金属工艺学__第五版cp1.2

2.11
Ld’
Ld’+Fe3CІ
6.69
Q0
Fe
0.77
4.3
wC/%→
Fe3C
Fe-Fe3C状态图
3．特性线：
1538
A
1227
D
L
温度/℃→
L+ A
1148 L+Fe3CІ
912
A
F+A
E
Ld+Fe3CⅡ+A
C
Ld
Ld+Fe3CІ 727
F
G
Fe3CⅡ+A
P
S
F+P P Fe3CⅡ+P Ld’+Fe3CⅡ+P
1、铁素体（F） Ferrous
铁素体是碳溶解在α -Fe中形成的间隙固溶体。
由于α -Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大 溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是几乎不含碳的 纯铁。 具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却较低。它 在770℃以下具有磁性。 性能： σ
b
=180～230MPa
b
=750MPa HB=160～180
较高
适中
δ =20～25% φ =30～40%
显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因得名。 这是T8钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳体）。
2. 莱氏体Ld
Ledeburite
由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物。
奥氏体在727℃时将转变为珠光体，所以在室
12min35s的录像（金属的晶体结构、结晶过程、 细化晶粒的方法、同素异晶转变等结晶和固态转变的基本 理论）
一、金属的结晶
什么是金属的结晶？ 液态金属冷却凝固转变为 固态晶体的过程 结晶的过程可用（温度—时 间的曲线）冷却曲线来表示。 水结晶成冰的实验，可以看 出晶体结晶存在“过冷”现 象。 过冷度 过冷度的大小与冷却速度的 关系
HB=50～80 φ =70～80%
δ =30～50%
ak=156～196J· -2 cm
显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗 粒形状。
2、奥氏体（A） Austenite
奥氏体是碳溶解在γ -Fe中形成的间隙固溶体。 γ -Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。 由于γ -Fe一般存在于727～1394℃之间，所以奥 氏体也只出现在高温区域内。 性能： δ =40～50%，具有良好的塑性和低的变 形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所 需的组织。
固溶体的性能
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能
与溶剂金属基本相同。
随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生 明显改变。其一般情况下，强度、硬度逐渐 升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，
导电性逐渐下降等。
二、金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金 属特性的物质，称为金属化合物。 金属化合物性能：熔点高，硬度高，脆性大。 合金中含有金属化合物后，其强度、硬度和 耐磨性有所提高，而塑性和韧性则降低。金 属化合物是许多合金的重要组成相。 铁碳合金中的渗碳体属金属化合物。
在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂， 其余的组元（元素）—溶质
根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固 溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。
间隙固溶体和置换固溶体
间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置。
固溶体
置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子。
铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体
简化图
1538
A
1227
D
L
温度/℃→
L+A
1148
L+Fe3CІ
G
912
Fra Baidu bibliotek
A
F+A Fe3CⅡ+A
E
Ld+Fe3CⅡ+A
C
F
Ld
F
Q
P
S
727
Ld+Fe3CІ
K
Ld’+Fe3CІ
6.69
F+P
0
P
0.77
Fe3CⅡ+P
Ld’+Fe3CⅡ+P
2.11
Ld’
4.3
Fe
wC/%→
Fe3C
Fe-Fe3C状态图
温下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称 为低温莱氏体，用符号Ld/表示。高温莱氏体仅 存于727℃以上。
莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。
这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗 碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。
第三节 铁碳合金状态图
【基本要求】：
1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的
含义。
2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利
用状态图对典型合金的结晶过程进行分析。
3. 掌握碳钢的牌号及用途；
什么是铁碳合金相图？
铁碳合金状态图是研究在平衡条件下，铁碳
合金的成分、组织和性能之间的关系及变化
规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它 以温度为纵坐标、合金成分（ Fe3C或含碳量） 为横坐标的图形。它是说明合金成分、温度 和组织三者关系的图形。
相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相 同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。
在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形 貌、图象称为组织，合金又可分为不同的组 织。
铁碳合金的基本组织可分为固溶体、金属化 合物和机械混合物三种类型。
一、固溶体
某些合金的组元在固态时，具有一定的互相溶 解能力。 溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格 类型的金属晶体，称固溶体。
基本概念：合金、组元、相、组织
将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在 一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合 金。 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元， 通常是指组成该合金的元素或某些化合物，根 据合金组元数目的多少，把合金分为二元合金、 三元合金和多元合金。如：铁碳合金就是由铁 和碳二组元组成的二元合金。
5.铁碳合金的分类
工业纯铁：C%<0.0218 共析钢：C%=0.77 亚共析钢： 0.0218<C%<0.77 过共析钢： 0.77<C%<=2.11 共晶白口铁：C%=4.3 亚共晶白口铁： 2.11<C%<4.3 过共晶白口铁： 4.3<C%<6.69
三、钢在结晶过程中的组织转变
共析钢(І)：L→L+A→A→P 亚共析钢(Ⅱ)：L→L+A→A→A+F→P+F
