演示文稿 3材料的結(jié)構(gòu)與凝固

工程材料與成形工藝基礎(chǔ)

王紀(jì)安焊接方法與設(shè)備第3章材料的結(jié)構(gòu)與凝固為什么不同的材料有不同的性能表現(xiàn)呢？材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是怎樣的？在機(jī)械工業(yè)中使用最為廣泛的鐵碳合金成分、組織、性能和用途構(gòu)成怎樣的關(guān)系鏈？啟發(fā)思考：工程材料的各種性能，尤其是力學(xué)性能，與其微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。原子的排列方式和空間分布稱為結(jié)構(gòu)Structure。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固Solidification。大多數(shù)材料的使用狀態(tài)是固態(tài)，深入地分析和了解材料的固態(tài)結(jié)構(gòu)與其形成過程是十分必要的。固體物質(zhì)根據(jù)其原子排列情況分為兩種形式：晶體與非晶體。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以通過外界條件加以改變，這種改變?yōu)楦纳撇牧系男阅芴峁┝丝赡堋l(fā)思考：本章學(xué)習(xí)目標(biāo)了解材料的晶體結(jié)構(gòu)與非晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；了解金屬的結(jié)晶過程與非金屬的形成特點(diǎn)；重點(diǎn)掌握鐵碳相圖及其應(yīng)用；掌握鐵碳合金成分、組織、性能、用途之間的關(guān)系及變化規(guī)律。6本章主要內(nèi)容13.1材料的結(jié)合方式23.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)33.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)43.4材料的凝固53.5鐵碳合金相圖本節(jié)主要內(nèi)容一、結(jié)合鍵二、晶體與非晶體3.1材料的結(jié)合方式

3.1.1結(jié)合鍵組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子或離子）之間通過某種相互作用而聯(lián)系在一起，這種作用力稱為鍵Bonding。結(jié)合鍵對(duì)物質(zhì)的性能有重大影響。通常結(jié)合鍵分為結(jié)合力較強(qiáng)的離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵和結(jié)合力較弱的分子鍵與氫鍵。金屬結(jié)合特點(diǎn)：金屬正離子和自由電子之間相互作用而結(jié)合的方式稱金屬鍵Metallicbonding。金屬性能產(chǎn)生的原因分析：良好的導(dǎo)電性；良好的導(dǎo)熱性；很好的變形能力；不透明；金屬光澤。金屬鍵3.1.1結(jié)合鍵金屬結(jié)合特點(diǎn)：金屬正離子和自由電子之間相互作用而結(jié)合的方式稱金屬鍵Metallicbonding。金屬性能產(chǎn)生的原因分析：良好的導(dǎo)電性；良好的導(dǎo)熱性；很好的變形能力；不透明；金屬光澤。金屬鍵3.1.1結(jié)合鍵工程上使用的材料有的是單純一種鍵，更多的是幾種鍵的結(jié)合。金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵，也有共價(jià)鍵和離子鍵（如某些金屬間化合物）。陶瓷材料的結(jié)合鍵是離子鍵和共價(jià)鍵，大部分材料以離子鍵為主。所以陶瓷材料有高的熔點(diǎn)和很高的硬度，但脆性較大。高分子材料又稱聚合物，它的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵和分子鍵。由于高分子材料的分子很大，所以分子間的作用力也就很大，因而也具有一定的力學(xué)性能。3.1.1結(jié)合鍵

3.1.2晶體與非晶體

原子或分子通過結(jié)合鍵結(jié)合在一起時(shí)，在空間組成不同的排列，性能可以有很大差別。

1．晶體Crystal：原子本身在三維空間按一定幾何規(guī)律重復(fù)排列的有序結(jié)構(gòu)。晶體具有固定熔點(diǎn)和各向異性等特性。

2．非晶體Amorphousbody:其內(nèi)部原子無規(guī)則地堆垛在一起。

3．晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化——對(duì)立與統(tǒng)一近程有序與無序。金屬與玻璃。13本章主要內(nèi)容13.1材料的結(jié)合方式23.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)33.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)43.4材料的凝固53.5鐵碳合金相圖本節(jié)主要內(nèi)容一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念二、三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)三、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、合金的晶體結(jié)構(gòu)3.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

