機(jī)械工程材料-2章 晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶與相圖二

2.4.1鐵碳合金的組元與基本相1純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.4鐵碳合金相圖

相圖鐵為元素周期表上第26號(hào)元素，原子量55.85，屬于過渡族元素。熔點(diǎn)為1538℃，沸點(diǎn)為2862℃，室溫密度7.87g/cm3。1）含義固態(tài)下，同一種元素的晶體由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

晶格由面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方，體積膨脹8%。晶粒細(xì)化熱膨脹晶格由體心立方轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?，體積收縮8%

。(a)純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(b)對(duì)晶粒的影響(c)純鐵的線膨脹率純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變及其作用

2）特點(diǎn)固態(tài)下的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶過程類似，遵循結(jié)晶的一般規(guī)律：①有一定的平衡轉(zhuǎn)變溫度；②需要一定的過冷度；③經(jīng)歷形核、長(zhǎng)大的過程。但這種轉(zhuǎn)變?cè)诠虘B(tài)下進(jìn)行，原子擴(kuò)散比在液態(tài)下困難，使同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變還具有如下特點(diǎn)：①需要較大的過冷度；②純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變引起晶體體積變化，并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。③在降溫時(shí)，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變使晶粒細(xì)化。3）應(yīng)用使鋼鐵材料可以通過熱處理來(lái)改變組織，從而提高性能；利用它將常溫下塑性較差的體心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貢r(shí)塑性較好的面心立方晶格，從而進(jìn)行鋼材的熱軋和鍛造；使鋼鐵材料組織多樣，性能多樣，適應(yīng)多種應(yīng)用要求。鐵素體(F)碳溶于α–Fe中的間隙固溶體。體心立方晶格。727℃時(shí)固溶度為0.0218%；室溫時(shí)，固溶度為0.0008%。碳在鐵素體中最大固溶度時(shí)：即在1000個(gè)鐵原子中只有一個(gè)碳原子，500個(gè)晶胞中最多有1個(gè)碳原子。鐵素體性能：Rm=230MPa,A=50%,50～80HBS。2鐵碳合金的基本相及其性能碳存在于八面體間隙中奧氏體(A)碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體。面心立方晶格。1148℃時(shí)固溶度最大，2.11%，727℃時(shí)固溶度為0.77%。固溶度最大時(shí)：10個(gè)鐵原子約能固溶1個(gè)碳原子，即奧氏體中每2.5個(gè)晶胞中最多可容納1個(gè)碳原子。奧氏體硬度不高，易于塑性變形。

Rm=400～800MPaA=40～50%,（170～220）HBS碳存在于八面體間隙中滲碳體(Fe3C)鐵與碳形成的金屬化合物。滲碳體一般作為碳鋼中的主要強(qiáng)化相。它的數(shù)量、形態(tài)及分布，對(duì)鐵碳合金的機(jī)械性能有很大影響。滲碳體形狀有片狀、網(wǎng)狀、球狀和板狀等形態(tài)。含碳量6.69%，熔點(diǎn)1227℃。硬度達(dá)800HBW，脆性大，韌性和塑性幾乎為0。Fe3C中Fe原子可以被其它金屬原子所置換，形成合金滲碳體，如（Fe、Mn)3C;(Fe、Cr)3C；部分C原子可被N、B所置換，形成Fe3（C、N);Fe3(C、B)滲碳體晶胞珠光體（P）珠光體是鐵素體和滲碳體交替排列的片層狀組織，屬于機(jī)械混合物。Wc=0.77%。珠光體的強(qiáng)度和硬度高，具有一定的塑性，其力學(xué)性能大致為：抗拉強(qiáng)度Rm＝750～900MPa，延伸率A=20～25%，沖擊韌度αk=24～32J/cm2，硬度為180～280HBS。奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，呈蜂窩狀Wc=4.3%。萊氏體是滲碳體基體上分布著奧氏體組織，其硬度很高，脆性大，耐磨性能好，常用來(lái)制造犁鏵、冷軋輥等耐磨性要求高并且工作時(shí)不受沖擊的工件。1148℃下，隨著溫度降低，萊氏體中的奧氏體會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這樣的萊氏體稱為低溫萊氏體，用符號(hào)“Ld′”表示。萊氏體（Ld）相圖1鐵碳合金相圖2.4.2鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖的橫坐標(biāo)代表鐵碳合金的成分，常用含碳量（Wc％）表示；縱坐標(biāo)代表溫度（℃）。橫坐標(biāo)左端原點(diǎn)代表純鐵（Wc％＝0），右端末點(diǎn)代表含碳量為（Wc％＝6.69％）的Fe3C。奧氏體液相滲碳體鐵素體珠光體萊氏體

共晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變LC

(AE

+Fe3C)，Ld

1148℃AS

(FP

+Fe3C)，P

727℃兩相區(qū)：

L+γ；L+Fe3C；γ+Fe3C；α+Fe3C。單相區(qū)：液相，L；奧氏體區(qū)，γ（或A）；鐵素體區(qū)，α（或F）；滲碳體區(qū)，F(xiàn)e3C。相圖中的相區(qū)兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變奧氏體液相滲碳體鐵素體珠光體相圖中的特征線液相線ＡＣＤ；固相線ＡＥＣＦ；共晶轉(zhuǎn)變ECF；共析轉(zhuǎn)變PSK。

碳在鐵中最大溶解度點(diǎn)P（0.0218，727）：α-Fe中E（2.11，1148）：γ-Fe中Q（0.0008，RT）：室溫下S（0.77，727）：共析（A＋F＋Fe3C）C（4.3，1148）：共晶（A＋L＋Fe3C）F（6.69,1148)滲碳體K

(6.69,727)滲碳體ES線：碳在奧氏體A中的溶解度曲線。最小S：0.77%，最大E：2.11%。隨溫度↓，最大溶解度↓，多余C以Fe3CⅡ形式析出。Fe3CⅡ多以網(wǎng)狀析出，損害材料強(qiáng)度、塑性。PQ線：碳在鐵素體F中的溶解度曲線，隨溫度降低，多余C以Fe3CⅢ形式析出，F(xiàn)e3CⅢ數(shù)量很少，忽略。GS：A?F開始線;F?A結(jié)束線GP：A?F結(jié)束線;F?A開始線奧氏體液相滲碳體鐵素體珠光體萊氏體固溶度線工業(yè)純鐵：<0.0218%C

亞共析鋼：0.0218-0.77%C碳鋼共析鋼：0.77%C0.0218-2.11%C

過共析鋼：0.77-2.11%C

亞共晶白口鑄鐵：2.11-4.3%C白口鑄鐵共晶白口鑄鐵：4.3%C

2.11-6.69%C

過共晶白口鑄鐵：4.3-6.69%C1鐵碳合金的分類及組織

鐵碳合金按含碳量和室溫組織不同，分為：2.4.3典型鐵碳合金結(jié)晶過程及其組織2碳鋼的平衡結(jié)晶過程3鑄鐵的平衡結(jié)晶過程4鐵碳合金組織60鋼的室溫組織QP=77.3%,

QF=22.7%σs=325MPa,δ=9%,HB200-24120鋼的室溫組織QP=23.8%,

QF=76.2%σs=205MPa,

δ=24%,HB105-15645鋼的室溫組織QP=58.4%,

QF=41.6%

σs=295MPa,

δ=14%,HB170-207

共析鋼的室溫組織：100%的珠光體相組成：F+Fe3C

QFe3C=11.5%;QF=88.5%

過共析鋼室溫組織:

P+Fe3CII(1.4%C的)共晶白口鐵室溫組織：Ld'

亞共晶白口鐵：Ld'+A

過共晶白口鐵：Fe3CI+Ld'1鐵碳合金含碳量與組織的關(guān)系

F?F+P?P?P+Fe3CⅡ

?P+Fe3CⅡ+Ld′?Ld′?Ld′+Fe3C?

