机械工程材料-第二章-金属的晶体结构与结晶.ppt

1、2.1 晶体结构2.2结晶2.3铁碳合金相图2-1 金属的金属的性能性能主要是由金属主要是由金属内部组织结构内部组织结构决定的。决定的。因此，了解金属内部结构及其对因此，了解金属内部结构及其对金属性能金属性能的影的影响、对响、对选用选用和和加工加工金属材料有重要的意义。金属材料有重要的意义。2-1一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构 1.晶体结构的基本知识晶体结构的基本知识（1）晶体与非晶体）晶体与非晶体晶体晶体的原子是按一定的几何形状作的原子是按一定的几何形状作有规律有规律的重复排列，如的重复排列，如金刚石、金刚石、石墨、冰、固态金属与合金石墨、冰、固态金属与合金等，晶体等，晶体有固定熔

2、点有固定熔点。非晶体非晶体的原子是的原子是无规律无规律杂乱地堆积在一起，如杂乱地堆积在一起，如玻璃、沥青、松香玻璃、沥青、松香等，等，非晶体非晶体没有固定的熔点没有固定的熔点。2-1（2）晶格与晶胞）晶格与晶胞 用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为用于描述原子在晶体中规律排列方式的空间格子称为晶格晶格。晶格中直线的交点称为晶格中直线的交点称为结点结点。晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶胞晶胞。2-1晶向晶向 晶格中由原子所组成的任一直线，代表晶体空间的一个方向。2-1晶面晶格中各方位上的原子组成的平面。2-12.常见的晶格类型常见的

3、晶格类型（1）体心立方晶格）体心立方晶格 体心立方晶格的晶包为一个立方体，立方体的八个顶角各排列体心立方晶格的晶包为一个立方体，立方体的八个顶角各排列着一个原子，立方体中心有一个原子。着一个原子，立方体中心有一个原子。属于这种晶格类型的金属有属于这种晶格类型的金属有Cr、W、Mo、V、-Fe等等。2-1体心立方晶格体心立方晶格晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子个数：2致密度：68%常见金属：、铬、钨、钼、钒等Fea43r 2-1（2）面心立方晶格）面心立方晶格 面心立方晶格的晶包也是一个立方体，立方体的八个顶面心立方晶格的晶包也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子

4、。角和六个面的中心各排列着一个原子。属于这种晶格类型的金属有属于这种晶格类型的金属有Al、Cu、Ni、Pb、Au、Ag、-Fe等等。2-1面心立方晶格面心立方晶格-Fe2-1（3）密排六方晶格）密排六方晶格 密排六方晶格的晶包是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下密排六方晶格的晶包是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下面中心各排列着一个原子，在上、下面之间还有三个原子。面中心各排列着一个原子，在上、下面之间还有三个原子。属于这种晶格类型的金属有属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、-Ti等等。2-1密排六立方晶格密排六立方晶格晶格常数：底边长a，高c原子半径：原子个数：6致密度：74%

5、常见金属：、镁、锌、铍等iTa21r 2-13.3.多晶体结构多晶体结构晶体内部原子排列方向（称晶格位向）完全一致的晶体称为晶体内部原子排列方向（称晶格位向）完全一致的晶体称为单晶体单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶粒与晶粒之间的界面称为晶界晶界。由许多小晶体组成的晶体称为由许多小晶体组成的晶体称为多晶体多晶体。晶格排列方向基本相同的小晶体称为晶格排列方向基本相同的小晶体称为晶粒晶粒。2-14.纯金属的实际晶体结构纯金属的实际晶体结构晶体缺陷晶体缺陷：晶体中原子规律排列受到破坏的区域，称为晶体缺陷。：晶体中原子规律排列受到破坏的区域，称为晶体缺陷。（1）点缺陷）点缺陷 呈点状分布的缺陷，常见的

6、有呈点状分布的缺陷，常见的有晶格空位、间隙原子、置换原子晶格空位、间隙原子、置换原子。2-1点缺陷造成晶格畸变晶格畸变，使金属强度、硬度、电阻率强度、硬度、电阻率增加，塑性、韧性塑性、韧性下降。2-1（2）线缺陷）线缺陷 呈线状分布的缺陷，主要是各种位错。呈线状分布的缺陷，主要是各种位错。晶面上下两部分晶体间产生原子错排现象，称为晶面上下两部分晶体间产生原子错排现象，称为位错。位错。位错密度增加，能位错密度增加，能提高金属强度提高金属强度。2-1（3）面缺陷）面缺陷 呈面状分布的缺陷，主要是呈面状分布的缺陷，主要是晶界晶界和和亚晶界亚晶界。晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的晶体缺陷产生晶格畸变，使

