上的金屬元：兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的新金屬。屬性質(zhì)的新金屬。n 、組元組元：組成合金最基本、能獨(dú)立：組成合金最基本、能獨(dú)立存在的物質(zhì)（可以是化學(xué)元素也可以是穩(wěn)存在的

6、物質(zhì)（可以是化學(xué)元素也可以是穩(wěn)定的化合物）。定的化合物）。 n3 3、合金系合金系 ：有相同組元而成分比：有相同組元而成分比例不同的一系列合金。例不同的一系列合金。 n4 4、相相 ：在合金中，：在合金中，化學(xué)成分一致化學(xué)成分一致、物理狀態(tài)相同物理狀態(tài)相同，與其他部分有明顯界面的，與其他部分有明顯界面的部分。部分。 2.1.3 2.1.3 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)n 、顯微組織和組織組成物、顯微組織和組織組成物 組織組織：由單相或多相組成的具有一定形態(tài)的聚合物。：由單相或多相組成的具有一定形態(tài)的聚合物。 顯微組織顯微組織：顯微鏡下看到的相和晶粒的形態(tài)、大小和配置：顯微鏡下看到的相和

7、晶粒的形態(tài)、大小和配置狀態(tài)。狀態(tài)。 組織組成物組織組成物：構(gòu)成顯微組織的獨(dú)立部分，它可以是單相或：構(gòu)成顯微組織的獨(dú)立部分，它可以是單相或多相混合物。多相混合物。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn) 1 1 、固溶體、固溶體 固溶體固溶體：一種組元均勻的溶解在：一種組元均勻的溶解在另一組元中而形成的晶體相。另一組元中而形成的晶體相。固溶體是單相，晶格類型與溶劑固溶體是單相，晶格類型與溶劑相同。相同。溶劑溶劑：晶格保持不變的組元。：晶格保持不變的組元。溶質(zhì)溶質(zhì)：晶格消失的組元。：晶格消失的組元。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)n（1 1）置換固溶

8、體）置換固溶體當(dāng)溶質(zhì)原子代替了當(dāng)溶質(zhì)原子代替了溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)原溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)原子而形成的固溶體子而形成的固溶體。 n形成無(wú)限固溶體的形成無(wú)限固溶體的條件條件：兩組元具有相同：兩組元具有相同的晶格，原子直徑相差的晶格，原子直徑相差很小。很小。 2.1.3 2.1.3 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)n（2 2）間隙固溶體）間隙固溶體溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格間隙處而形成的晶體相。間隙處而形成的晶體相。形成條件形成條件：兩組元直徑相：兩組元直徑相差較大。差較大。由于兩組元原子大小和性由于兩組元原子大小和性能上的差別，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸能上的差別，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變、歪扭，使

9、晶體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變、歪扭，使晶體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，合金塑性變形抗力阻力增大，合金塑性變形抗力增大，由此強(qiáng)化了合金。增大，由此強(qiáng)化了合金。固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：因形成固溶體：因形成固溶體而引起合金強(qiáng)度、硬度升高，而引起合金強(qiáng)度、硬度升高，但塑性和韌性下降的現(xiàn)象。但塑性和韌性下降的現(xiàn)象。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)n 2 2、金屬化合物、金屬化合物 合金中各組元原子按一定整數(shù)比結(jié)合金中各組元原子按一定整數(shù)比結(jié)合而形成的晶體相。合而形成的晶體相。 金屬化合物也是單相，可看成是一金屬化合物也是單相，可看成是一個(gè)組元。個(gè)組元。第二相（彌散）強(qiáng)化：第二相（彌散）強(qiáng)化：在合金中，

10、在合金中，金屬化合物若以細(xì)小的粒狀均習(xí)分布在金屬化合物若以細(xì)小的粒狀均習(xí)分布在固溶體相的基體上使合金的強(qiáng)度、硬度固溶體相的基體上使合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步提高的現(xiàn)象。進(jìn)一步提高的現(xiàn)象。2.1.3 2.1.3 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)n 3 3、機(jī)械混合物、機(jī)械混合物 兩種以上的相緊密混合而成的獨(dú)兩種以上的相緊密混合而成的獨(dú)立整體。立整體。機(jī)械混合物的性能取決于各組成機(jī)械混合物的性能取決于各組成相的性能，及其數(shù)量、形狀、大小與相的性能，及其數(shù)量、形狀、大小與分布等。分布等。2.3 2.3 金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化 結(jié)晶結(jié)晶：金屬?gòu)囊簯B(tài)變成固態(tài)：金屬?gòu)囊簯B(tài)變成固態(tài)的過(guò)程。