Fe3C2.4.4碳對(duì)鐵碳合金組織與性能的關(guān)系2鐵碳合金含碳量與性能的關(guān)系隨著含碳量的增高，合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性增高。強(qiáng)度在Wc=0.9%時(shí)達(dá)到峰值。隨著含碳量增高，合金的塑性和韌性降低。鐵碳合金性能與含碳量的關(guān)系可結(jié)合組織進(jìn)行分析：F強(qiáng)度硬度較低，塑性、韌性較好，是軟韌相；P強(qiáng)度、硬度較高，塑性、韌性較低；Fe3C是硬脆相，塑性、韌性幾乎等于零。隨碳含量的增加，亞共析鋼中P增多而F減少,強(qiáng)度隨碳含量的增大而增大。組織越細(xì)密，則強(qiáng)度越高。當(dāng)含碳量超過共析成分之后，F(xiàn)e3CⅡ沿晶界出現(xiàn)，強(qiáng)度增高變慢，到約0.9%時(shí)，F(xiàn)e3CⅡ沿晶界形成完整的網(wǎng)，強(qiáng)度迅速降低，隨著碳的進(jìn)一步增加，強(qiáng)度不斷下降。含碳量到2.11%后，合金中出現(xiàn)Ld′時(shí)，強(qiáng)度已降到很低。再增加碳含量時(shí)，合金基體為脆性很高的Fe3C，強(qiáng)度趨于Fe3C的強(qiáng)度（約20－30MPa)。Fe3C塑性極差，合金的塑性變形全部由F提供。所以隨碳含量的增大，F(xiàn)量不斷減少時(shí)，塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時(shí)，塑性就接近于零。1)在選材方面的應(yīng)用

3Fe-FeC3相圖的應(yīng)用2)在制定熱加工工藝方面的應(yīng)用制定鑄造工藝的依據(jù)：熔煉溫度、澆注溫度制定熱處理工藝的依據(jù)：確定加熱溫度制定鍛造工藝的依據(jù)：確定鍛造加熱溫度若需要塑性、韌性高的材料，應(yīng)選用低碳鋼(Wc=0.10%～0.25%)；需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用中碳鋼(Wc=0.25%～0.60%)；當(dāng)要求硬度高、耐磨性好的材料時(shí)，應(yīng)選用高碳鋼(Wc=0.60%～1.3%)。例如：鑄造成型的零件盡量選擇共晶成分合金。問：不銹鋼水杯？銼刀？在熱加工方面的應(yīng)用金屬材料在外力作用下要經(jīng)歷二個(gè)變形階段——彈性變形階段和塑性變形階段。在外力不超過彈性極限時(shí)，金屬材料只發(fā)生彈性變形，一旦外力去除，由它引起的變形也即告消失。金屬在彈性變形狀態(tài)下，其內(nèi)部原子間的距離會(huì)有所改變，但在外力去掉以后原子間距離即恢復(fù)原狀。2.5金屬的塑性變形當(dāng)外力繼續(xù)增大，使金屬的內(nèi)部應(yīng)力超過了該金屬的屈服極限以后，引起的變形即使外力去除也不會(huì)自行消失，這就是塑性變形。其實(shí)質(zhì)是內(nèi)應(yīng)力迫使晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移和晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)等變化，從而產(chǎn)生了塑性變形。彈性變形塑性變形外力去除后1滑移

滑移是金屬中最常見的一種塑性變形機(jī)理。它是指晶體的一部分沿一定的晶面（原子密排晶面）和晶向（原子密排晶向）相對(duì)于另一部分產(chǎn)生相對(duì)位移。2.5.1塑性變形機(jī)理

晶體中原子密度最大的晶面(密排面)之間的距離最大，在此面上滑移時(shí)阻力最??；在密排面上，原子排列最緊密的方向（密排方向）之間的原子層間距也最大，在此方向上滑移阻力最小。因此滑移總是優(yōu)先沿著密排面上的密排方向上進(jìn)行，即滑移面為該晶格的密排面，滑移方向?yàn)樵摼w的密排方向。一個(gè)滑移面與其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。晶格體心立方面心立方密排六方晶胞滑移面6個(gè)4個(gè)1個(gè)滑移方向2個(gè)3個(gè)3個(gè)滑移系數(shù)量6×2＝124×3＝121×3＝3不同晶格金屬的滑移系

外力P使單晶體零件內(nèi)部在如圖所示的滑移面和滑移方向上發(fā)生了滑移，下面求此滑移方向上的切應(yīng)力分量τc的大小。

稱為取向因子，不同的滑移系的取向不同，其取向因子就不同。

在某晶體任一確定的滑移面和滑移方向上，能使滑移發(fā)生所需要的切應(yīng)力大小是固定的數(shù)值，用表示，稱其為這一滑移系上的臨界分切應(yīng)力。它由材料成分及其晶體結(jié)構(gòu)決定，與受力方向與晶體的滑移系方向無(wú)關(guān)。只能發(fā)生彈性變形不能滑移；才能發(fā)生滑移刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起滑移模型單晶體以滑移方式進(jìn)行塑性變形是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。這種變形方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于需要的應(yīng)力小。整體滑移模型2孿生