7、金属的强度、硬度强度、硬度提高，提高，韧性韧性下降。下降。2-1二、合金的晶体结构二、合金的晶体结构1.合金的基本概念合金的基本概念合金：合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。具有金属特性的物质。例如，钢和生铁是例如，钢和生铁是Fe与与C的合金，黄铜是的合金，黄铜是Cu和和Zn的合金。的合金。组元：组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡

8、。铁碳合金中的Fe3C，镁硅，镁硅合金中的合金中的Mg2Si。合金系：合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不同性能的合金，这一系列的合金构成一个同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统合金系统”，简称合金系。，简称合金系。相相:合金中结构相同、成分、性能均匀的组成部分（和其他部分以界面分开）。合金中结构相同、成分、性能均匀的组成部分（和其他部分以界面分开）。2-12.合金的基本相合金的基本相合金中的相按结构可分为：合金中的相按结构可分为：固溶体、金属化合物固溶体、金属化合物。（1）固溶体）固溶体 固溶体是指

9、合金中两组元在固溶体是指合金中两组元在固态下相互溶解固态下相互溶解而形成的而形成的均匀固相均匀固相。溶剂溶剂是组成固溶体的两个组元中，能够是组成固溶体的两个组元中，能够保持保持其其原有晶格类型原有晶格类型的组元；的组元；溶质溶质是是失去原有晶格类型失去原有晶格类型的组元。的组元。特征：特征：固溶体的晶格仍然保持溶剂的晶格类型。固溶体的晶格仍然保持溶剂的晶格类型。2-11）置换固溶体）置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格中的一些溶剂原子而形成的固溶体。溶质原子置换了溶剂晶格中的一些溶剂原子而形成的固溶体。置换固溶体置换固溶体2-12）间隙固溶体）间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体。

10、溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体。由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素，必然造成溶剂晶格的畸变。由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素，必然造成溶剂晶格的畸变。组成：组成：原子半径较小（小于原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素溶入金属晶体的间的非金属元素溶入金属晶体的间隙。隙。影响因素：影响因素：原子半径和溶剂结构。原子半径和溶剂结构。溶解度：溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体（间隙有限）。一般都很小，只能形成有限固溶体（间隙有限）。2-1（2）金属化合物）金属化合物 合金组元间发生合金组元间发生相互作用相互作用而形成一种具有金属特性的物质。而形成一种具有金属特性的物质。1.正常价化合物

11、：正常价化合物：如如Mg2Si,Mg2Sn,Mg2Pb,Cu2Se等。等。2.电子化合物：电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。如如Cu3Al,CuZn3,Cu5Zn8等。等。3.间隙化合物：间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。小的非金属元素形成的金属化合物。2-2 物质从液态到固态的转变过程称为物质从液态到固态的转变过程称为凝固凝固。材料的凝固分为两种类型：材料的凝固分为两种类型：1.1.晶体晶体，我们称之为结晶；，我们称之为结晶；

12、2.2.非晶体非晶体，非晶态材料在凝固过程中是逐渐变硬的。，非晶态材料在凝固过程中是逐渐变硬的。结晶是由一种相结晶是由一种相(液相液相)转变为另一种相转变为另一种相(固相固相)的的过程，即是过程，即是相变过程相变过程。2-2To时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)一、冷却曲线和过冷度一、冷却曲线和过冷度 结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为结晶只有在理论结晶温度以下才能发生，这种现象称为过冷。过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度过冷度(T)T)，即即T=TT=

13、T0 0TT1 1。纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线孕育期孕育期冷速越大，过冷度越大冷速越大，过冷度越大2-2液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶结晶过程结晶过程:晶核形成晶核形成和和晶核长大晶核长大两个基本过程。两个基本过程。2-2 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2-2晶核的形成方式晶核的形成方式 自发晶核自发晶核:晶