11、的過(guò)程。 1.1.結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程 1 1）晶核的產(chǎn)生；）晶核的產(chǎn)生；2 2）晶核的長(zhǎng)大。）晶核的長(zhǎng)大。 2.3 2.3 金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化 1 1）液態(tài)金屬在冷卻過(guò)程中，由于熱量向外散失，溫度）液態(tài)金屬在冷卻過(guò)程中，由于熱量向外散失，溫度不斷下降；不斷下降；n2 2）當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)開(kāi)始結(jié)晶，結(jié)晶放出的熱補(bǔ)償了）當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)開(kāi)始結(jié)晶，結(jié)晶放出的熱補(bǔ)償了向外散失的熱量；向外散失的熱量；n3 3）結(jié)晶結(jié)束，溫度重新下降。）結(jié)晶結(jié)束，溫度重新下降。理論結(jié)晶溫度純金屬純金屬多數(shù)合金多數(shù)合金實(shí)際開(kāi)始結(jié)晶溫度實(shí)際冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線2.3 2.3 金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化金屬的

12、結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化 2.2.結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度 純金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的純金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的溫度。溫度。2.3 2.3 金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象：金屬實(shí)：金屬實(shí)際結(jié)晶溫度較理論結(jié)晶際結(jié)晶溫度較理論結(jié)晶溫度為低的現(xiàn)象。溫度為低的現(xiàn)象。過(guò)冷度過(guò)冷度：理論結(jié)晶：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差。差。冷卻速度越大，過(guò)冷卻速度越大，過(guò)冷度越大，實(shí)際結(jié)晶溫冷度越大，實(shí)際結(jié)晶溫度越低。度越低。10TTT2.3 2.3 金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化2.3 2.3 金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化3.3.晶核的形成與細(xì)晶強(qiáng)化晶核的形成與細(xì)晶強(qiáng)化

13、 自發(fā)晶自發(fā)晶：由金屬自身原子團(tuán)形成晶核；：由金屬自身原子團(tuán)形成晶核； 非自發(fā)非自發(fā)晶晶：依服外來(lái)固體雜質(zhì)形成晶核；：依服外來(lái)固體雜質(zhì)形成晶核； 細(xì)晶強(qiáng)化：細(xì)晶強(qiáng)化：金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性都隨金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性都隨晶粒的細(xì)化而提高。晶粒的細(xì)化而提高。2.3 2.3 金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響晶粒的大小及其控制晶粒的大小及其控制增加過(guò)冷度，提高形核率增加過(guò)冷度，提高形核率 變質(zhì)處理，促進(jìn)非自發(fā)形核變質(zhì)處理，促進(jìn)非自發(fā)形核澆澆注前向金屬液體中加入一些促進(jìn)生核或注前向金屬液體中加入一些促進(jìn)生核或作為晶核的物質(zhì)使金屬晶粒細(xì)化的方法。作為

14、晶核的物質(zhì)使金屬晶粒細(xì)化的方法。振動(dòng)，打碎枝晶振動(dòng)，打碎枝晶 金屬在結(jié)晶時(shí)，對(duì)液態(tài)金屬附加振動(dòng)、金屬在結(jié)晶時(shí)，對(duì)液態(tài)金屬附加振動(dòng)、超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng)等措施，使結(jié)晶超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng)等措施，使結(jié)晶的金屬經(jīng)振動(dòng)而破碎，增加了生核率，的金屬經(jīng)振動(dòng)而破碎，增加了生核率，從而使晶粒細(xì)化。從而使晶粒細(xì)化。2.3 2.3 金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化金屬的結(jié)晶與細(xì)晶強(qiáng)化2.4 2.4 材料材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象的同素異構(gòu)現(xiàn)象金屬的同素異構(gòu)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)結(jié)晶過(guò)程相似，遵循液晶過(guò)程相似，遵循液體結(jié)晶的一般規(guī)律：體結(jié)晶的一般規(guī)律：n1 1、恒溫轉(zhuǎn)變；、恒溫轉(zhuǎn)變；n2 2、轉(zhuǎn)變時(shí)有過(guò)、轉(zhuǎn)變