探究的方法論：從簡(jiǎn)單——到復(fù)雜；從復(fù)雜——到簡(jiǎn)單；從理想——到實(shí)際；從純金屬——到合金。窺一斑而見全豹。3.2.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶格Crystallattice：描述原子在晶體中排列方式的空間幾何格架稱。晶胞Unitcell：晶格中最少數(shù)目的原子構(gòu)成的最小結(jié)構(gòu)單元（基于周期性規(guī)則排列）。并用棱邊長(zhǎng)度a、b、c和棱邊夾角α、β、γ來表示晶胞的幾何形狀及尺寸。研究目的：對(duì)晶胞的研究可找出該種晶體中原子在空間的排列規(guī)律。晶格類型不同，就呈現(xiàn)出不同的力學(xué)和物理、化學(xué)性能。

3.2.2三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格BCC(Body-centeredcubic)屬于這種晶格類型的金屬有α-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等。面心立方晶格FCC(Face-centeredcubic)屬于這種晶格的金屬有γ-Fe、Cu、Al、Ni、Ag、Pb等；

3.2.2三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)密排六方晶格HCP(Hegxagnalclose-packed)屬于這種晶格類型的金屬有Mg、Zn、Be等。

3.2.2三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)

3.2.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1．幾個(gè)實(shí)際的概念

單晶體Singlecrystal：內(nèi)部的晶格位向完全一致，稱為單晶體，只能靠特殊的方法制得。

多晶體Polycrystalline：實(shí)際使用的金屬材料都是由許多晶格位向不同的微小晶體組成的。

晶粒Crystalgrain：外形呈多面體顆粒狀的小晶體，內(nèi)部的晶格位向一致。

晶界Crystalbounary：晶粒與晶粒之間的界面。2.晶體缺陷Crystaldefect

晶體實(shí)際狀況：在晶粒內(nèi)部，實(shí)際上也不是理想的規(guī)則排列，由于結(jié)晶或其他加工等條件的影響，存在著大量的晶體缺陷，它們對(duì)性能有很大的影響。

3.2.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

點(diǎn)缺陷Pointdefect晶格空位和間隙原子。晶格畸變：缺陷的出現(xiàn)，破壞了原子間的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲。晶格畸變將使晶體性能發(fā)生改變，如強(qiáng)度、硬度和電阻增加（強(qiáng)化）?？瘴缓烷g隙原子的運(yùn)動(dòng)也是晶體中原子擴(kuò)散的主要方式之一，這對(duì)金屬熱處理過程是極其重要的。

3.2.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

線缺陷Pointdefect各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)Dislocation：晶體中一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律錯(cuò)排的現(xiàn)象。多余半原子面底邊（EF線）稱為位錯(cuò)線。在位錯(cuò)線周圍引起晶格畸變，離位錯(cuò)線越近，畸變?cè)絿?yán)重。

3.2.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

線缺陷Pointdefect晶體中的位錯(cuò)不是固定不變的。晶體中的原子發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)或晶體受外力作用而發(fā)生塑性變形時(shí)，位錯(cuò)在晶體中能夠進(jìn)行不同形式的運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積晶體中位錯(cuò)的總長(zhǎng)度。位錯(cuò)的存在及其密度的變化對(duì)金屬很多性能會(huì)產(chǎn)生重大影響。增加或降低位錯(cuò)密度都能有效提高金屬的強(qiáng)度（如位錯(cuò)強(qiáng)化,冷變形強(qiáng)化）。

3.2.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

面缺陷Interfacedefect指晶界和亞晶界。晶界處原子排列不規(guī)則。在一個(gè)晶粒內(nèi)部，存在晶格位向差很小的亞晶。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。晶界易受腐蝕、熔點(diǎn)低，對(duì)塑性變形（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)）有阻礙作用等，硬度和強(qiáng)度均較晶內(nèi)高。晶粒越細(xì)小，晶界亦越多，則金屬的強(qiáng)度和硬度亦越高（如細(xì)晶強(qiáng)化）。