14、核完全是由液体中瞬时短程有序的原子团形成。晶核完全是由液体中瞬时短程有序的原子团形成。非自发晶核非自发晶核:晶核依靠液体中存在的固体杂质或容器壁形成。晶核依靠液体中存在的固体杂质或容器壁形成。自发晶核和非自发晶核同时存在，但自发晶核和非自发晶核同时存在，但非自发晶核起优先、主导非自发晶核起优先、主导作用作用 2-2晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状（1 1）均匀长大均匀长大：当过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行。：当过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行。（2 2）树枝形式长大树枝形式长大：实际冷却速度较大，因而主要以树枝形式长大，由于：实际冷却速度较大，因而主要以树枝形式长大，由于晶核

15、棱角处的散热条件好、生长快，先形成枝干，而枝干间最后被填充。晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成枝干，而枝干间最后被填充。均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大2-2 晶粒度晶粒度 实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。很大。晶粒细小金属晶粒细小金属强度、塑性、韧性强度、塑性、韧性好，且好，且晶粒愈细小，性能晶粒愈细小，性能愈好愈好。l标准晶粒度共分标准晶粒度共分八级八级，一级最粗，八级最细。一级最粗，八级最细。通过通过100倍显微镜下倍显微镜下的晶粒大小与标准图的晶粒大小与标准图对照来评级。对照来评级。2-2影响晶粒度的因素

16、影响晶粒度的因素 （1 1）结晶过程中的形核速度）结晶过程中的形核速度N N（形核率）（形核率）（2 2）长大速度）长大速度G G（长大率）（长大率）细化晶粒细化晶粒的方法的方法 1.1.促进形核率促进形核率N N 2.2.抑制长大抑制长大率率G G 2-2（1 1）提高冷却速度（增大过冷度）提高冷却速度（增大过冷度）：不同过冷度不同过冷度T T对形核率对形核率N N和成长率和成长率G G的影响不同。的影响不同。过冷度等于零时，结晶没有发生。过冷度等于零时，结晶没有发生。（2 2）变质处理变质处理:在液态金属浇注前加入可成为非自发晶核的固态在液态金属浇注前加入可成为非自发晶核的固态变质剂变质剂

17、，增加晶核，增加晶核数，数，提高形核率提高形核率，达到细化晶粒的目的。，达到细化晶粒的目的。通常在钢中加入通常在钢中加入铝、钒铝、钒，向铸铁液中加入，向铸铁液中加入硅铁合金硅铁合金。（3 3）机械振动、超声振动、电磁搅拌：机械振动、超声振动、电磁搅拌：使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数增加晶核数，达到细化晶粒的，达到细化晶粒的目的。目的。工业上控制晶粒大小的方法工业上控制晶粒大小的方法2-2缓冷缓冷快冷快冷未变质未变质变质变质2-2金金属属铸铸锭锭2-2金属铸锭金属铸锭可看作形状简单的大型铸件，可看作形状简单的大型铸件，是金属型材的是金属型材的基础坯材基

18、础坯材。在实际生产中，液态金属被浇注到在实际生产中，液态金属被浇注到锭模锭模中便得到中便得到铸锭铸锭，而注入到，而注入到铸型模铸型模具具中成中成型则得到型则得到铸件铸件。铸锭的组织及其存在的铸锭的组织及其存在的缺陷缺陷对其加工和对其加工和使用性能有着直接的影响。使用性能有着直接的影响。2-21 1、表层细晶区表层细晶区 接触金属模壁的液态金属层被激冷，接触金属模壁的液态金属层被激冷，大的过冷度大的过冷度使形核率使形核率很大，同时很大，同时金属模壁金属模壁还能促进还能促进非自发晶核非自发晶核的产生。的产生。特点特点:组织致密、均匀，力学性能组织致密、均匀，力学性能好，很薄，对性能影响不大好，很薄

19、，对性能影响不大 但若采取强制水冷等措施，但若采取强制水冷等措施，扩大增厚表层细晶粒区，对改善提高扩大增厚表层细晶粒区，对改善提高金属性能有积极意义。金属性能有积极意义。2-22 2、柱状晶粒区柱状晶粒区 模壁温度逐渐升高，使金属液的模壁温度逐渐升高，使金属液的冷却速度冷却速度逐渐逐渐降低降低，过冷度，过冷度减小，减小，形核率降低形核率降低，由于，由于垂直模壁方向散热较快垂直模壁方向散热较快，晶粒，晶粒沿此方向长大沿此方向长大较快较快，形成形成垂直于模壁垂直于模壁向内部金属液生长的柱状晶粒区。向内部金属液生长的柱状晶粒区。特点：特点：1 1、柱状晶粒的、柱状晶粒的力学性能有方向性力学性能有方向