混合物各相保持其原有晶格。 混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及 它们分布的形态、数量及大小。 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。
1. 珠光体（P）
Perlite
珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温
度范围内存在。
性能：σ
渗碳体 Fe3C
渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。
含碳量为6.69%。
性能：HBW=800，硬度很高，脆性极大，是钢中
的强化相。
显微镜下观察，渗碳体(Fe3C)呈银白色光泽。
渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。
三、机械混合物
它是两种或两种以上的相按一定质量百分数组 成的物质。
Fe-Fe3C状态图
4. 区域
四个单相区
(1)ACD线以上的液 相区（L） (2)AESGA线围着的 单一奥氏体相区（A， γ ） (3)GPQG线围着的单 一铁素体相区（F，α ） (4)DFK垂线代表的单 一渗碳体相区（Fe3C）
4. 区域
五个双相区 ACEA线围着的液相与 奥氏体相区（L+A） CDFC线围着的液相与 渗碳体相区（L+Fe3C） GSPG线围着的奥氏体 与铁素体相区（A+F） EFKSE线围着的奥氏 体与渗碳体相区 （A+Fe3C） QPSK以下为铁素体与 渗碳体相区（F+Fe3C）
一、铁碳合金状态图的建立
合金状态图是通过一系列实验测出不同成分 的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和 组织转变，然后在成分与温度坐标图中标出 临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度）， 并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成 的完整图形便是铁碳合金状态图。
二 、铁碳合金状态图的分析
1. 组元和相
Ld’
Q0 L,A(γ),F(α),Fe3C(K) 。
Fe
0.77
4.3
wC/%→
Fe3C
Fe-Fe3C状态图
2．特性点：
1538
A
1227
D
L
温度/℃→
L+A
1148 L+Fe3CІ
912
A
F+A Fe3CⅡ+A
E
Ld+Fe3CⅡ+A
C
Ld
Ld+Fe3CІ 727
F
G P S
K
F
F+P P Fe3CⅡ+P Ld’+Fe3CⅡ+P
（1）组元：
温度/℃→
L+A
1538
A
1227
D
L
1148
L+Fe3CІ
铁－石墨相图：Fe,C;
铁－渗碳体相图：
G
912
A
F+A Fe3CⅡ+A
E
Ld+Fe3CⅡ+A
C
Ld
Ld+Fe3CІ 727
F
Fe，Fe3C。
P
S
Fe3CⅡ+P
K
Ld’+Fe3CІ 6.69
（2）相：
F
F+P P Ld’+Fe3CⅡ+P 2.11
2.11 4.3
K
F
Q0
Fe
Ld’
Ld’+Fe3CІ
0.77
6.69
wC/%→
Fe3C
ACD线—液相线 AECF线—固相线 ECF线—共晶反应线 GS线（A3)—铁素 体从A中析出开始线 ⑤ ES线—碳在奥氏体 中的溶解度曲线 ⑥ PSK线—共析反应线 ⑦ PQ线—C在F中的溶 解度曲线，冷却至 此线有Fe3CⅢ析出 ① ② ③ ④
纯金属的冷却曲线
结晶过程
结晶过程：形核+长大
晶核的形成
自发形核（均质形核） 非自发形核（异质形核）
晶核的长大：树枝状长大
晶粒大小及控制
晶粒——每个晶核长成的晶体称为晶粒。
晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下 工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性，一般是 随晶粒细化而有所提高的。 影响晶粒大小的因素有哪些？
成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使
结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形
核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处
理。
（3）振动
对正在结晶的金属施以机械振动、超声波
振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎
而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细
化。
二、 纯铁的晶体结构
晶体中原子在空间的排列 ，可用晶格来表示。 晶格中一个最基本的几何单元叫晶胞。 根据对晶胞的分析，最常见的晶格类型有体心立 方晶格 、面心立方晶 格、密排六方晶格 。
纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。
体心立方晶体结构
原子数1＋8 ×(1/8)=2 典型金属：-Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb 性能特点：强度很高，塑性较好 致密度：68％（原子占有晶胞体积的百分数）
纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。
面心立方晶体结构
原子数 (1/2) × 6 ＋ (1/8) ×8=4 典型金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag 性能特点：塑性极好 致密度：74％
形核率N (晶核数/s·cm3) 长大速度G (cm/s)
晶粒大小的控制
（1）增大过冷度 ；（2）变质处理；（3）振动
1）过冷度的影响
冷却速度愈大， 过冷度愈大。 实线部分，随着 Δ T的增大，形 核率和长大速度 都大，且N的增加 比G增加的快，晶 粒愈细。
2）变质处理
在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造
显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结 构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显 微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织。
“固溶强化”
通过溶入某种溶质元素形成 固溶体而使金属的强度、硬 度升高的现象称为固溶强化。 固溶强化的产生是由于溶质 原子溶入后，引起溶剂金属 的晶格产生畸变，进而位错 运动时受到阻力增大的缘故。 因此固溶强化是材料的一种 主要的强化途径。
第二章 铁碳合金
什么是铁碳合金？ 以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于 95%。 学习内容 1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变 2.铁碳合金的基本组织 3.铁碳合金状态图 4.工业用钢
第一节 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变
【重点内容】
1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律 及其影响因素。 2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及 细化晶粒的办法。 3.纯铁的晶体结构。 4.纯铁同素异晶转变。
过共析钢(Ⅲ)： L→L+A→A→A+Fe3CⅡ →P+Fe3CⅡ
共晶白口铁：L→Ld→Ld’
亚共晶白口铁： L→L+A→Ld+A+Fe3CⅡ
→Ld’+P+Fe3CⅡ 过共晶白口铁： L→L+Fe3CІ→Ld+Fe3CІ →Ld’ +Fe3CІ
三、 纯铁同素异晶转变
液态铁缓慢冷却到熔 点左右经过第一次结 晶后，到室温的过程 中，晶格类型将发生 改变。这种随着温度 的改变，固态金属晶 格也随之改变的现象， 称为同素异晶转变。 γ-Fe 转变为α-Fe 时， 金属的体积将膨胀还 是收缩？
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
第二节 铁碳合金的基本组织