3.2.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

3.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金Alloy：由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬和非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。組元Component:組成合金的最基本的獨(dú)立物質(zhì)?？梢允墙饘僭?、非金屬元素和穩(wěn)定的化合物。分為二元合金、三元合金等。相Phase:金屬或合金中具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)并以界面相互分開的各個(gè)均勻組成部分。相變Phasechange：金屬與合金的一種相在一定條件下可以變?yōu)榱硪环N相。組織Grainstructure：金屬及合金內(nèi)部看到的組成相的種類、大小、形狀、數(shù)量、分布及相間結(jié)合狀態(tài)。單相組織與多相組織。合金元素間相互作用形成:基本相結(jié)構(gòu)：

3.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

固溶體金屬化合物固溶體:溶入——溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相稱為固溶體Solidsolution。置換固溶體和間隙固溶體。由于溶質(zhì)原子的溶入，會(huì)引起固溶體晶格發(fā)生畸變，使合金的強(qiáng)度、硬度提高的方法叫固溶強(qiáng)化。

3.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

金屬化合物:化合——合金元素間發(fā)生相互作用而生成的具有金屬性質(zhì)的一種新相——金屬化合物Compound。其晶格類型和性能不同于合金中的任一組成元素，一般可用分子式來表示。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會(huì)降低塑性和韌性。以金屬化合物作為強(qiáng)化相強(qiáng)化金屬材料的方法，稱為第二相強(qiáng)化。金屬化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬化合物為基的固溶體。

3.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

金屬化合物:Fe3C是鐵與碳相互作用形成的一種金屬化合物，稱為滲碳體

Cementite含碳量Wc=6.69%。

3.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金組織可以是單相的固溶體組織，但由于其強(qiáng)度不高，應(yīng)用受到了一定的限制。多數(shù)合金是由固溶體和少量金屬化合物組成的混合物。人們可以通過調(diào)整固溶體的溶解度和分布于其中的化合物的形狀、數(shù)量、大小和分布來調(diào)整合金的性能，以滿足不同的需要。

3.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)

31本章主要內(nèi)容13.1材料的結(jié)合方式23.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)33.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)43.4材料的凝固53.5鐵碳合金相圖本節(jié)主要內(nèi)容一、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三、高聚物的力學(xué)性能3.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)陶瓷Ceramics是由金屬和非金屬元素的化合物構(gòu)成的多晶固體材料通常其組織結(jié)構(gòu)由晶體相、玻璃相和氣相三部分組成。3.3.1陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶體相:晶體相是陶瓷中的主要組成相，對(duì)性能起決定性作用。主要有硅酸鹽結(jié)構(gòu)和氧化物結(jié)構(gòu)兩類。硅氧四面體示意圖3.3.1陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)玻璃相是一種非晶態(tài)的低熔點(diǎn)固體相，它是陶瓷材料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的氧化物熔融液相冷卻形成的，在陶瓷中常見的是SiO2等。玻璃相的作用一是將晶體相粘結(jié)起來，填充晶體相間空隙，提高材料的致密度、二是降低燒成溫度，加快燒結(jié)過程；三是阻止晶體的轉(zhuǎn)變，抑制晶體長(zhǎng)大；四是獲得一定程度的玻璃特點(diǎn)，如透光性等。3.3.1陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)氣相是指陶瓷組織內(nèi)部殘留下來的孔洞。根據(jù)氣孔情況，陶瓷分致密陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶瓷。3.3.1陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高分子化合物是由許多小分子通過共價(jià)鍵連接起來形成的大分子的有機(jī)化合物，故又稱為聚合物或高聚物?？梢跃酆仙纱蠓肿渔湹男》肿踊衔锓Q為單體；大分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)；一個(gè)大分子鏈中鏈節(jié)的數(shù)量稱為聚合度。如聚乙烯是由乙烯聚合而成的，乙烯就是聚乙烯的單體，其聚合反應(yīng)式為n(CH2=CH2)——[-CH2–CH2-]n式中[-CH2–CH2-]即為聚乙烯大分子鏈的鏈節(jié)，n即為聚乙烯大分子鏈的聚合度。