20、性。2 2、承受承受单向载荷单向载荷的机械零件的机械零件，如，如汽轮机叶汽轮机叶片片，采用，采用定向结晶定向结晶以获得方向性强的柱状晶粒区，以获得方向性强的柱状晶粒区，提高使用性能提高使用性能2-23 3、中心等轴晶粒区中心等轴晶粒区 剩余金属液的散热冷却已剩余金属液的散热冷却已无明显的方向性无明显的方向性，趋于，趋于均匀冷却均匀冷却，同时液态金属中的同时液态金属中的杂质杂质也集聚到这最后结晶的中心部分，在不大也集聚到这最后结晶的中心部分，在不大的过冷度下最后形成的过冷度下最后形成晶粒粗大晶粒粗大的等轴晶粒区。的等轴晶粒区。特点：特点：力学性能无方向性力学性能无方向性，组织疏组织疏松松，易生成

21、，易生成杂质、气孔杂质、气孔、微缩孔微缩孔等缺等缺陷，影响力学性能。陷，影响力学性能。2-2 铸锭的缺陷：铸锭的缺陷：缩孔、疏松、气孔、偏析。缩孔、疏松、气孔、偏析。缩孔缩孔缩松缩松铸件中的气孔铸件中的气孔硫在钢锭中偏析的模拟结果硫在钢锭中偏析的模拟结果2-2二、合金的结晶二、合金的结晶 合金结晶同合金结晶同纯金属纯金属一样也遵循一样也遵循形核、长大形核、长大的规律。的规律。但合金的成分中包含有但合金的成分中包含有两个以上的两个以上的组元组元，并且同一，并且同一合金系中各合金的比例成分不同，所以合金在结晶过程中合金系中各合金的比例成分不同，所以合金在结晶过程中其组织的形成及变化规律要比纯金属复

22、杂得多。其组织的形成及变化规律要比纯金属复杂得多。为了研究合金的性能与其成分、组织的关系，就必为了研究合金的性能与其成分、组织的关系，就必须借助于须借助于合金相图合金相图这一重要工具。这一重要工具。2-3 合金相图合金相图 又称状态图（平衡图），是表示在又称状态图（平衡图），是表示在平衡（极其缓慢加热或冷却）条平衡（极其缓慢加热或冷却）条件件下，合金系中各种合金下，合金系中各种合金状态状态与与温度温度、成分成分之间关系的图形。之间关系的图形。作用作用：1.1.通过相图可了解合金系中不同成分的合金，在不同温度下的组织通过相图可了解合金系中不同成分的合金，在不同温度下的组织状态，在什么温度发生结晶

23、和相变，存在几个相，每个相的成分是多少等。状态，在什么温度发生结晶和相变，存在几个相，每个相的成分是多少等。2.2.在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接、热处理在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。工艺的重要依据。2-3根据组元数根据组元数,一般分为二元相图、三元相图。一般分为二元相图、三元相图。Fe-CFe-C二元相二元相图图三元相图三元相图2-3 同素异构转变同素异构转变 有些物质在有些物质在固态下固态下其其晶格类型晶格类型会随温度变化而发生变化，会随温度变化而发生变化，这种现象称为同素异构转变。这种现象称为同素异构转变。锡锡，四方结构的，四方

24、结构的白锡白锡在在1313下转变为金刚石立方结构下转变为金刚石立方结构的的灰锡灰锡。同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即一个固态下的相变过程，即固态相变固态相变。除除锡锡之外，之外，铁、锰、钴、钛铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转等也都存在着同素异构转变。变。2-3 固态转变的特点固态转变的特点 固态转变又称固态转变又称二次结晶二次结晶或或重结晶重结晶，它有着与结晶不同的特点：，它有着与结晶不同的特点：形核在某些形核在某些特定部位特定部位发生，如晶界、晶内缺陷、特定晶面等。发生，如晶界、晶内缺陷、特定晶面等。因为

