金属材料及热处理基础知识讲座

3、渗碳体
化学式为Fe3C的金属化合物称为渗碳体。渗碳体的WC＝6.69%， 熔点为1227℃。渗碳体的硬度极高（约800HBW），脆性大， 塑性几乎等于零，是一个硬而脆的相。渗碳体具有复杂的晶体结 构，碳原子构成一个正交晶格(即三个轴间夹角α＝β＝γ＝90°， 三个晶格常数a≠b≠c)，在每个碳原子周围都有六个铁原子构成八 面体，各个八面体的轴彼此倾斜一角度，每个八面体内都有一个 碳原子，每个铁原子为两个八面体所共有。
3）相 金属中具有相同的化学成分、相同晶体结构 和相同物理性能的组分，称之为相，其中包括固溶 体、化合物及纯物质（石墨）。合金中相和相之间 有明显的界面分开。例如：在铁碳合金中F为一个 相，Fe3C为一个相，即铁碳合金的组成是由成分和 结构都不相同的F和Fe3C两个相组成的。
4）组织 是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸 不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体， 以及各种材料的缺陷和损伤。合金可以由一个相组 成，其组织称之为单相组织，也可以由几个相复合 而成，其组织称为多相组织。
2．硫的影响
由于生铁中含有较多的硫，在炼钢时因去除不完全而残留在钢中。
硫在铁中与Fe形成化合物FeS。FeS与Fe又能形成低熔点共晶体(熔 点为985℃)，分布在晶界上。在钢材热压力加工时(1150～1200℃)， 低熔点的FeS－Fe共晶体已经熔化，导致钢材晶间开裂，韧性极低， 这种现象称为钢的热脆性。
炼钢生铁 按用途分类
生铁
按化学成分
铸造生铁 普通生铁
合金生铁
★铸铁是指经过碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。碳在铸铁中 除少量溶解于金属基体外，通常 以游离状态的石墨存在，或以化合 状态的渗碳体存在。其麻口铸铁
铸铁 按化学成分
普通铸铁
合金铸铁 灰铸铁
按石墨形态
因此磷在钢中也是有害杂质元素，故磷的含量也要严格控制，一般 规定其含量≤0.05％。
三、金属的晶体结构
1、晶体的基本概念
自然界中的一切固态物质，可分为晶体和非晶体两大类。凡 是内部原子或分子在三维空间内，按照一定几何规律作周期 性的重复排列的物质称为晶体。凡是内部原子或分子呈无规 则堆积的物质称为非晶体。晶体具有下列特点：（1）具有 规则的外形（2）有固定的熔点（3）具有各向异性 为了描述晶体中原子在三维空间排列的规律性，可以把原子 看成是固定不动的刚性小球，把刚性小球抽象为几何的点， 如果把这些点用直线连接起来，就构成几何空间格架。这种 抽象地用于描述原子在晶体中排列方式的空间格架，就称为 结晶格子，简称晶格。
组成Fe-Fe3C相图的基本相有4个：液相L、铁素体F(高温时以δ表 示)、奥氏体A和Fe3C，它们存在于4个单相区内。
2、Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类
根据铁碳合金的含碳量及室温组织不同，可将铁碳合金相图中所有 合金分成三大类：工业纯铁、钢和白口铸铁。 1）工业纯铁 是碳的质量分数WC小于0.0218%的铁碳合金，室温 显微组织为铁素体。 2）钢 是碳的质量分数WC为0.0218～2.11%的铁碳合金，根据室温 组织的不同，钢又分三种： 亚共析钢——含碳量WC小于0.77%，组织是铁素体和珠光体。 共析钢——含碳量WC为0.77%，组织是珠光体。 过共析钢——含碳量WC大于0.77%，组织是珠光体和二次渗碳体。
3）白口铸铁 是含碳量WC在2.11%～6.69%的铁碳合金，其特点是 液态结晶时，都有共晶转变。液态合金的流动性好，因而铸铁都具
有良好的铸造性能。但因其共晶转变产物是以渗碳体为基的莱氏体
组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口是呈白亮光泽，故又 称白口铸铁。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为三种：
金属材料及热处理基础知识讲 座
目录 一、金属材料的分类 二、碳素钢中常见元素的作用 三、金属的晶体结构 四、金属的基本概念 五、钢铁中的基本金相组织 六、铁碳合金相图 七、常规热处理 八、化学热处理
一、金属材料的分类
1、金属的分类
铁 黑色金属 锰
金
铬
属
重金属（铜、镍等）
材
轻金属（铝、镁、钠等）
料
硫对钢的焊接性能也产生不良影响，它不但导致焊缝产生热裂，而 且硫在焊接过程中，容易生成SO2气体，使焊缝产生气孔和疏松。 因此，总体上S是钢中有害的杂质元素，生产中应在炼钢时尽量去 除掉，其质量分数一般控制在S≤0.05％。