1.大分子鏈的結(jié)構(gòu)

大分子鏈的幾何形狀有線型、支鏈型和體型等三類。

2.大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)大分子幾何排列分無定形和晶態(tài)兩種。3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高聚物的結(jié)構(gòu)主要包括兩個(gè)微觀層次:1.大分子鏈的結(jié)構(gòu)

（1）線型高分子結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)十分柔軟，易于加工，并可反復(fù)使用，具有良好的彈性和熱塑性。（2）支鏈型高分子結(jié)構(gòu)。支鏈的出現(xiàn)一般會(huì)使聚合物的粘度增加，性能得以強(qiáng)化。（3）體型高分子結(jié)構(gòu)。交聯(lián)結(jié)構(gòu)，在空間呈網(wǎng)狀，穩(wěn)定，既不能溶解，也不能熔融，尺寸穩(wěn)定性好，但彈塑性很低。3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.大分子鏈的結(jié)構(gòu)

大分子鏈結(jié)構(gòu)的特點(diǎn):

是鏈上的單鍵可以任意旋轉(zhuǎn)，由其引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象，稱為大分子鏈的構(gòu)象。受力時(shí)可以表現(xiàn)出很大的伸縮能力。大分子這種由構(gòu)象變化獲得不同卷曲程度的特性稱為大分子鏈的柔順性。3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2．大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（1）無定形高聚物的結(jié)構(gòu)線型大分子鏈很長(zhǎng)，呈無序狀態(tài)，形成無定形結(jié)構(gòu)。3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2．大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（2）晶態(tài)高聚物的結(jié)構(gòu)線型、支鏈型和交聯(lián)少的網(wǎng)狀高分子聚合物固化時(shí)可以結(jié)晶，形成局部晶態(tài)。分子間的作用力較大，強(qiáng)度、硬度和剛度較高，熔點(diǎn)較高，耐熱性和耐蝕性較好，而彈性、塑性和韌性較低。3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3．高聚物的力學(xué)狀態(tài)

在外載荷作用和不同的溫度下，會(huì)有不同的鏈間結(jié)合狀態(tài)，呈現(xiàn)出不同的變形規(guī)律和力學(xué)性能——高聚物的力學(xué)狀態(tài)。玻璃態(tài)、高彈態(tài)與粘流態(tài)。

3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3．高聚物的力學(xué)狀態(tài)

a.玻璃態(tài)在溫度低于Tg

時(shí)，高聚物處于玻璃態(tài)，Tg

稱為玻璃化溫度。在玻璃態(tài)時(shí)，高聚物的大分子鏈熱運(yùn)動(dòng)處于停止?fàn)顟B(tài)。玻璃態(tài)下表現(xiàn)出的力學(xué)性能與低分子材料相似，具有一定剛度，是塑料的應(yīng)用狀態(tài)。3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3．高聚物的力學(xué)狀態(tài)

b．高彈態(tài)當(dāng)溫度處于玻璃化溫度Tg和粘流化溫度Tf

之間時(shí)，高聚物處于高彈態(tài)。這時(shí)高聚物的分子鏈動(dòng)能增加。處于高彈態(tài)的高聚物在受外力作用時(shí)，原卷曲鏈沿受力方向伸展，產(chǎn)生很大的彈性變形。高彈態(tài)是橡膠的應(yīng)用狀態(tài)。3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3．高聚物的力學(xué)狀態(tài)

c.粘流態(tài)當(dāng)溫度升到粘流化溫度Tf時(shí)，大分子鏈可自由運(yùn)動(dòng)，高聚物呈流動(dòng)狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為粘流態(tài)。粘流態(tài)是高聚物成型加工的工藝狀態(tài)，在此狀態(tài)高聚物可以作為膠粘劑膠結(jié)各種構(gòu)件。3.3.2高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)46本章主要內(nèi)容13.1材料的結(jié)合方式23.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)33.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)43.4材料的凝固53.5鐵碳合金相圖本節(jié)主要內(nèi)容一、金屬的結(jié)晶特點(diǎn)二、非晶態(tài)凝固的特點(diǎn)3.4材料的凝固