25、这些部位与新相结构相近，或者原子扩散容易。因为这些部位与新相结构相近，或者原子扩散容易。因固态下扩散困难，所以因固态下扩散困难，所以过冷倾向大过冷倾向大。固态相变组织通常要比结晶固态相变组织通常要比结晶组织细组织细。固态转变伴随固态转变伴随体积变化体积变化，易产生，易产生内应力内应力，使材料发生变形、开，使材料发生变形、开裂。裂。2-31.1.纯铁的的同素异构转变纯铁的的同素异构转变-FeFe-Fe-Fe、-Fe-Fe、-Fe-Fe都是铁的同素异构体。都是铁的同素异构体。eF1394 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 -Fe 体积收缩体积收缩 -Fe 体积膨胀体积膨

26、胀 -Fe2-3 由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过不同的热处理工艺热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。2-3 铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢+铸铁铸铁，是工业应用最广的合金。，是工业应用最广的合金。含碳量为含碳量为0.0218%2.11%0.0218%2.11%的称钢的称钢 含碳量为含碳量为 2.11%6.69%2.11%6.69%的称铸铁。的称铸铁。Fe Fe、C C为组元，称为为组元，称为黑色金属黑色金属。Fe-CFe-C合金除合金除FeFe和和C C外，还含有少量外，还含有少量Mn Mn、Si Si、P P、S S、N N、O O等元素，这些元素称为杂质。等元素，这些元素

27、称为杂质。2-3 铁铁和和碳碳可形成一系列稳定化合物：可形成一系列稳定化合物：Fe Fe3 3C C、Fe Fe2 2C C、FeC FeC。含碳量大于含碳量大于FeFe3 3C C成分（成分（6.69%6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。FeFeFeFe3 3C CFeFe2 2C C FeC FeCC CC%(at%)C%(at%)2-32.2.铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相（1 1）铁素体（）铁素体（F F）铁中溶入碳元素构成的固溶铁中溶入碳元素构成的固溶体

28、，保持体，保持铁的体心立方晶格。（铁的体心立方晶格。（晶界晶界曲折曲折）铁素体铁素体2-3 定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体 晶格结构：体心立方晶格bcc 最大溶解度：0.0218%（727）性能：Rm(b)=180270MPa ReL(s)=100170MPa HBW=5080 A()=30%50%Z()=70%80%K(ak)=128160J/cm 2 铁素体室温时的性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性、韧性好。铁素体（铁素体（F F或或）2-3（2 2）奥氏体（）奥氏体（A A）铁中溶入碳元素构成的固溶铁中溶入碳元素构成的固溶体，保持体，保持铁的面心立方晶格。（铁的面心立方晶格。（晶

29、界晶界平直平直）奥氏体奥氏体2-3定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）晶格结构：面心立方晶格fcc 最大溶解度：2.11%（1148）性能：Rm(b)400MPa HBW=170220 A()=40%50%塑性、韧性好，强度、硬度低 生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造 奥氏体（奥氏体（A A或或）2-3（3 3）渗碳体）渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)铁和碳形成的一种具有复杂铁和碳形成的一种具有复杂结构的金属（间隙）化合物。结构的金属（间隙）化合物。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体2-3定义：Fe 与 C 所形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：1000HV

30、，塑性、韧性几乎为零，硬而脆（耐磨性好），强度低 Fe3C 3Fe+C（石墨）合金渗碳体：（Fe、Me）3C 、Fe3（C、N）、Fe3（C、B）渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）高温FeFe3 3C C为为片状、粒状、网状片状、粒状、网状存在存在2-3（4 4）珠光体）珠光体(P)(P)铁素体铁素体和和渗碳体渗碳体组成的机械组成的机械混合物混合物。（。（层片状层片状）白色白色F F基体中嵌入黑片状基体中嵌入黑片状FeFe3 3C C（低倍镜下）（低倍镜下）2-3u定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：Rm(b)750MPa HBW=180 A()20%2

31、5%K(ak)=3040J/cm 2 综合性能好 珠光体（珠光体（P P）2-3（5 5）莱氏体）莱氏体(Ld)(Ld)奥氏体奥氏体和和渗碳体渗碳体组成的机械组成的机械混合物混合物。定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆（不能直接加工）2-3莱氏体莱氏体(Ld)(Ld)（一般在铸铁中）（一般在铸铁中）（1 1）高温莱氏体高温莱氏体（LdLd）：11481148时，含时，含C C量为量为4.3%4.3%的合金同时结晶出的合金同时结晶出A A与与FeFe3 3C C。L L4.3%C4.3%CLdLd（A+FeA+Fe3 3C)C)共晶反应共晶反应（2 2）低

