机械工程材料 第二章 碳钢.ppt

第二章 碳钢第一节 纯铁的组织和性能一、纯铁的结晶结晶：物质从液态转变为晶体的过程称为结晶 理论结晶温度：每种物质都有一定的平衡结晶 温度，即理论结晶温度T0平衡结晶温度:液体的结晶速度与晶体的熔化速度 相等时的温度，在此温度下液体与固体共存，达 到可逆的平衡雾凇实际结晶温度：实际上，物质在T0并不能结晶， 而必须在低于T0 以下某一温度Tn才开始结晶Tn称 为实际开始结晶温度过冷现象：实际结晶温度总是低于理论结晶温 度，这种现象称为过冷过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之间的 差值ΔT= T0- Tn称为过冷度过冷度不是一个恒定值，它随物质性质、纯度 以及结晶前液体的冷却速度等因素而改变，冷 速越大，过冷度越大它是一切物质结晶的必 要条件• 冷却曲线 • 金属结晶时温度与时 间的关系曲线称冷却 曲线曲线上水平阶 段所对应的温度称实 际结晶温度T1 • 曲线上水平阶段是由 于结晶时放出结晶潜 热引起的.纯金属的冷却曲线液态T0 T Tn△GG△T固态热力学第一定律：自然界 的一切自发转变过程总是 从能量较高的状态趋向能 量较低的状态对于同一物质，液态与固态的自由能（物质 能够对外做功的能量ΔG）不同。

液体与固 体之间的自由能差为结晶的驱动力二、结晶一般过程结晶的两个过程：晶核形成（形核）、晶核长大结晶开始后，先在液体中产生一些稳定的微小 晶体，称为晶核，形成晶核的过程称为形核晶核长大：熔体中液/固界面位置存在原子相 互迁移，即凝固和熔化，当液体向固体的迁 移速度比固体向液体的速度大时，晶粒才会 长大，直到全部液体结晶为固体，最后形成 由许多外形不规则的晶粒所组成的多晶体AlMg合金相邻晶粒之间的界 面称为晶界若一 块晶体仅有一个晶 粒组成称为单晶体 ，反之为多晶体结晶时冷却速度越大，过冷度越大，晶核越 多、晶粒越细其强度、塑性、韧性越好三、晶体结构的基本概念晶体：指原子（离子或分 子）在空间呈规则排列的 物体原子（离子或分子）在 空间的具体排列就称为 晶体结构为研究方便，把原子（离子或分子）抽象为 规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点 结点在空间的排列方式称为空间点阵点阵中的结点所组成的平面 代表晶体中的原子平面，称 为晶面点阵中的结点按照 直线排列代表晶体中的原则 列，称为晶向把点阵中的 结点用一系列平行直线连接 起来构成空间格子称为晶格 晶胞：同一空间点阵中多种不同形状和大小 的平行六面体，构成晶格的最基本单元。

能 够充分反映整个空间点阵的对称性，有尽可 能多的直角并且体积尽可能小a c bαβ γa c b αβγ表征晶胞的 六个参数：a,b,c称为晶格常数若a=b=c，α=β=γ=90°的晶胞称为立方 晶胞金属中三种常见晶体结构l常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、l面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格体心立方晶格的晶胞它是一个立方体在晶 胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角 上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶 胞实际上只占有1／8个原子而中心的原子 为该晶胞所独有故晶胞中实际原子数为 8×1／8＋1＝2（个）具有体心立方晶格的 金属有Cr 、Mo 、 W 、 V 、α-Fe 、δ-Fe 等 体心立方晶格• 2、面心立方晶格 • 面心立方晶格也是一个立方体，在晶 胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都 排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的 八个晶胞所共有，而每个面中心的原子 为两个晶胞共有所以，面心立方晶胞 中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个） • 具有面心立方晶格的金属有 γ-Fe、Al 、 Cu 、 Ag 、 Au 、 Ni 、 Pb 等面心立方晶格• 3、密排六方晶格 • 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个 呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。

因此，要用两个晶格常数表示一个是柱体的高 度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上 和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶 胞中间还有三个原子 • 密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶 胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所 共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有所以，密 排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）具有密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 密排六方晶格晶体缺陷：实际晶体中与理想的点阵结构发 生偏差的区域；不影响晶体结构的基本特性 ，少数原子排列特征发生改变，周期性势场 畸变l点缺陷：0维，空位、间隙原子异类原子 l线缺陷：一维，位错 l面缺陷：二维，晶界、相界、表面晶体缺陷• ① 点缺陷 • 空间三维尺寸 都很小的缺陷 l空位l间隙原子l置换原子• a. 空位：晶格中某 些缺排原子的空结 点b. 间隙原子：挤进晶 格间隙中的原子可 以是基体金属原子， 也可以是外来原子• c. 置换原子： 取代原来原子位置的外 来原子称置换原子 • 点缺陷破坏了原子的平 衡状态，使晶格发生扭 曲，称晶格畸变从而 使强度、硬度提高，塑 性、韧性下降• ② 线缺陷—晶体中的位 错 • 位错：晶格中一部分晶 体相对于另一部分晶体 发生局部滑移，滑移面 上滑移区与未滑移区的 交界线称作位错。