凝固的產(chǎn)物可以是晶體，也可以是非晶體當(dāng)材料從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體時(shí)稱為結(jié)晶(Crystallization)3.4.1金屬的結(jié)晶特點(diǎn)平衡結(jié)晶溫度，液體與晶體同時(shí)共存，處于平衡狀態(tài)。純金屬的實(shí)際結(jié)晶過程可用冷卻曲線來描述。冷卻曲線是溫度隨時(shí)間而變化的曲線。實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于平衡結(jié)晶溫度T0，這種現(xiàn)象叫做過冷現(xiàn)象Supercooling。過冷度ΔT=T0-T1過冷是金屬結(jié)晶的必要條件；液體冷卻速度越大，ΔT越大。從理論上說，當(dāng)冷卻速度無限小時(shí)，ΔT趨于0，即實(shí)際結(jié)晶溫度與平衡結(jié)晶溫度趨于一致。

1.結(jié)晶的一般過程從無到有（晶核形成），由小變大（晶核長(zhǎng)大）的過程。自發(fā)形核：依靠液體本身在一定過冷度條件下，形成原子排列小集團(tuán)的方式。非自發(fā)形核：依附于雜質(zhì)表面形成晶核的過程。形核與長(zhǎng)大在整個(gè)結(jié)晶期間是同時(shí)進(jìn)行的。3.4.1金屬的結(jié)晶特點(diǎn)2.結(jié)晶后的晶粒大小及其控制細(xì)晶組織優(yōu)勢(shì)：不僅強(qiáng)度高。而且塑性和韌性也好。細(xì)晶方法：增大過冷度、變質(zhì)處理、振動(dòng)攪拌等獲得細(xì)小晶粒來提高金屬材料的強(qiáng)度（細(xì)晶強(qiáng)化）。3.4.1金屬的結(jié)晶特點(diǎn)3.4.2非晶態(tài)凝固的特點(diǎn)

影響非晶態(tài)凝固的因素主要有下列兩個(gè):（1）熔體的粘度高粘度的熔體，凝固時(shí)易于形成非晶體。（2）冷卻速度冷卻速度很快，晶核不能形成，就會(huì)得到非晶體——非晶態(tài)合金。52本章主要內(nèi)容13.1材料的結(jié)合方式23.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)33.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)43.4材料的凝固53.5鐵碳合金相圖本節(jié)主要內(nèi)容一、鐵碳合金的組元和基本相二、鐵碳相圖分析三、典型合金的結(jié)晶和組織四、含碳量與合金組織性能的關(guān)系

3.5鐵碳合金相圖純金屬的結(jié)晶：成分恒定，溫度—時(shí)間的變化，組織變化——性能變化?？梢杂美鋮s曲線描述研究。同一成分的合金：成分配比恒定，溫度—時(shí)間的變化，組織變化——性能變化。也可以用冷卻曲線描述研究。不同成分的合金系：成分變化、溫度變化、分別測(cè)定冷卻曲線，將相同性質(zhì)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)連接起來，構(gòu)成相圖。表示在平衡條件下合金的成分、溫度與其相和組織狀態(tài)之間關(guān)系的圖形，稱為合金相圖（又稱為合金狀態(tài)圖或合金平衡圖）。鐵碳相圖(Iron-carbonequilibriumdiagram)是研究在平衡狀態(tài)下鐵碳合金(Iron-carbonalloy)成分、組織和性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的圖形。對(duì)制定鋼鐵材料的加工工藝具有重要的指導(dǎo)意義。3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，合金的性能逐漸變脆，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%之后，合金將失去使用價(jià)值。所以，在鐵碳合金中，一般只研究碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%左右的合金。由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%時(shí)，剛好能夠形成一種穩(wěn)定的金屬化合物Fe3C（又稱滲碳體）。因穩(wěn)定化合物可以作為獨(dú)立的組元，所以，我們?cè)谘芯胯F碳合金時(shí)，實(shí)際上只研究Fe-Fe3C部分，其余部分不予討論。以Fe、Fe3C為組元的Fe-Fe3C相圖如下圖所示。1.組元（Fe、Fe3C）3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相1.組元（Fe、Fe3C）