15、時(shí)有過(guò)冷現(xiàn)象；冷現(xiàn)象；n3 3、轉(zhuǎn)變過(guò)程由、轉(zhuǎn)變過(guò)程由生核生核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成。過(guò)程組成。2.4 2.4 材料材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象的同素異構(gòu)現(xiàn)象2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 凝固凝固：一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。轉(zhuǎn)變過(guò)程。若凝固后形成晶體結(jié)構(gòu)，若凝固后形成晶體結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為該轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為結(jié)晶結(jié)晶。合金相圖合金相圖：在十分緩慢的冷卻條在十分緩慢的冷卻條件下，合金狀態(tài)與成分之間關(guān)系的圖件下，合金狀態(tài)與成分之間關(guān)系的圖形。形。( (狀態(tài)圖、平衡圖狀態(tài)圖、平衡圖) )。2.5.1 2.5.1

16、 二元合金二元合金相圖相圖n二元合金相圖的建立及勻晶二元合金相圖的建立及勻晶相圖相圖 建立合金系的相圖最主要是建立合金系的相圖最主要是測(cè)定各種不同成分合金的測(cè)定各種不同成分合金的臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)。測(cè)定方法測(cè)定方法：磁性分析、膨脹：磁性分析、膨脹分析、電阻測(cè)量、分析、電阻測(cè)量、X X射線分析及射線分析及熱熱分析法分析法等。等。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖勻晶相圖勻晶相圖：兩組元組成的：兩組元組成的合合金系金系，在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)也，在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)也能無(wú)限互溶，形成固溶體的相圖。能無(wú)限互溶，形成固溶體的相圖。2.5 2.5 鐵碳合

17、金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 Cu-NiCu-Ni合金相圖建立合金相圖建立的具體步驟：的具體步驟： n（1 1）配制配制一系列不一系列不同成分的銅鎳合金。同成分的銅鎳合金。n（2 2）將上述合金）將上述合金熔熔化化后分別測(cè)定它們的后分別測(cè)定它們的冷卻冷卻曲線并找出曲線并找出臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)。n （3 3）將各合金臨界）將各合金臨界點(diǎn)標(biāo)在以溫度為縱坐標(biāo)、點(diǎn)標(biāo)在以溫度為縱坐標(biāo)、以成分為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系以成分為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中。中。 n（4 4）將臨界點(diǎn)溫度）將臨界點(diǎn)溫度中，相同物理意義的點(diǎn)中，相同物理意義的點(diǎn)連連接接起來(lái)。起來(lái)。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相

18、圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖相圖分析相圖分析 圖中圖中A A、B B分別為分別為CuCu、NiNi的熔點(diǎn)；兩的熔點(diǎn)；兩相區(qū)的存在，說(shuō)明該合金相區(qū)的存在，說(shuō)明該合金的結(jié)晶是在一定的溫度范的結(jié)晶是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，不同于純金圍內(nèi)進(jìn)行的，不同于純金屬。只有滿足形成無(wú)限置屬。只有滿足形成無(wú)限置換固溶體的兩組元才能形換固溶體的兩組元才能形成這類相圖。成這類相圖。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖合金結(jié)晶過(guò)程分析合金結(jié)晶過(guò)程分析：合金的含量不同，結(jié)晶：合金的含量不同，結(jié)晶溫度不同。溫度不同。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳

19、合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 設(shè)設(shè)W Wm m和和W Wn n為為t t0 0溫度下液相和固相的相對(duì)重量，溫度下液相和固相的相對(duì)重量，則：則：mkknWWnm%100mnknWm%100mnmkWn2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖n（一）共晶相圖（一）共晶相圖 共晶相圖共晶相圖：二組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，：二組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，在固態(tài)下有限溶解并發(fā)生共晶反映的合金在固態(tài)下有限溶解并發(fā)生共晶反映的合金系形成共晶相圖。系形成共晶相圖。共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)：從某種：從某種成分固定成分固定的合金的合金溶溶液液中，在一定中，

20、在一定恒溫恒溫下同時(shí)下同時(shí)結(jié)晶結(jié)晶出兩種成分出兩種成分和結(jié)構(gòu)都不同的和結(jié)構(gòu)都不同的固相固相的反應(yīng)。的反應(yīng)。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖共晶相圖共晶相圖合金系分類合金系分類共晶合金共晶合金亞共晶合金亞共晶合金過(guò)共晶合金過(guò)共晶合金2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖圖中圖中L L為液相；為液相；為為S Sn n（錫）溶于（錫）溶于P Pb b（鉛）中形成的固（鉛）中形成的固溶體；溶體； 為為P Pb b 溶于溶于S Sn n 中形成的固溶體。中形成的固溶體。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵

21、碳合金相圖反應(yīng)產(chǎn)物：兩相混合物共晶組織或共晶體。反應(yīng)產(chǎn)物：兩相混合物共晶組織或共晶體。2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 M M點(diǎn)（點(diǎn)（w wSnSn=19%=19%），），N N點(diǎn)（點(diǎn)（w wP Pb b=2.5%=2.5%），），A A、B B分別為分別為鉛鉛和和錫錫的熔點(diǎn)，的熔點(diǎn)，F(xiàn) F、G G點(diǎn)分別為點(diǎn)分別為、室溫下近似的溶解度室溫下近似的溶解度點(diǎn)。點(diǎn)。E E點(diǎn)為共晶點(diǎn)點(diǎn)為共晶點(diǎn)（w wSnSn=61.9%=61.9%）。）。2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.5.1 2.5.1 二元合金二元合金相圖相圖 共析反應(yīng)共析反應(yīng)：由一：由一種種固相固相在在恒溫恒溫下同時(shí)

22、下同時(shí)轉(zhuǎn)變成兩種新的固相轉(zhuǎn)變成兩種新的固相的反應(yīng)。的反應(yīng)。edc2.5 2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 轉(zhuǎn)變溫度較低，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子擴(kuò)散困難，容易原子擴(kuò)散困難，容易獲得較大的過(guò)冷度。獲得較大的過(guò)冷度。得到的兩相共析組織得到的兩相共析組織要比共晶組織更為細(xì)要比共晶組織更為細(xì)小均勻。小均勻。1.工業(yè)純鐵的定義：工業(yè)純鐵的定義：2.晶格特點(diǎn)：晶格特點(diǎn)：13941538時(shí)，呈體心立方晶格時(shí)，呈體心立方晶格(-Fe)， 9121394時(shí)，呈面心立方晶格時(shí)，呈面心立方晶格( Fe)，912以下以下時(shí)呈體心立方晶格時(shí)呈體心立方晶格( Fe)。 同素異晶轉(zhuǎn)變是鋼可以進(jìn)行各種同素異晶轉(zhuǎn)變是鋼可以進(jìn)行各種熱

23、處理的基礎(chǔ)熱處理的基礎(chǔ)。一、工業(yè)純鐵一、工業(yè)純鐵3.性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)：晶粒越細(xì)晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高強(qiáng)度越高。工業(yè)純鐵具有良好的塑性，但強(qiáng)度較低，很少用來(lái)制造工業(yè)純鐵具有良好的塑性，但強(qiáng)度較低，很少用來(lái)制造機(jī)械零件。機(jī)械零件。 2.5.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖1. 1.鐵素體鐵素體 碳溶于碳溶于 -Fe中形成的中形成的間隙間隙固溶體稱為固溶體稱為鐵素體鐵素體(ferrite)，用符號(hào)用符號(hào)F表示。表示。 鐵素體仍保持鐵素體仍保持 -Fe的體心立方晶格，其晶格間隙的直的體心立方晶格，其晶格間隙的直徑很小，所以其溶碳能力極差。其性能與純鐵相似，強(qiáng)度徑很小，所以其溶碳能力極差。其性能與純鐵相似，強(qiáng)

24、度和硬度較低，塑性和韌性好。和硬度較低，塑性和韌性好。 在顯微鏡下，鐵素體呈在顯微鏡下，鐵素體呈明亮的多邊形晶粒明亮的多邊形晶粒，如圖所示。，如圖所示。二、鐵碳合金中的相二、鐵碳合金中的相 鐵素體在鐵素體在770以下具有鐵磁性，在以下具有鐵磁性，在770以上則失以上則失去鐵磁性。去鐵磁性。 碳溶于碳溶于 -Fe-Fe中形成的間隙固溶體稱為中形成的間隙固溶體稱為奧氏體奧氏體，以，以符號(hào)符號(hào)A表示。由于表示。由于 -Fe-Fe是面心立方晶格，晶格間隙的直是面心立方晶格，晶格間隙的直徑要比徑要比 -Fe大，故溶碳能力也較大。在大，故溶碳能力也較大。在727727時(shí)溶碳量時(shí)溶碳量為為wC C0.77%

