金属工艺学 第五版cp1.2

简化图
1538
A
1227
D
L
温度/℃→
L+A
1148
L+Fe3CІ
G
912
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
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 。
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。
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。
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
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。
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
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。
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
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。
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
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。
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
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％
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
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
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
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
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
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
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F
G
Fe3CⅡ+A
P
S
F+P P Fe3CⅡ+P Ld’+Fe3CⅡ+P
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）
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。
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
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
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？
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
（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