純鐵（Fe）的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

鐵等金屬在結(jié)晶后晶格類型會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生變化；這種同一種元素在不同條件下具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度等外界條件變化時(shí)，晶格類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（固態(tài)轉(zhuǎn)變）。是鋼熱處理的基礎(chǔ)。3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相1.組元（Fe、Fe3C）

滲碳體（Fe3C）是鐵與碳相互作用形成的一種金屬化合物，稱為滲碳體，含碳量Wc=6.69%。3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相1.組元（Fe、Fe3C）在液態(tài)下，鐵和碳可以互溶成均勻的液體。在固態(tài)下，碳可有限地溶于鐵的各種同素異構(gòu)體中，形成各種間隙固溶體。當(dāng)含碳量超過在相應(yīng)溫度固相的溶解度時(shí)，則會(huì)析出滲碳體。含碳量越多，滲碳體越多，Wc=6.69%時(shí)，100%的滲碳體。3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相2.基本相及其性能液相鐵碳合金在熔化溫度以上形成的均勻液體稱為液相，常以符號(hào)L表示。3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相2.基本相及其性能3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相2.基本相及其性能

鐵素體F(Ferrite)

碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體,通常以符號(hào)F表示。碳在α-Fe中的溶解度很低,在727℃時(shí)溶解度最大,為0.0218％,在室溫時(shí)幾乎為零(0.0008%)。鐵素體強(qiáng)度和硬度很低，但具有良好的塑性和韌性。3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相2.基本相及其性能

奧氏體A(Austenite)

碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，。碳在-Fe中的溶解度也有限，在1148℃時(shí)溶解度最大2.11％。溫度降低，溶解度也逐漸下降，在727℃時(shí)，奧氏體的含碳量為0.77％。奧氏體的硬度不高，易于塑性變形。滲碳體Ce(Cementite)

滲碳體是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物Fe3C，滲碳體的含碳量為6.69％。在Fe-Fe3C相圖中，滲碳體既是組元，又是基本相。滲碳體的硬度很高，約800HBW,而塑性和韌性幾乎等于零,是一個(gè)硬而脆的相。滲碳體是鐵碳合金中主要的強(qiáng)化相，它的形狀、大小與分布對(duì)鋼的性能有很大影響。3.5.1鐵碳合金的基本組元與基本相2.基本相及其性能3.5.2Fe-Fe3C相圖分析簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖可視為由兩個(gè)簡(jiǎn)單相圖組合而成：右部為共晶轉(zhuǎn)變（在一定條件下，一種液相同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的轉(zhuǎn)變）類型的相圖，左下半部分為共析轉(zhuǎn)變（在一定條件下，一種固相同時(shí)析出兩種固相的轉(zhuǎn)變）類型的相圖。3.5.2Fe-Fe3C相圖分析主要特征點(diǎn)A鐵的熔點(diǎn)（1538℃）D滲碳體的熔點(diǎn)1227℃C共晶點(diǎn)：液相在1148℃同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為萊氏體Ld。G點(diǎn)是鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，溫度為912℃。鐵在該點(diǎn)發(fā)生面心立方晶格與體心立方晶格的相互轉(zhuǎn)變。S點(diǎn)為共析點(diǎn)，奧氏體在727℃同時(shí)析出鐵素體和滲碳體。此轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變，共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱珠光體P（Pearlite），它是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。E點(diǎn)是碳在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)，c%=2.11％，溫度為1148℃。P點(diǎn)是碳在α-Fe中的最大溶解度點(diǎn)，c%=

0.0218％，溫度為727℃。Q點(diǎn)是室溫下碳在α-Fe中的溶解度，c%=0.0008％。ACD線：液相線，該線以上為完全液相；AECF線：固相線，該線以下是完全固相。GS線：冷卻時(shí)奧氏體開始析出鐵素體，或加熱時(shí)鐵素體全部溶入奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度線。GS線又稱為A3線。CD線：液體冷卻時(shí)開始結(jié)晶出滲碳體Fe3CⅠ的轉(zhuǎn)變線。3.5.2Fe-Fe3C相圖分析主要特征線ES線：碳在奧氏體中的溶解度曲線。隨溫度的降低，碳在奧氏體中的溶解度沿ES線從2.11％變化至0.77％。由于奧氏體中含碳量的減少，將從奧氏體中沿晶界析出滲碳體,稱為二次滲碳體(Fe3CII)。ES線又稱為Acm