分为 刃型位错和螺型位错刃型位错 螺型位错刃型位错和螺 型位错刃位错的形成• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某 处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入 晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错 • 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ” 表示 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ” 表示螺位错晶体在大于屈服值的切应力作用下，以某晶面为滑移面发生滑移由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的 分类：有左、右旋之分，它们之间符合左手、右手螺旋定则• 位错密度：单位体积内 所包含的位错线总长度  = S/V(cm/cm3或 1/cm2) • 金属的位错密度为 104~1012/cm2 • 位错对性能的影响：金 属的塑性变形主要由位 错运动引起，因此阻碍 位错运动是强化金属的 主要途径 • 减少或增加位错密度都 可以提高金属的强度电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（高分辨率电镜下的刃位错（ 白点为原子）白点为原子）• ③ 面缺陷—晶界与亚晶界 • 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为 5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。

• 亚晶粒是组成晶粒 的尺寸很小，位向 差也很小(10’ ~2 ) 的小晶块 • 亚晶粒之间的交界 面称亚晶界亚晶 界也可看作位错壁 • 晶界的特点： • ① 原子排列不规则 • ② 熔点低 • ③ 耐蚀性差 • ④ 易产生内吸附，外 来原子易在晶界偏聚 • ⑤ 阻碍位错运动，是 强化部位，因而实际使 用的金属力求获得细晶 粒 • ⑥ 是相变的优先形核 部位 显微组织的显示同素异构转变l物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异 构转变同素异构转变属于相变之一—固态 相变 1、铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化， 其变化为：1394℃912℃ -Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe纯铁的同素异构转变1394 °C912 °Cbccfccbccδ - Fe γ - Fe α - Fe第二节 铁碳合金的相和组织组成物• 合金是指由两种或两 种以上元素组成的具 有金属特性的物质 • 组成合金的元素可以 是全部是金属，也可 是金属与非金属 • 组成合金的元素相互 作用可形成不同的相 Al-Cu两相合金黄铜• 所谓相是指金属或合金 中凡成分相同、结构相 同，并与其它部分有界 面分开的均匀组成部分 。

• 显微组织实质上是指在 显微镜下观察到的金属 中各相或各晶粒的形态 、数量、大小和分布的 组合 • 固态合金中的相分为固 溶体和金属化合物两类 单相合金两相合金一、铁和碳的相互作用• ⑴ 固溶体 • 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 习惯以、、表示与合金晶体结构相同的元素 称溶剂其它元素称溶质 固溶体是合金的重要组成相 ，实际合金多是单相固溶体 合金或以固溶体为基的合金 按溶质原子所处位置分为置 换固溶体和间隙固溶体Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体• ① 置换固溶体 • 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的 固溶体 • 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序 分布的称有序固溶体黄铜置换固溶体组织• ② 间隙固溶体 • 溶质原子嵌入溶剂晶 格间隙所形成的固溶 体 • 形成间隙固溶体的溶 质元素是原子半径较 小的非金元素，如C、 N、B等，而溶剂元素 一般是过渡族元素 • 形成间隙固溶体的一 般规律为r质/r剂 <0.59 • 间隙固溶体都是无序 固溶体• ③ 固溶体的溶解度 • 溶质原子在固溶体中的极限浓 度 • 溶解度有一定限度的固溶体称 有限固溶体。

• 组成元素无限互溶的固溶体称 无限固溶体 • 组成元素原子半径、电化学特 性相近，晶格类型相同的置换 固溶体，才有可能形成无限固 溶体 • 间隙固溶体都是有限固溶体Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物l与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多• ④ 固溶体的性能 • 随溶质含量增加, 固溶 体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降—固溶 强化 • 产生固溶强化的原因是 溶质原子使晶格发生畸 变及对位错的钉扎作用 • • ⑵ ⑵ 金属化合物 • 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同 的固相称金属化合物金属化合物具有较高的熔点 、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成l当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性l金属化合物也是合金的重要组成相铁碳合金中的Fe3C• ① 正常价化合物—符合 正常原子价规律如 Mg2Si • ② 电子化合物—符合电 子浓度规律如Cu3Sn • 电子浓度为价电子 数与原子数的比值 • ③ 间隙化合物—由过渡 族元素与C、N、B、H等 小原子半径的非金属元 素组成。

Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金 一、铁碳合金的组元和相l⒈ 组元：Fe、 Fe3Cl⒉ 相l⑴ 铁素体：l碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示 • 碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示 • 都是体心立方间隙固溶体铁素体的溶碳能力很低, 在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008% • 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似铁素体• ⑵ 奥氏体: • 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体用A或  表示 • 是面心立方晶格的间隙固溶体溶碳能力比铁素体 大，1148℃时最大为2.11%l组织为不规则多面体晶粒，晶界较直强度低、塑性好，钢材热加工都在 区进行.l碳钢室温组织中无奥氏体奥氏体• ⑶ 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示 • Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几 乎为零 lFe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义l由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。

铸铁中的石墨钢中的渗碳体第三节 铁碳合金的相图一、相图的基本概念• 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分。