第二章铁碳合金.docx

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第二章铁碳合金

第二章金属材料的组织结构

 第一节金属的晶体结构

固态物质，按其内部原子的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。

非晶体的原子呈不规则排列，如玻璃、松香、塑料等；

晶体的原子在空间呈规则排列，如金刚石、石墨及一切固态的金属和合金。

图2—1（a）为晶体中最简单的原子排列情况示例。

为了便于分析比较各种晶体的内部结构，把每个原子看成一个点，把这些点用直线连接起来，便形成一个空间格子，叫做晶格，如图2—1（b）所示。

晶格中每个点叫做结点。

各个方位的原子平面叫做晶面。

具有代表性的最小单元称为晶胞。

晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小以埃来度量。

最常见的有下面三种类型：

一、体心立方晶格

图2—2（a），原子分布在立方体的各结点和中心处。

Cr、Mo、V、W及α—Fe等属于这种晶格形式，有较大的强度和较好的塑性。

二、面心立方晶格

图2—2（b），原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。

属于这类晶格的金属有A1、Pb、Ag、Cu、Ni和γ-Fe等，具有很好的塑性。

图2-2金属的晶格类型

 三、密排六方晶格

图2—2（c），上下两个六方面的顶角及中心各有一个金属原子，而且在这两个六方面的中间还均匀分布着三个金属原子。

属于这种晶格的有Be、Mg、Zn和Cd等。

原子结构不同，它们的物理、化学和力学性能不同

第二节金属的结晶过程和同素异构转变

一、金属的结晶过程

1.结晶的概念

金属与合金由液体状态转变为固态晶体的过程就叫结晶．

结晶过程可用热分析法研究，得到冷却曲线，即温度随时间而变化的曲线。

如图2—3所示，冷却曲线有一水平线段，表示该金属在此温度下由液体状态转变为固体状态产生的结晶潜热补偿了它向环境散失的热量，因此，线段是水平的。

图2-3纯金属的冷却曲线

在实际结晶过程中，金属液都是冷却到理论结晶温度T0以下某个温度Tn时才结晶。

这一现象叫过冷。

理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用△T表示，即△T=T0-Tn。

当△T=0时，熔化速度与结晶速度相同，只有△T>0才开始结晶。

图2-4液态金属不同速度时的冷却曲线

金属液的过冷度不是恒定值，它和冷却速度有关。

冷却速度愈快，过冷度愈大，则实际结晶温度愈低。

反之，冷却速度愈慢，则过冷度愈小。

如图2—4所示。

 2.结晶过程

液态金属的结晶过程：

当温度降到结晶温度以下时，某些尺寸较大，比较稳定的晶坯按金属晶体的固有规律排列成长，形成规则排列的原子集团而成为结晶的核心，称为晶核。

液态金属中一些外来的微细固态质，也可成为结晶的核心，前者称自发晶核，后者称外来晶核。

当晶核开始出现后，液态金属的原子就以它为中心，按一定的几何形状不断地排列起来，形成晶体。

图2-6A金属的单晶体

晶体沿着各个方向生长的速度是不均匀的，如树枝一样先长出树干，再长出分枝，最后再把枝间填满，形成一个树枝状晶体。

在结晶长大的同时，液体金属的其他地方又会出现新的晶核。

结晶过程就是不断形核与晶核不断长大同时进行的基本过程，直至液态金属全部消失为止。

结晶后，每一个晶核长成为一个晶体，这种晶体叫单晶体。

而实际使用的金属大多数是多晶体，它是由许多外形不规则、大小不等、排列位向不相同的小颗粒晶体组成。

在多晶体中，这些小颗粒晶体叫晶粒，晶粒与晶粒之间的界面叫晶界，如图2—6（b）所示。

图2-6B金属的多晶体

晶粒愈细小，则金属材料的强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好。

在工业生产中，用细化晶粒的方法来提高金属材料的性能叫细晶强化。

晶粒的粗细与晶核数的多少和晶核长大的速度有关。

增大过冷度，以提高自发晶核的形核率，晶核愈多，晶粒就愈细。

例如在铸造生产中，采用金属型铸造比用砂型铸造所得铸件的晶粒更细；在液态金属中加入某些高熔点的物质，以起外来晶核的作用，从而达到细化晶粒的目的，这种方法叫做变质处理；液态金属浇铸后，在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等措施，也能得到细化晶粒的效果；另外，还可以采用压力加工的方法或热处理的方法，使固态金属的粗晶粒细化。

