《机械工程材料(第4版)》第二章教案

第二章碳钢

碳钢是以铁元素为基再加入少量碳元素所组成的合金。碳钢不仅价格便宜，而且性能优良，所以碳钢是机械工业中使用最为广泛的一种金属材料。

碳钢的成分不同，内部组织不同，内部组织不同，力学性能不同。所以，碳钢的成分、组织与力学性能之间有着紧密的联系。为能弄清这些联系，首先需要了解纯铁的组织和性能。

第一节纯铁的组织和性能

一、纯铁的结晶过程

金属通常是在液态下进行冶炼的，由液态金属凝结为固态金属的过程，就是金属的结晶过程。由于物质结晶时会放出热量（结晶潜热），所以，利用这种放热现象，便可间接判断金属的结晶情况。

1、过冷现象和过冷度

把液态纯铁倒进坩锅里进行冷却，用热电偶来记录坩锅温度与时间的变化，能得到一条纯铁结晶的冷却曲线。看图，温度坐标上标注的To温度，是纯铁的平衡结晶温度，或称理论结晶温度。由于理论结晶温度是液态纯铁与固态纯铁共存的平衡温度，所以，当液态纯铁被冷到这个温度时不会发生结晶，不会放出结晶潜热，坩锅的温度会继续下降。由于液态纯铁被冷到Tn温度时就会发生结晶，所以，这个Tn温度就是纯铁的实际开始结晶温度。由于结晶一旦开始，便会放出结晶潜热，能够完全补尝液态纯铁在冷却时所散失的热量，所以坩锅的温度不仅不会继续下降，还会稍有回升。当结晶时的放热和冷却时的散热达到平衡时，纯铁的结晶便会在恒温下进行。当结晶结束不再放出热量时，坩锅的温度又继续降低。

可见，纯铁结晶时，实际开始结晶温度是低于理论结晶温度的，这种现象，称为过冷现象。任何金属结晶时都会存在过冷现象，因为这是物质结晶的必要条件。而Tn与To之间的温度差△T＝To－Tn,称为过冷度。金属结晶时的过冷度大小，不仅取决于金属的性质和纯度，还取决于液态金属的冷却速度。U↑，原子的扩散越来不及进行，Tn↓，△T↑。

实际结晶过程必须要在理论结晶温度以下才能进行的现象。用热力学的观点则能得到很好地解释。

热力学定律指出：一个状态的稳定性是由该状态的自由能高低所决定的。自由能越高，状态就越不稳定。所谓自由能：是指物质能够对外作功能能量。

由于自由能越高，状态越不稳定，所以，物质系统总是自发地由自由能较高的状态向自由能较低的状态进行转变，以使系统能够趋于稳定。物质的结晶也是一样，只有伴随着自由能的降低，结晶过程才能自发的进行，这就是物质结晶的热力学条件。看图-----。在理论结晶温度以下，固体比液体具有更低的自由能，固体具有更高的稳定性，所以，当温度低于理论结晶温度时，液体就会自发地结晶成固体。可见，液固两相的自由能差△F＝FL－Fs就是物质结晶的驱动力，没有自由能差，物质就不能结晶。可见，物质结晶时必须要有过冷

度，原因就在于要满足热力学条件。如果没有过冷，没有结晶驱动力，物质就不能结晶。所以说过冷是物质结晶的必要条件。

2、结晶过程——形核与长大

大家看图，----，这里，把这种能作为结晶核心的微小晶体称为晶核，纯铁的结晶过程就是不断形成晶核与晶核不断长大的过程。随着晶核的不断形成和长大，纯铁就会逐渐完成结晶。

无论是什么金属，结晶过程都是一个不断形核与晶核不断长大的过程。这里，由一个晶核长成的晶体叫做晶粒，把由许多晶粒组成的晶体叫做多晶体。在多晶体里，相邻晶粒之间的界面被称为晶界。如果一块晶体里只有一个晶粒的，这种晶体就叫做单晶体。工程中使用的金属材料通常都是多晶体，多晶体的结晶具有哪些特点呢？总结：

① 冷速越快、过冷度越大，液固两相的自由能差越大，结晶驱动力越大， 形核数量越多，晶粒越小。

② 液态金属中存在着一些与固态金属相近的其它高熔点杂质时，由于液态 金属中的原子依附在它们的表面上来形核更加容易。所以，液态金属中的固态杂质越多，形核数量越多，晶粒越小。

③ 金属的晶粒越小，金属的强度越高，韧性越好。原因后面再讲。

由于细化晶粒能够提高金属的强韧性，所以，生产上总是希望金属能够获得细小的晶粒。为能获得小晶粒，生产上常采用的措施主要有以下两种：

① 浇铸时将砂型铸模改为金属铸模，以提高液态金属的冷却速度，增大金 属结晶时的过冷度，增加形核数量。

② 在液态金属中加入适量固态杂质作为人工晶核，提高晶核数量。

二、纯铁的晶体结构

1.晶体结构

一个晶粒是由一个晶核长成的晶体。

所谓晶体：是指原子在空间呈规则排列的物体。

所谓晶体结构：是指晶体中的原子在空间的具体排列方式。原子在空间的具体排列方式不同，晶体结构就不同。为能分析晶体中原子排列的规律性，可采用以下分析方法（看动画）。由于晶胞、晶面和晶向能够反映原子的排列规律，所以可用它们来分析晶体结构。

虽然晶体结构有很多类型，但金属中常见的晶体结构也只有三种，这三种晶体结构分别是体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。下面来看一下这三种晶体结构的晶胞特征。

① 体心立方晶胞特征

体心立方晶胞的特征是：有6个面，8个顶角原子，1个体心原子。边长a=b=c ，棱间夹角90αβγ===︒。

② 面心体方晶胞的特征是：有6个面，8个顶角原子，6个面中心原子，