32、温莱氏体低温莱氏体 （LdLd）：A A0.77%C0.77%C产生共析分解成为产生共析分解成为P P体体 A A0.77%C0.77%C P P（F+FeF+Fe3 3C C）共析反应共析反应室温莱氏体室温莱氏体 组织：（F+FeFe3 3C+FeC+Fe3 3C CI I+Fe+Fe3 3C CIIII）2-32-3FeTFe3C2-3ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+Fe3C4.32.116.69 Fe Fe3C TA+Fe3CFA+FF+Fe3C0.77K0.02182-3ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe

33、3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK(P+Fe3C)P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C(F+Fe3C)A+Fe3CL+Fe3C(A+Fe3C)2-3亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁工业纯铁2-31-21-2点间转变为点间转变为，3-43-4点间点间 ，5-65-6点间点间 ，到到7 7点，从点，从 中析出中析出FeFe3 3C C。工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程2-3工业纯铁工业纯铁 随温度下降，随温度下降，FeFe3 3C C量不断增加，量不断增加

34、，合金的室温下组合金的室温下组织为织为F+FeF+Fe3 3C C。l从铁素体中析从铁素体中析出的渗碳体称出的渗碳体称三次渗碳体三次渗碳体，用用FeFe3 3C C表示。表示。l FeFe3 3C C以不连以不连续网状或片状续网状或片状分布于晶界。分布于晶界。2-3室温平衡组织室温平衡组织:100%P:100%P（F F和和FeFe3 3C C）合金液体在合金液体在1-21-2点间转变为点间转变为，到到S S点发生共析转变：点发生共析转变：S S P P+Fe+Fe3 3C,C,全部转变为珠光体。全部转变为珠光体。共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程wwc c=0.77%=0.77%2-3共析钢共

35、析钢室温组织室温组织:层片状层片状 P P (F+(F+共析共析 Fe3C)Fe3C)珠光体珠光体强度较高，塑性、韧性、硬度介于Fe3C 和 F 之间。指纹状指纹状2-3 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程0.0218%wc 0.77%0.0218%wc 0.77%2-3室温组织室温组织:F+PF+P亚共析钢亚共析钢2-3含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织亚共析钢亚共析钢2-3 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 在在1212点转变为点转变为A A ,到到3 3点点,开始析出开始析出FeFe3 3C C。从奥氏体中析出的从奥氏体

36、中析出的FeFe3 3C C称称二次渗碳体二次渗碳体,用用FeFe3 3C C表示表示,其其沿晶界呈网状分布沿晶界呈网状分布.含含1.4%C钢的组织钢的组织2-3室温组织室温组织:P+FeP+Fe3C CII 过共析钢过共析钢2-3 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 合金冷却到合金冷却到C C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体LdLd 莱氏体是共晶莱氏体是共晶A A与共晶与共晶FeFe3 3C C的机械混合物的机械混合物,呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3CA共晶白口铁共晶白口铁2-3 共晶白口铸铁结晶过程为共晶反应共晶反应+二次析出反应二次析出反应+共析反应共析反应，

37、室温组织为珠光体珠光体+渗碳体渗碳体，是低温莱氏体低温莱氏体，用符号“LdLd”表示。室温组织室温组织:（低温）（低温）莱氏体莱氏体 Ld Ld （P P +FeFe3C CII+共晶共晶 FeFe3C C）硬而脆硬而脆2-3 亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁亚共晶白口铁2-3亚共晶白口铁亚共晶白口铁室温组织室温组织:Ld+P+FeLd+P+Fe3C CII 2-3 1212点间点间从液相中析出从液相中析出FeFe3 3C,C,这种渗碳体称这种渗碳体称一次渗碳体一次渗碳体，用，用 FeFe3 3C C表示，呈表示，呈粗条片状粗条片状。到。到2 2点，余下的液相成分变到点

38、，余下的液相成分变到C C点并转变为点并转变为LdLd。过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁过共晶白口铁2-3室温组织室温组织:Ld+FeLd+Fe3C CI 过共晶白口铁过共晶白口铁2-3FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLdP+Fe3C+LdP+Fe3CP+FPF+Fe3CC%温度温度2-3 3 3、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响（1 1）含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 钢钢铁素体铁素

