第二章铁碳相图合金

第二章铁碳合金第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变一.金属的结晶二.纯铁的晶体结构三.纯铁的同素异晶转变（一）金属结晶的基本概念（二）金属的冷却曲线和过冷现象（三）纯金属的结晶（四）金属晶粒的大小与控制一.金属的结晶物质由液态转变为固态的过程称为凝固。金属由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。玻璃制品水晶（一）金属结晶的基本概念（二）冷却曲线与过冷现象1、冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度Tn。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.纯金属的冷却曲线mn2、过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度Tm(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在Tm以下的实际结晶温度下才能进行。雾凇液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T=Tm–Tn过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。纯金属的冷却曲线mnTmTnΔT液体和晶体自由能随温度变化自由能与温度的关系曲线金属结晶的热力学条件1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在Tm以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。晶核半径与ΔG关系（三）纯金属的结晶晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有两种方式，即自发形核（均匀形核）和非自发形核（非均匀形核）。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。（四）金属晶粒的大小与控制细晶强化：晶体中晶粒的大小，对金属性能有很大的影响。晶体越细，金属的强度、硬度、韧性等机械性能越好。由凝固理论可知，单位体积晶粒数决定于形核率N和长大速度V两个因素。因此控制形核率和形核速度也就控制了晶粒的大小。∞Z晶粒大小的控制方法：（1）增加过冷度；（2）变质处理；（3）振动、搅拌二.纯铁的晶体结构物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。结构:物质内部原子在空间的分布及排列规律。（一）晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。金属的结构晶态非晶态SiO2的结构晶态非晶态（二)、晶体结构⑴晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。1、基本概念⑵晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。⑷晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c，==90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜⑶晶格常数：晶胞个边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。(6)原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。(7)晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。(8)配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。(9)致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。(5)晶格尺寸：晶格常数2、典型的金属晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。金属原子趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。⑴体心立方晶格体心立方晶格的参数体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)ar43原子半径：⑵面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的参数a42r=：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格⑶密排六方晶格密排六方晶格的参数a21r=：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633密排六方晶格3、纯铁的同素异构转变纯铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。属于相变之一，即固态相变。第二节铁碳合金的基本组织合金是指在金属中加入一种或几种元素后，熔合而成为具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金一、固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。习惯以、、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织（1）置换固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。（2）间隙固溶体固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。二、化合物①正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si②电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。③间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物a.间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。VC的结构b.具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6第三节铁碳合金状态图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢，含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具。制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。一、铁碳合金的组元和相结构组元：Fe、Fe3C铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe1.相结构(1)工业纯铁-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。-Fe-Fe碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体(2)铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。(3)奥氏体:碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体(4)渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低(b35MPa),脆性大,塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体二、铁碳合金相图的分析⒈特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线。2.相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C3.特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD⑵三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄JECF：共晶线LC⇄E+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Ld表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体PSK：共析线S⇄FP+Fe3C共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。⑶其它相线GS,GP—⇄固溶体转变线,GS又称A3线。HN,JN—δ⇄固溶体转变线，ES—碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。三、典型合金的平衡结晶过程⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相①亚共析钢(0.0218~0.77%C)②共析钢(0.77%C)③过共析钢(0.77~2.11%C)铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁⑶白口铸铁(2.11~6.69%C)铸造性能好,硬而脆①亚共晶白口铸铁(2.11~4.3%C)②共晶白口铸铁(4.3%C)③过共晶白口铸铁(4.3~6.69%C)㈡共析钢的结晶过程合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变：S⇄P+Fe3C,全部转变为珠光体。共析钢的结晶过程㈢亚共析钢的结晶过程0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.以0.45%C的钢为例合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为。到4点，由中析出。到5点,成分沿GS线变到S点，发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.亚共析钢的结晶过程㈣过共析钢的结晶过