二、金属的同素异构转变

金属在固态下随着温度变化晶体结构也改变的现象叫同素异构转变，如Fe、Sn、Ti、Mn和Co等。

金属的同素异构转变和结晶过程相似，也有一定的转变温度和过冷度；也通过晶核的形成和晶核的长大两个阶段来完成，故又叫做二次结晶或重结晶。

图2-7纯铁的同素异构体转变

用热分析法测得的纯铁的冷却曲线如图2—7所示。

1538～1394℃，体心立方晶格，叫做δ铁；1394～912℃，面心立方晶格，叫做γ铁；912℃以下，又为体心立方晶格，叫做α铁。

其转变过程可概括为：

 金属的这种同素异构性很重要。

纯铁的这一特性，使钢能够进行各种热处理，其主要根据就在这里。

第三节合金的相结构和组织

合金是以一种金属元素同另一种或几种其他元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。

组成合金的元素叫做组元。

组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。

按照组元的数目，合金可分为二元合金、三元合金等．例如黄铜就是铜和锌组成的二元合金，硬铝就是铝、铜和镁组成的三元合金。

在金属和合金中，凡聚集状态相同、化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分称为相。

如纯铁在不同温度下有液相、δ—Fe相和γ—Fe相、α-Fe相。

合金的结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元之间在结晶时的相互作用，合金可以形成固溶体、金属化合物和机械混合物。

一、固溶体

有些合金组元在固态时也具有互相溶解的能力。

例如碳的原子就能溶解到铁的晶格里，这时铁是溶剂，碳是溶质。

这种溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的合金相结构叫做固溶体。

固溶体是单一均匀的物质。

根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置不同，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。

1.置换固溶体当溶质原子代替了一部分溶剂原子而占据溶剂晶格的某些结点位置时，所形成的固溶体叫做置换固溶体，如图2—8（a）所示。

一般情况是当溶剂和溶质原子直径差别不大时易于形成。

2．间隙固溶体当溶质原子在溶剂晶格中不是占据结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙时，所形成的固溶体叫做间隙固溶体。

如图2—8（b）所示。

只有当溶质原子直径与溶剂原子直径之比小于0.59时才能形成。

当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，晶格常数发生变化，如图2—9所示。

原子尺寸相差大，化学性质不同，都使晶格畸变增大，结果合金的强度、硬度和电阻增高，这种现象叫做固溶强化。

图2-8固溶体的两种类型

图2-9形成固溶体时晶体的畸变

二、金属化合物

它是两组元相互作用而形成的一种新的晶体结构，其结构与原两组元都不同且具有金属特性。

例如碳钢中的Fe3C、黄铜中的CuZn等都是金属化合物。

一般具有复杂的晶体结构，性能与各组元的性能也有显著的不同，具有硬度高脆性大的特点，是合金材料重要的强化相。

三、机械混合物

机械混合物是合金的组成物在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物质。

特点：

各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成晶体，在显微镜下可以明显区别出各部分的组织。

机械混合物既可是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。

性能介于各组成性能之间。

第四节铁碳合金的基本组织

钢铁材料是以铁、碳为基本组元的合金，也是生产中应用最广泛的金属材料。

纯铁的塑性很好，但强度、硬度较低，加入少量碳后，则组织和性能就发生了显著变化。

在铁碳合金中，碳能分别溶入α-Fe和γ-Fe的晶格中形成两种有限固溶体。

一种是碳溶于铁中形成固溶体，另一种是碳与铁形成金属化合物。

此外，还可以由固溶体和金属化合物组成机械混合物。

因此，铁碳合金有以下几种基本组织：

一、铁素体

碳溶入体心立方晶格的α-Fe中形成的间隙固溶体，称为铁素体，其显微组织呈大小不等的不规则块状，是钢室温组织中的基本相，用符号F表示。

由于体心立方晶格的空隙多而分散，每个空隙的容积很小，故碳在α—Fe中的溶解度很小，随温度的不同而不同。

在室温时的溶解度仅有0.0008％，在727℃时溶解度最大也才0.0218％。

铁素体含碳很少，性能近似于纯铁；韧性很好，延伸率δ=45％～50％；强度和硬度均不高，σb≈180～230MPa、80HBS。

在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒。

铁素体在768℃以下呈铁磁性。

二、奥氏体

碳溶入面心立方晶格的γ-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。

其显微组织呈大小不等的多边形状，用符号A表示。

由于面心立方晶格的空隙少而集中，每个空隙容积较大，故奥氏体的溶碳能力较强。

奥氏体中的溶解度比铁素体大，在1147℃时的溶解度达2.11%。

随着温度的降低,γ-Fe中碳的溶解度下降，在727℃时，溶解度仅为0.77％。

奥氏体的强度、硬度不很高（σb≈400MPa160～200HB），塑性、韧性很好（δ=45％～50％），是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。

