课题二 金属的晶体结构、铁碳合金组织和相图

金属材料的基本知识钢铁材料 铸铁(含碳量大于2.11%的铁碳合金) 根据含碳量的不同分为 钢(含碳量小于2.11%的铁碳合金) 炼铁 钢铁材料的生产方式 炼钢 钢材生产 型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等钢材种类

板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片 管材：无缝钢管和焊接钢管(又称有缝钢管) 线材：直径为6~9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢

金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性

能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异 的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。

一 金属的晶体结构与结晶 1.1 晶体及其特点固态物质分类

根据内部原子堆积的情况

晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等 非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等

晶体和非晶体的根本区别

晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。 非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。

晶体的特点

晶体具有规则的外形。晶体具有固定的熔点。

晶体具有各向异性。

纯铁晶粒 的内部结 构示意图

1.2 金属的三种常见晶体结构体心立方晶格

面心立方晶格密排六方晶格

体心立方晶格

面心立方晶格

密排六方晶格

BCC 结构

FCC 结构

CPH 结构

1.3 金属实际的晶体结构单晶体在理想情况下，晶体内 部的晶格位向是完全一致的， 即晶体的原子是按一定几何 规律做周期性排列而成，这 种晶体称为单晶体 。

多晶体

单晶体

多晶体

外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒，每个晶粒相当于一 个单晶体，其原子排列位向是一致的，而各个晶粒的晶格位向各不 相同。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，晶界上的原子处于过渡的 不规则状态，这些由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。

晶核形成

晶核长大

纯铁结晶过程示意图

晶体缺陷 点缺陷点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。

常见的点缺陷

晶格空位 置换原子 间隙原子

线缺陷线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格 所形成的线形缺陷区，即发生了“位错”。刃型位错(a)

常见的线缺陷

螺形位错 (b)

面缺陷 面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸 很小而呈面状的缺陷，主要指晶界和亚晶界。

1.4 合金的晶体结构基本概念合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或 其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成

。 组元 简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元 素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分 为二元合金、三元合金或多元合金等。 合金系是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不 同成分的合金。

相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组 成部分。组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征 的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它 是决定材料最终性能的关键。

固态合金的相结构合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各 组分之间相互作用不同，可能出现两种基本相：固溶体和金属化合物。

固溶体 金属化合物 指由合金中各组元 的原子按一定比例相互 作用而生成的一种新的 具有金属特性的物质。 机械混合物 置换固溶体 间隙固溶体

1.5 金属的结晶结晶的定义物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固 态物质是原子(或分子)作有规则排列的晶体，则这种凝固又称 为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的排列(液态) 过渡到按照一定的几何形状作有秩序排列(固态)的过程。

金属冷却曲线Tn—实际结晶温度TO—理论结晶温度 过冷现象—实际开始结晶 温度低于理论结晶温度的 现象 。 T —过冷度

Tm—熔点

金属的结晶过程在金属液体中，总是存在着一些类似晶体中原子有规则排列的小集团。 在熔点或熔点以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当 低于熔点时，这些小集团中的一部分长大至一定尺寸后，就能成为比较 稳定的小晶体。这些小晶体作为结晶中心，称为晶核。实际金属液体并 不是很纯的，其中总有一些固态杂质存在，在结晶时，晶核大多依附在 这些固态杂质表面上形成。

细晶强化— 同一金属, 晶粒细小的有更高的强 度、硬度、塑性和韧性。铸造工艺中细化晶粒的方法： 提高冷却速度，如用金属模等； 变质处理(加形核剂孕育处理); 搅拌处理； 振动处理；

1.6 金属的同素异形体定义：金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的 现象称为同素异构转变。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体 称为金属的同素异形体。

重结晶或二次结晶

同素异构转变会使金属 体积发生变化，产生较 大内应力。这是钢热处 理时产生应力导致工件 变形或开裂的原因。

二 铁碳合金铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应用最 广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳

合金的成分、 组织和性能之间的关系。

2.1 铁碳合金分类通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由Fe—Fe3C相图中的P点和E 点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。 工业纯铁 是指P点以左的铁碳合金(含碳量小于0.0218%),室温组织为铁素体+少量 三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较低。 钢 是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中P点成分与E点成分 之间的铁碳合金(含碳量0.0218%~2.11%),具有良好的塑性，适于锻造、轧 制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。 白口铸铁 是指E点成分以右(含碳量2.11%~6.69%)的铁碳合金。白口铸铁有较低的 熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为 亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。

2.2 铁碳合金的基本相和基本组织含有质量分数为0.10%~0.20%杂质的铁碳合金中，称之为工业 纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适宜制 作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入少量 碳元素，可形成等五种基本组织。铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体

铁素体：用F表示碳溶解在a-Fe 形成的间隙固溶体。溶解度很小，铁素体的最大固溶度—0.0218% (727℃) 。因此，其性能与纯铁相似，即具有较好的塑性和韧性，但强 度和硬度较低。770 ℃以下具有铁磁性，以上失去铁磁性。

基 碳溶解在 -Fe 中形成的间隙固溶体。溶解度较强，1148 ℃溶碳量可达 本 2.11 %。强度硬度不高，没磁性，具有较好塑性，是绝大多数钢在高温锻造和轧 相 制时所需要的组织。 渗碳体：Fe3C 铁与碳形成的金属化合物，含碳量6.69 %。硬度很高，但脆性大，塑性差，伸长率和冲击韧性几乎为零。它是碳钢中主要的强化相，它的数量、形 状和分布对钢的性能影响很大。在一定条件下可分解成石墨状的自由碳。这一点 在铸造工艺中具有重要意义。

奥氏体：A

珠光体：P 它是F和Fe3C组成的的机械混合物，平均含碳量0.77 %, 存在于727 ℃以下。其性能介于铁素体和渗碳体之间，大 体上是两者性能的平均值，故珠光体的强度较高，硬度适 中，具有一定塑性。 莱氏体：Ld或Ld´ 1148 ℃ 时从合金液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的 混合物，用Ld 表示。727℃时奥氏体还将转变为珠光体， 所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱 氏体。性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。注意：铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为基本相。 珠光体和莱氏体则

是由基本相混合组成的多相组织。

碳的质量分数对缓冷碳钢力学 性能的影响

硬度：不断升高 塑性：不断降低 韧性：不断降低 强度：先升后降