39、体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体2-3（2 2）含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响 亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，P P 量增加，量增加，钢的钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降强度、硬度升高

40、，塑性、韧性下降。l0.77%C0.77%C时，组织为时，组织为100%P,100%P,钢的性钢的性能即为珠光体能即为珠光体P P的性能。的性能。l0.9%C0.9%C，FeFe3 3C C为晶界连续网状，为晶界连续网状，强度下降强度下降,但硬度仍上升。但硬度仍上升。l2.11%C2.11%C，组织中有以，组织中有以FeFe3 3C C为基的为基的Ld,Ld,合金太脆合金太脆.2-3（3 3）含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响 切削性能切削性能:中碳钢合适中碳钢合适 可锻性能可锻性能:低碳钢好低碳钢好 焊接性能焊接性能:低碳钢好低碳钢好 铸造性能铸造性能:共晶合金好共晶合金好 热处理

41、性能热处理性能:第四章介绍第四章介绍铸铸造造焊缝组织焊缝组织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨2-32-32-32-32-32-32-32-32-32-3（）选择材料方面的应用（）选择材料方面的应用 1 1、要求塑性、韧性好，如：建筑结构、容器，应选用、要求塑性、韧性好，如：建筑结构、容器，应选用低碳低碳钢钢（0.100.25%C0.100.25%C）；）；2 2、要求强度、塑性、韧性好，如：轴，应选用、要求强度、塑性、韧性好，如：轴，应选用中碳钢中碳钢（0.250.60%C0.250.60%C）；）；3 3、要求硬度高、耐磨性好，如：工具，应选用、要求硬度高、耐

42、磨性好，如：工具，应选用高碳钢高碳钢（0.61.3%C0.61.3%C）。）。4 4、白口铁白口铁具有很高的具有很高的硬度硬度和和脆性脆性，应用很少，但因其具有，应用很少，但因其具有很高的很高的抗磨损能力抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨的零件，可应用于少数需要耐磨的零件，如：拔丝模、轧辊、球磨机的铁球。如：拔丝模、轧辊、球磨机的铁球。应用领域：应用领域：2-32-32-32-32-3 合理的确定浇注温度对产品的质量起着重要的作用。浇注温度过高，会使液态金属的吸气量和总收缩量增大，易在铸件中形成气孔，缩孔 等缺陷；浇注温度过低，会使液态金属流动性变差，在浇注中容易产生冷隔和浇不足等缺陷。根据Fe

43、-Fe3C相图可以合理地确定浇注温度 一般定为液相线以上液相线以上5050100100。（2）在铸造工艺方面的应用2-3 液相线和固相线之间距离愈大，其流动性愈差，成分偏析愈大，分散缩孔也愈多；液相线和固相线之间距离愈小，其流动性愈好，成分偏析愈小，分散缩孔也愈少。纯铁与共晶成分的合金其液相线和固相线距离最小(为零)，故其流动性好，偏析小，分散缩孔少，形成的集中缩孔可移至冒口，从而得到致密的铸件。因此在铸造生产中接近于共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。（2）在铸造工艺方面的应用FeTFe3C铸钢件适合于制造一些形状复杂，难以锻造或切削加工，而又要求较高强度和塑性的零件。2-3（3）在锻造方面的应

44、用 铸钢件存在不可避免的组织缺陷(缩孔、疏松、气孔)直接用金属切削加工制造存在金属纤维被切断，导致机械性能不高 因此一些重要的零件都要求用锻件。吊钩中的纤维组织2-3终锻温度不能过低，过低会使金属的塑性显著降低，这样锻造时易形成锻造裂纹。终锻温度应在GSE线附近，一般为800左右。奥氏体的塑性较好，随温度升高奥氏体的变形抗力也不断减小，因此必须把钢加热到Fe-Fe3C相图奥氏体单相区中的适当的温度范围。钢材锻造时，需要把钢加热到一定的温度范围内进行，即钢的始锻温度和终锻温度始锻温度不得过高，过高会使金属产生过烧或熔化的现象（温度过高，氧渗入金属内部，使晶界氧化，形成脆性晶界，锻造时一打就破碎而报废）。始锻温度常定为固相线以下200左右。2-3(4 4)在热处理方面的应用在热处理方面的应用 热处理工艺更是离不开Fe-Fe3C相图，如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图来确定的，具体应用将在第四章中介绍。