滑移和孿生均是晶體在切應(yīng)力作用下的變形方式。但孿生移動(dòng)的原子較多，變形條件更苛刻一些，只在滑移變形難以進(jìn)行時(shí)候才能夠發(fā)生。圖中有兩個(gè)孿生面，兩個(gè)孿生面之間的部分晶體稱為孿晶帶，此區(qū)域相對(duì)于其它部分發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。孿晶帶雖然發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，但其晶格仍與未轉(zhuǎn)動(dòng)前完全一樣，只是它與其它部分的晶體位向不同。孿生面是不同取向晶體的共有晶面，它實(shí)際是共格晶界，因此又被稱為孿晶界。據(jù)研究，孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱關(guān)系，如不能保持鏡面對(duì)稱，由于幾何原因?qū)\晶界就不能成為共格晶界，因此才將晶體的這種變形模式稱為孿生，將以孿生面為對(duì)稱面的兩部分晶體稱為孿晶。3晶界參與并協(xié)調(diào)變形晶界是相鄰晶粒的過渡區(qū)，原子排列不規(guī)則。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái)(即位錯(cuò)的塞積)。多晶體中每個(gè)晶粒的位向不相同，有些晶粒所處的位向取向因子較大，分切應(yīng)力較大，在這些位向上容易滑移，稱為“軟位向”；另一些晶粒所處的位向難于滑移，稱為“硬位向”。處于軟位向的那些晶粒，首先發(fā)生大量滑移，在滑移過程中使晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)致所有晶粒的位向重新調(diào)整，使有些晶粒由“硬位向”轉(zhuǎn)動(dòng)到“軟位向”開始滑移。由此可見，多晶體中不同晶粒的塑性變形有先有后，各晶粒的變形量大小不一。晶界在塑性變形時(shí)也起重要的作用，主要體現(xiàn)在：①晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；②晶界對(duì)變形起協(xié)調(diào)作用。由于各相鄰晶粒之間存在位向差，一些晶粒首先發(fā)生塑性變形，在晶界對(duì)變形起協(xié)調(diào)作用下，周圍的晶粒也發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)或產(chǎn)生一定的變形，使晶粒間保持連續(xù)性。綜上所述，金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，其塑性變形的抗力便越大，表現(xiàn)出強(qiáng)度越高。另外，金屬晶粒越細(xì)，參與滑移的晶粒數(shù)目越多，塑性變形由更多的晶粒分散承擔(dān)，不致造成應(yīng)力集中，從而推遲了裂紋的產(chǎn)生，使斷裂前發(fā)生的塑性變形量增大，表現(xiàn)出塑性的提高。在強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高的情況下，金屬在斷裂前需要消耗大量的功，因而其韌性也比較好。1對(duì)組織的影響金屬塑性變形后，晶粒形狀發(fā)生改變，原本等軸狀的晶粒在力的作用下被拉長(zhǎng)或被壓扁。在大量變形之后，晶內(nèi)位錯(cuò)分布不均勻，使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。大量位錯(cuò)在亞晶粒邊界上聚集。2.5.2塑性變形對(duì)組織和性能的影響

塑性變形后

塑性變形前金屬塑性變形程度達(dá)70%以上時(shí)，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使變形后各晶粒的位向大致趨近于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向。這種各個(gè)晶粒位向大致趨近于一致的結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)。形變織構(gòu)一般分為兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，稱為絲織構(gòu)，例如低碳鋼經(jīng)大變形量冷拔后，其<100>平行于拔絲方向；另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向，稱為板織構(gòu)，低碳鋼的板織構(gòu)為{001}<110>。2對(duì)性能的影響金屬冷塑性變形時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象，稱為形變強(qiáng)化。形變強(qiáng)化可用來(lái)提高金屬的強(qiáng)度和硬度。對(duì)那些不產(chǎn)生相變，不能通過熱處理強(qiáng)化的金屬材料，形變強(qiáng)化非常重要。形變強(qiáng)化同時(shí)造成材料塑性、韌性降低，不利于材料使用，也使材料失去了進(jìn)一步進(jìn)行塑性變形的能力，不能繼續(xù)塑性加工。如還需要進(jìn)行塑性加工，可對(duì)變形過的材料進(jìn)行退火處理，消除變形晶粒內(nèi)的大量位錯(cuò)，材料