奥氏体呈非铁磁性。

三、渗碳体

由铁和6.69％的碳形成的金属化合物，其分子式为Fe3C，常用符号Cm表示。

具有复杂晶格形式，与铁和碳的晶体结构完全不同。

硬度很高（HB≈800），而塑性极差，几乎为零，硬而脆。

渗碳体在钢中以片状、球状或网状存在，它的形状与分布对钢的性能有很大影响。

渗碳体在高温长期停留或缓慢冷却过程中，能按下式分解为铁和石墨：

Fe3C→3Fe+C（石墨）

这一过程对研究铸铁有重要意义。

四、珠光体

铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

用符号P表示。

渗碳体和铁素体片层相间，交替排列而成的混合物。

力学性能决定于铁素体和渗碳体的性质以及它们各自的特点。

珠光体的强度较高（σb≈750MPa），塑性、韧性和硬度（HB≈180）介于渗碳体和铁素体之间。

五、莱氏体

由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用符号Ld来表示。

因奥氏体在727℃时还将转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物仍叫莱氏体，用符号Ld’表示。

力学性能与渗碳体相似,硬度很高（HB>700），塑性极差。

在上述5种组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的基本相。

 第五节铁碳合金状态图

合金状态图是表示合金系结晶过程的简明图解，又称相图或平衡图，它是研究合金的成分、温度和结晶组织之间变化规律的一个极其重要的工具。

一、Fe-Fe3C状态图概述

状态图的纵坐标表示温度（℃），横坐标表示成分（Wc*100）;用热分析法作出。

首先在极其缓慢的冷却条件下，作出该合金系中一系列不同成图中个区域分别表示在相应的成分、温度条件下，铁碳合金所处的组织状态。

为便于理解，现将Fe+Fe3C状态图分上下两部分介绍如下：

如图2—11所示铁碳合金状态图。

（1）上半部分状态图

该部分状态图用于描述铁碳合金的液态（L）冷却结晶过程：

即WC≦2.06﹪的合金均经过一定温度范围结晶为单相奥氏体（A）组织；而WC﹥2.06﹪的合金除了先结晶出奥氏体（A）或一次渗碳体（Fe3C1）外，并在1147℃时，剩余液体的WC达到C点成分（WC﹦4.3﹪）而发生共晶结晶（指液态中同时结晶出两种固体），形成由A和Fe3C组成的共晶组织莱氏体（Ld）。

该部分状态图主要点、线和区域的含义简介如下：

A、D点分别是纯铁的熔点和渗碳体的熔点。

ACD线——液相线，即液体合金冷却到此线时开始结晶，在此线以上合金为单相液态（L）。

AECF线——固相线，即合金冷却到此线时金属液全部结晶为固相，在此线以下合金为固态，其中AE线下方为单相奥氏体（A）区;ECF线（称为共晶线）下方是由基本相A和Fe3C组成的二相组织（包括A+Ld+Fe3CⅡ、Ld、Ld+Fe3CⅠ）区。

液、固相线之间左、右两封闭区域分别为L+A和L+Fe3CⅠ

（2）下半部分状态图

该部分状态图用以描述铁碳合金固态组织的冷却转变过程：

即Wc≤0.02%的合金，其单相奥氏体（A）均经过一定温度范围转变为单相铁素体（F）；而Wc﹥0.02%的合金，其奥氏体（A）除了部分转变为铁素体（F）或过饱和析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）外，并在723℃时，剩余奥氏体（A）的WC达到S点成分（WC=0.8%）而发生共析转变（指固相中同时析出两种新的固体），形成有F与Fe3C组成的共析组织，称为珠光体（P）。