3.磷的影响
磷在钢中易产生偏析，形成Fe3P能使钢的强度、硬度提高，但却使 钢的塑、韧性显著下降，脆性增大。特别是钢的脆性转折温度急剧 升高，引起钢的冷脆性。
为了便于说明原子在空间排列的特点，根据晶体中原子 排列规律性和周期性的特点，通常从晶格中选取一个能够 完全反映晶格特征的最小几何单元，以表示晶格中原子排 列的规律性，这个最小几何单元就称为晶胞。 为了研究晶体结构，通常取晶胞角上某一结点作为原点， 沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z称为晶轴。常以晶胞 棱边的长度a、b、c和棱边之间夹角α、β、γ六个参数作 为晶格参数，表示晶胞的几何形状和大小。其中a、b、c 称为晶格常数，单位为10-10m。而α、β、γ称为晶轴间夹 角，单位为度。
2、奥氏体
碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。奥氏体仍 保持γ-Fe的面心立方晶格。在727℃时溶碳能力WC为0.77%，而在 1148 ℃时可达2.11%。奥氏体的存在温度范围为727～1495℃。奥 氏体的晶粒呈多边形，与铁素体的显微组织形态相近，但晶粒边界 较铁素体平直。奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关。一 般来说，奥氏体的伸长率为40%～50%，硬度为170～220HB，强 度、硬度较低，具有良好的塑性和低的变形抗力，适于进行压力加 工。与γ-Fe一样，奥氏体无铁磁性。
右图为纯铁的冷却曲线。
7）过冷度
纯金属的结晶都是在一定温度下进行的，但在实际生产中，金属结 晶时的冷却速度都是相当快的，此时的液态金属将在理论结晶温度 以下的某一温度才开始结晶，这个温度就是金属的实际结晶温度， 金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象，称为过冷现象。 理论结晶温度与实际结晶温度之差常用△T表示，称之为过冷度， 过冷度△T= T0－T1。实践证明，过冷度不是一个恒定值，它同金 属结晶时的冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度越大，金属的实 际结晶温度越低。
简单立方晶体 （a）晶体结构 （b）晶格 （c）晶胞
2、常见金属晶格类型
1）、体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在体心立方晶胞的八 个顶角和立方体的中心各有一个原子。如下图所示。 具有体心立方晶格的常见金属有α—Fe（铁）、Cr（铬）、 Mo（钼）、W（钨）、V（钒）、Nb（铌）等
体心立方晶胞
按用途分
工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢）
特殊钢（不锈钢、耐磨钢、高温合金等）
专业用钢（指各个工业部门专业用途的钢，如
农机用钢、机床用钢、航空用钢、宇航用钢等）
二、碳素钢中常见元素的作用
1．硅和锰的影响
硅和锰是在炼钢时作为脱氧剂进入钢中的。硅溶入铁素体中起 固溶强化作用，从而提高热轧钢材的强度、硬度和弹性极限。硅的 脱氧作用比锰强，可以消除FeO夹杂对钢的有害作用。 锰大部分能溶于铁素体中，使铁素体得到强化；此外，锰与硫化合 生成MnS，可消除硫的有害作用。 因此，Mn和Si是有益的杂质元素，生产中二者含量一般控制在 Si≤0.5％,Mn≤0.8％。
球墨铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁
★ 钢是指碳的质量分数为0.0218～２.１１％的铁碳合金。
碳素钢
低碳钢（C＜０.２５％） 中碳钢（０.２５％≤C≤０.６０％）
按化学成分
高碳钢（C＞０.６０％） 低合金钢（合金元素＜５％）
合金钢 中合金钢（５％≤合金元素≤１０％）
钢
高合金钢（合金元素＞１０％）
结构钢（工程结构用钢、机器零件用钢）
a）
b）
6）同素异构体：自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变 化，但有些金属如铁、钴、钛、锰、锡等，在固态下随温度或 压力的改变，还会发生晶体结构的变化，即由一种晶格转变为 另一种晶格。这种金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格 的变化，称为同素异构转变。由同素异构转变所得的晶体，称 为同素异构体。 纯铁的同素异构转变可概括如下：