25、0.77%，隨著溫度升高溶碳量逐漸增多，在，隨著溫度升高溶碳量逐漸增多，在11481148時(shí)溶碳量最大時(shí)溶碳量最大( (wC C2.11%)2.11%)。 奧氏體具有很好的奧氏體具有很好的塑性和塑性和韌性韌性，硬度為，硬度為160160220220HBS，伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率為為404050%50%，易于，易于鍛鍛壓成型壓成型。2.奧氏體奧氏體 奧氏體奧氏體存在于存在于727以上的高溫范圍內(nèi)，高以上的高溫范圍內(nèi)，高溫下奧氏體的顯微組織溫下奧氏體的顯微組織如右圖所示。如右圖所示。 滲碳體滲碳體(cementite)是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶格的是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶格的間隙化合物間隙化合物，用化

26、學(xué)式，用化學(xué)式Fe3C表示。表示。 滲碳體中碳的含量滲碳體中碳的含量(含碳量含碳量)為為6.69%，熔點(diǎn)為，熔點(diǎn)為1227。有磁性轉(zhuǎn)變，它在有磁性轉(zhuǎn)變，它在230以下具有弱鐵磁性，硬度很高以下具有弱鐵磁性，硬度很高(9501050HV)，而塑性和韌性幾乎為零，脆性極大。，而塑性和韌性幾乎為零，脆性極大。 3 滲碳體滲碳體 滲碳體呈滲碳體呈片層片層狀、狀、球球狀、狀、網(wǎng)網(wǎng)狀或狀或條條狀等。狀等。 滲碳體是滲碳體是鋼鐵材料中主要的強(qiáng)化相鋼鐵材料中主要的強(qiáng)化相，它的形態(tài)，它的形態(tài)與分布對(duì)鋼鐵材料的性能有很大影響。在一定條件與分布對(duì)鋼鐵材料的性能有很大影響。在一定條件下會(huì)發(fā)生分解，形成石墨狀的自由碳，

27、這在鑄鐵中下會(huì)發(fā)生分解，形成石墨狀的自由碳，這在鑄鐵中有重要意義。有重要意義。 石墨石墨(graphite)是是Fe-C合金中游離存在的碳，以符合金中游離存在的碳，以符號(hào)號(hào)G表示。它以簡(jiǎn)單六方晶格結(jié)構(gòu)存在。強(qiáng)度、塑性、表示。它以簡(jiǎn)單六方晶格結(jié)構(gòu)存在。強(qiáng)度、塑性、硬度都很低。硬度都很低。 在鋼中通常是在鋼中通常是不允許不允許它存在，在鑄鐵材料中可增它存在，在鑄鐵材料中可增加鑄鐵的切削加工性和降低鑄鐵的脆性并能保證一定加鑄鐵的切削加工性和降低鑄鐵的脆性并能保證一定的強(qiáng)度和韌性，通過(guò)石墨化處理使化合狀態(tài)的碳轉(zhuǎn)變的強(qiáng)度和韌性，通過(guò)石墨化處理使化合狀態(tài)的碳轉(zhuǎn)變成游離碳的石墨，使鑄鐵由成游離碳的石墨，使鑄

28、鐵由白口變?yōu)榛铱诎卓谧優(yōu)榛铱?，成為有用，成為有用的工程材料的工程材?鑄鐵鑄鐵)。4 石墨石墨鐵碳合金還有鐵碳合金還有兩兩個(gè)相，一個(gè)是個(gè)相，一個(gè)是鐵素體相，另一個(gè)是鐵素體相，另一個(gè)是液相液相。 在在Fe-Fe3C合金的顯微組織均被稱為合金的顯微組織均被稱為相組成物相組成物。 在室溫下，鐵碳合金中最主要的相是鐵素體和滲碳在室溫下，鐵碳合金中最主要的相是鐵素體和滲碳體。體。它們?cè)阡撹F材料中既可以獨(dú)立存在，也能以機(jī)械混它們?cè)阡撹F材料中既可以獨(dú)立存在，也能以機(jī)械混合物形式組成一些基本組織。合物形式組成一些基本組織。 (1)珠光體珠光體 珠光體珠光體(pearlite)是由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械是由鐵