線。PQ線：碳在鐵素體中的溶解度曲線。隨溫度的降低，碳在鐵素體中的溶解度沿PQ線從0.0218％變化至0.0008％。由于鐵素體中含碳量的減少，將從鐵素體中沿晶界析出滲碳體,稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。因其析出量極少，在含碳量較高的鋼中可以忽略不計(jì)。主要特征線3.5.2Fe-Fe3C相圖分析ECF線：是共晶線（1148℃），相圖中，凡是C%=2.11％～6.69％的鐵碳合金都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。PSK線：是共析線（727℃），相圖中，凡是C%=0.0218％～6.69％的鐵碳合金都要發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。PSK線又稱為A1線。主要特征線3.5.2Fe-Fe3C相圖分析滲碳體Fe3C的五種形態(tài)：由于生成條件的不同，滲碳體可以分為Fe3CⅠ、Fe3CII

、Fe3CIII

、共晶Fe3C和共析Fe3C五種。它們是同一相，但由于形態(tài)與分布不同，對(duì)鐵碳合金的性能有著不同的影響。3.5.2Fe-Fe3C相圖分析單相區(qū)——四個(gè)單相區(qū)

F、A、L和Fe3C。兩相區(qū)——五個(gè)兩相區(qū)即L+A兩相區(qū)、L+Fe3C兩相區(qū)、A+Fe3C兩相區(qū)、A+F兩相區(qū)和F+Fe3C兩相區(qū)。3.5.2Fe-Fe3C相圖分析相區(qū)3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織鐵碳合金由于成分的不同，室溫下將得到不同的組織。根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織的不同，可將鐵碳合金分為三類：工業(yè)純鐵

鋼

白口鑄鐵

工業(yè)純鐵(C%<0.0218％)鋼(0.0218％<C%<2.11％)。根據(jù)室溫組織的不同，鋼又可分為以下三種：亞共析鋼(0.0218％<C%<0.77％)；共析鋼(C%=0.77％)；過共析鋼(0.77％<C%<2.11％)

白口鑄鐵(2.11％<C%<6.69％)。根據(jù)室溫組織不同，白口鑄鐵也分為三種：亞共晶白口鑄鐵(2.11％<C%<4.3％)；共晶白口鑄鐵(C%=4.3％)；過共晶白口鑄鐵(4.3％<C%<6.69％)。1.共析鋼的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織1.共析鋼的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織2.亞共析鋼的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織2.亞共析鋼的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織3.過共析鋼的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織3.過共析鋼的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織4.共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織4.共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織室溫平衡組織：珠光體+二次滲碳體+低溫萊氏體。5.亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析珠光體P萊氏體Ld二次滲碳體Fe3CⅡ3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織5.亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織室溫平衡組織：一次滲碳體+低溫萊氏體。5.過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析一次滲碳體低溫萊氏體3.5.3典型合金的結(jié)晶過程及組織5.過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程分析3.5.4含碳量與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系鐵碳合金室溫組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成但是含碳量不同時(shí)，組織中兩個(gè)相的相對(duì)數(shù)量、分布及形態(tài)不同，即組織不同因而不同成分的鐵碳合金具有不同的性能。

1.鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系3.5.4含碳量與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系2.鐵碳合金含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系3.5.4含碳量與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系硬度直線上升塑性和韌性下降強(qiáng)度在C含量0.9%時(shí)達(dá)到峰值，然后下降含碳量超過2.11%的白口鑄鐵萊氏體組織，硬脆，難切削，不能鍛造，應(yīng)用受限。可用于表面要求高硬度和耐磨的零件，如犁鏵、冷軋輥等。2.鐵碳合金含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系3.5.4含碳量與鐵碳合金組織