2）、面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在面心立方晶胞的 八个顶角和六个面的中心各有一个原子。如下图所示。 具有面心立方晶格的常见金属有γ—Fe（铁）、Al（铝）、 Cu（铜）、Ni（镍）、Au（金）、Ag（银）和Pb（铅） 等。
面心立方晶胞
3）、密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体, 除了位于正六棱 柱体的十二个顶角和上下两底面中心各有一个原子外，在 柱体中间还有三个原子。如下图所示。 具有密排六方晶格的常见金属有Mg（镁）、Zn（锌）、 Cd（镉）、Be（铍）等。
5）固溶体 合金组元在液态相互溶解，当合金结晶 成为固态晶体时组元间仍能互相溶解而形成均匀的 相，这种均匀的固相则称为固溶体。根据溶质原子 在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为置换 固溶体和间隙固溶体两类。
a 置换固溶体 置换固溶体是指溶质原子代替部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，犹如 溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所置换，故称为 置换固溶体，如图a所示，置换固溶体可分为有限 固溶体和无限固溶体。 b 间隙固溶体 溶质原子占据溶 剂晶格间隙位置 而形成的固溶体 称为间隙固溶体。
贵金属（金、银、铂等）
有色金属 半金属（硅、硼等）
放射性金属（镭、铀等）
稀有金属（钛、钨等）
2、钢铁材料的分类
钢铁是钢和铁的统称。钢和铁都是以铁和碳为主要元素组成的合金。 钢铁材料是工业中应用最广、用量最大的金属材料。 钢铁材料分为生铁、铸铁和钢三大类。
★生铁是指没有经过冶炼的铁碳合金。其分类方式如下：
4、珠光体
由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。其强度较高，硬度适中， 有一定塑性。抗拉强度σb ：770MPa 伸长率δ：20～35% 冲击韧性αk ： 30～40J/cm2 硬度HBS ： 180
5、马氏体
碳溶于α-Fe中所形成的过饱和固溶体 ，其强度、硬度很高， 但塑性、韧性低。
６、莱氏体
高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，低温莱氏 体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，莱氏体硬度很高，塑 性极差。
2）组元 组成合金最基本的、独立的物质叫做组元， 简称为元。一般来说，组元既可以是组成合金的元 素，也可以是稳定的化合物。如黄铜的组元分别是 铜和锌；碳钢的组元分别是铁和碳。根据合金中组 元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金、 多元合金。换句话说，由三个组元组成的合金，则 称为三元合金，依此类推。
六、铁碳合金相图
1、铁碳相图分析 Fe-Fe3C相图是表示在缓慢冷却（加热）
条件下（即平衡状态）不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有 的组织状态的一种图形。它表明了铁碳合金的成分、温度与组织 变化规律之间的关系，是研究钢和铸铁及制定其焊接、热处理、 铸造和锻造等热加工工艺的重要依据。铁碳相图如图所示：
亚共晶白口铸铁——含碳量WC小于4.3%，组织是珠光体、二次渗 碳体与莱氏体。
共晶白口铸铁——含碳量WC 为4.3%，组织是莱氏体。 过共晶白口铸铁——含碳量WC 大于4.3%，组织是莱氏体与一 次渗碳体。
五、钢铁中的基本金相组织
1、铁素体
碳溶入α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。铁素体仍 保持α-Fe的体心立方晶格。由于α-Fe的晶格间隙很小，因而溶碳能 力极差，在727℃时溶碳量最大，WC可达0.0218%，随着温度的下 降溶碳量是逐渐减小的，在600℃时溶碳量WC约为0.0057%，在室 温时溶碳量几乎等于零。因此其力学性能几乎和纯铁相同，其强度、 硬度较低，但具有良好的塑性与韧性。
密排六方晶胞
四、金属的基本概念
1）合金 由两种或两种以上的金属元素或金属元素 与非金属元素熔合、烧结而成的具有金属特性的物 质。例如黄铜是由铜和锌两种金属元素合金组成的 合金；碳钢是由铁和碳组成的合金。合金不仅具有 较高的强度、硬度以及某些优异的物理、化学性能 和工艺性能，而且价格比纯金属低廉，所以它比纯 金属得到更广泛的应用。