29、素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號(hào)混合物，用符號(hào)P表示。表示。綜合力學(xué)性能好。綜合力學(xué)性能好。 珠光體的顯微組織如圖所示。珠光體的顯微組織如圖所示。三、鐵碳合金中的基本組織三、鐵碳合金中的基本組織 碳的含量為碳的含量為4.3%4.3%的液態(tài)鐵碳合金，冷卻到的液態(tài)鐵碳合金，冷卻到11481148時(shí)，由時(shí)，由液態(tài)液態(tài)中中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物物稱為萊氏體稱為萊氏體( (ledeburite) )，用符號(hào)，用符號(hào)Ld表示。表示。 在在727727以下稱為以下稱為變態(tài)變態(tài)萊氏體，用符號(hào)萊氏體，用符號(hào)Ld表示，表示，其顯微組織如圖其顯微組織如圖4-44-

30、4所示。萊氏體的性能與滲碳體相所示。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。似，硬度很高，塑性很差。(2) (2) 萊氏體萊氏體 鐵素體鐵素體、滲碳體滲碳體和和珠光體珠光體是室溫平衡狀態(tài)下鐵碳合是室溫平衡狀態(tài)下鐵碳合金組織中基本的組成物。在室溫平衡狀態(tài)下，其機(jī)械金組織中基本的組成物。在室溫平衡狀態(tài)下，其機(jī)械性能如表所示。性能如表所示。名稱名稱符號(hào)符號(hào)結(jié)合類型結(jié)合類型(MN/m2)HB（% %）Ak( (J) )鐵素體鐵素體F或或碳在碳在-Fe-Fe中的固溶體中的固溶體( (體體心立方晶格心立方晶格) )23023080805050160160滲碳體滲碳體Fe3C鐵和碳的化合物鐵和碳的化合

31、物( (復(fù)雜晶復(fù)雜晶格格) )30308008000 00 0珠光體珠光體P鐵素體和滲碳體的層片鐵素體和滲碳體的層片狀機(jī)械混合物狀機(jī)械混合物7507501801802020252524243232 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎(chǔ)是研究鐵碳合金的基礎(chǔ)。 在鐵碳合金中，鐵可與碳形成在鐵碳合金中，鐵可與碳形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系等一系列化合物。而穩(wěn)定的化合物可以視為一個(gè)獨(dú)立的組元，因此列化合物。而穩(wěn)定的化合物可以視為一個(gè)獨(dú)立的組元，因此整個(gè)鐵碳合金相圖可視為由整個(gè)鐵碳合金相圖可視為由Fe-Fe3C、Fe-Fe2C、Fe-FeC等一等一系列二元相圖構(gòu)成。系列二元相圖構(gòu)成。 在

32、鐵碳合金中，由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于在鐵碳合金中，由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6.69%的鐵碳合金的鐵碳合金脆性極大，沒(méi)有使用價(jià)值，因而對(duì)鐵碳合金相圖只研究脆性極大，沒(méi)有使用價(jià)值，因而對(duì)鐵碳合金相圖只研究Fe-Fe3C部分。部分。 Fe-Fe3C相圖如圖所示。相圖如圖所示。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 Fe-Fe3C相圖相圖簡(jiǎn)化相圖簡(jiǎn)化相圖 Fe-Fe3C相圖在相圖在1200以上高溫部分以上高溫部分相當(dāng)于二元包晶相圖，在相當(dāng)于二元包晶相圖，在1000以上高以上高溫部分相當(dāng)于二元共晶相圖，在溫部分相當(dāng)于二元共晶相圖，在1000以下部分相當(dāng)于二元共析相圖，以下部分相當(dāng)于二元共析相圖， 因此因此Fe-Fe3C相圖可

33、以看成二元包晶相圖可以看成二元包晶相圖、二元共晶相圖和二元共析相圖三相圖、二元共晶相圖和二元共析相圖三種基本相圖的疊加。種基本相圖的疊加。一、一、 Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖分析相圖分析Fe-Fe3C相圖分析相圖分析ACD線：液相線，在此線以上的區(qū)域?yàn)橐壕€：液相線，在此線以上的區(qū)域?yàn)橐合?，相?當(dāng)合金液冷卻到此線時(shí)開(kāi)始結(jié)晶。當(dāng)合金液冷卻到此線時(shí)開(kāi)始結(jié)晶。AECF線：固相線，合金熔液冷卻到此線線：固相線，合金熔液冷卻到此線時(shí)結(jié)晶完畢，此線以下為固相區(qū)。時(shí)結(jié)晶完畢，此線以下為固相區(qū)。ECF線：共晶線，線：共晶線，1148，液態(tài)合金冷卻，液態(tài)合金冷卻到此線時(shí)，在恒溫條件下，將從液體中同到此