该部分状态图的主要点、线和区域的含义简介如下：

G点是纯铁的同素异晶转变点。

S点是共析点。

E、P点分别表示碳在奥氏体（A）和铁素体（F）中的最大溶解度。

GS、GP分别是奥氏体（A）向铁素体（F）转变的开始和结束温度线。

故在GS温度（A3表示）线上方为单相奥氏体（A）区，而下方为单相铁素体（F）区，而两线之间为A+F的二相区。

PSK温度（用A1表示）线（称为共析线）的下方是由基本相F与Fe3C组成的二相组织（包括P+F、P、P+Fe3CⅡ、L、d+P+Fe3CⅡ、L、d、L、d+P+Fe3CⅠ）区。

ES线是碳在奥氏体（A）中的溶解曲线，低于该线温度（用Acm表示）,则有二次渗碳体（Fe3CⅡ）从奥氏体（A）中过饱和析出，故ES线下方为A+Fe3CⅡ的二相区。

同理，PQ线下方为F+Fe3CⅢ（三次渗碳体）的二相区。

（3）铁碳合金的分类

根据含碳量及室温下平衡组织的不同，一般把铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类。

（1）工业纯铁含碳量小于0.0218％的铁碳合金，称为工业纯铁。

在室温下的平衡组织为铁素体及少量的渗碳体。

（2）钢含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金，称为钢。

它在高温时都要生成奥氏体。

根据室温组织不同，将钢分为3种：

共析钢：

0.77％C；

亚共析钢:

<0.77％C；

过共析钢:

>0.77％C。

（3）白口铸铁2.11％～6.69％C的铁碳合金，称为白口铸铁。

它在液相结晶时都将发生共晶反应，生成莱氏体。

根据室温组织不同，将铁也分为3种：

共晶白口铸铁:

4.3％C；

亚共晶白口铸铁:

<4.3％C；

过共晶白口铸铁:

>4.3％C。

二、用铁碳合金状态简图分析钢和铁的组织变化

为了分析方便，将图2—10中实际应用很少的左上角部分，以及GPQ线以左含碳量极低的铁素体区域，加以简化，成为图2—11所示的铁碳合金状态简图。

图2-11简化后的铁碳合金状态图

二、钢在结晶过程中的组织转变

（1）、共析钢图2—1l中合金I是共析钢，含碳量为0.77％。

其冷却过程的组织转变为：

L→L+A→A→P。

室温平衡组织全部为珠光体。

（2）、亚共析钢图2—11中合金Ⅱ是亚共析钢，含碳量为0.4％，冷却过程的组织转变为：

L→L+A→A→A+F→P+F。

室温平衡组织由铁素体和珠光体组成。

（3）、过共析钢图2—ll中合金Ⅲ是过共析钢，含碳量为1.2％。

冷却过程的组织转变为：

L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ。

室温平衡组织是由珠光体和呈网状的二次渗碳体组成。

（1）、共晶白口铸铁图2—11中合金Ⅳ是共晶白口铸铁，含碳量为4.3％，冷却过程的组织转变为：

L→Le→Le’。

室温平衡组织是低温莱氏体（由珠光体和渗碳体组成），用Le’表示。

（2）、亚共晶白口铸铁图2—11中合金Ⅴ是亚共晶白口铸铁，含碳量3.0％。

冷却过程的组织转变为：

L→L+A→A→Le+A+Fe3CⅡ→Le’+P+Fe3CⅡ。

室温平衡组织由珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体所组成。

 铁碳合金状态图除用于钢和铸铁的组织转变的研究，作为选择材料的依据外，还可作为制定铸造、锻造、焊接和热处理等工艺规范的重要工具,它将为学习本课程的其他部分奠定必要的基础。

思考和练习题

1．解释下列名词术语：

晶体、晶格、晶胞、晶格常数、过冷度、晶粒、晶界、二次结晶、合金、相、固溶体、金属化合物。

   2．金属的晶粒粗细对其力学性能有什么影响?

  3．为什么机械制造工业部门广泛采用合金?

  4．什么叫同素异构转变?

试举例说明．

  5．为什么采用金属型铸造和变质处理都可以细化晶粒?

  6．对比铁素体、渗碳体和珠光体的组织和性能特点。

   7．试简述铁碳合金状态图中c点和s点的物理含义；ECF线、PSK线和ES线的物理含义。

   8．分析在缓慢冷却条件下，0.4％c、0.77％c和1.3％c的结晶过程和室温组织。

  9．铁碳合金相图有什么用途?