34、線時(shí)，在恒溫條件下，將從液體中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，即發(fā)生共晶反應(yīng)：所形成的共晶體為萊氏即發(fā)生共晶反應(yīng)：所形成的共晶體為萊氏體。體。PSK線：共析線，代號(hào)線：共析線，代號(hào)A1。727，當(dāng)合，當(dāng)合金冷卻到此線時(shí)，從奧氏體中同時(shí)析出鐵金冷卻到此線時(shí)，從奧氏體中同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，即共析反應(yīng)素體和滲碳體的機(jī)械混合物，即共析反應(yīng)：所形成的共析體為珠光體。：所形成的共析體為珠光體。Fe-Fe3C相圖分析相圖分析三條重要的特性曲線三條重要的特性曲線 GSGS線線-A3-A3線由奧氏體線由奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線析出鐵素體的開(kāi)始線. . E

35、SES線線- Acm- Acm線是從奧線是從奧氏體中析出二次滲碳體開(kāi)始氏體中析出二次滲碳體開(kāi)始析出線析出線 PQPQ線線-是碳在鐵素體是碳在鐵素體中的溶解度曲線中的溶解度曲線. .當(dāng)鐵素體當(dāng)鐵素體從從727C727C冷卻下來(lái)時(shí)要從鐵冷卻下來(lái)時(shí)要從鐵素體中析出三次滲碳體素體中析出三次滲碳體相圖中的點(diǎn)相圖中的點(diǎn)1組元的熔點(diǎn)組元的熔點(diǎn)： A (0, 1538) 鐵的熔點(diǎn)；D (6.69, 1227) Fe3C的熔點(diǎn)2同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)：N（0, 1394）-Fe -Fe；G（0, 912）-Fe -Fe 3碳在鐵中最大溶解度點(diǎn)：碳在鐵中最大溶解度點(diǎn)： P（0.0218，727）碳在-Fe

36、 中的 E（2.11，1148）碳在-Fe 中Q（0.0008，RT）室溫下碳在-Fe 中的三相共存點(diǎn)：三相共存點(diǎn)：S（共析點(diǎn)，0.77，727），（AF Fe3C）C（共晶點(diǎn)，4.3，1148），（ AL Fe3C）二、典型合金的結(jié)晶過(guò)程二、典型合金的結(jié)晶過(guò)程n根據(jù)成分，鐵碳合金的分類：根據(jù)成分，鐵碳合金的分類：工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵：Wc0.0218鋼鋼：Wc 0.02182.11n亞共析鋼（亞共析鋼（0.0218wc0.77n共析鋼（共析鋼（wc0.77）n過(guò)共析鋼（過(guò)共析鋼（0.77wc2.11）；）； 白口鐵（生鐵）白口鐵（生鐵）： Wc 2.116.69n亞共晶白口鑄鐵（亞共晶白口鑄鐵（

37、2.11wc4.3n共晶白口鑄鐵（共晶白口鑄鐵（wc4.3）n過(guò)共晶白口鑄鐵（過(guò)共晶白口鑄鐵（4.34.3wc6.696.69）；）； 1 1 共析鋼的結(jié)晶過(guò)程共析鋼的結(jié)晶過(guò)程顯微組織2 2 亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程：亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程：顯顯微微組組織織3 3 過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程：過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程：顯微組織4 4 共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程：共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程：顯顯微微組組織織5 5 亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程6 6 過(guò)共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程：過(guò)共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程：A各相區(qū)的組織各相區(qū)的組織三、鐵碳合金的成分與性能的關(guān)系三、鐵碳合金的成分與性能的關(guān)系FF+FeFF+Fe3 3C CF+PPP+FeF+PPP+Fe3 3C CP+FeP+Fe3 3C C+Ld+Ld/ /LdLd/ /LdLd/ /+Fe+Fe3 3C C 0.0218 0.77 2.11 4.3 6.69 1 1、含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響、含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織的影響三鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系三鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系三鐵碳合金成分、組織、性能三鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系之間的關(guān)系2.5 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖三鐵碳合金成分、組織、性能之間三鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系的關(guān)