第二章-黑色金属

汽车材料第二章黑色金属（钢、铸铁及其合金）金属和合金的晶体结构一切金属在固态下都是晶体。晶体是指其原子具有规则排列的物体。在自然界中，除了一些少数物质如玻璃、松香、塑料等以外，包括金属在内的绝大多数的固体都是晶体。晶体中原子在空间的排列方式称为晶体结构。为了便于描述晶体结构，我们常以通过各原子中心的一些假想连线把它们在三维空间里的几何排列形式描绘出来，各连线的交点称为“结点”，在结点上的黑点表示晶体中原子排列形式的空间格子称为晶格。组成晶格的最基本的几何单元称为晶胞，单位是纳米(1nm=10-9m)，金属的晶格常数一般为10~70nm。金属常见的晶格类型体心立方晶格的晶胞是一个正立方体，在立方体的8个角上和中心处各有一个原子。面心立方晶格的晶胞是一个正立方体，在立方体的8个角上和立方体6个面的中心各有一个原子。密排六方晶格的晶胞是一个六棱柱体，在六棱柱体的12个角上及两个端面的中心各有一个原子，除此之外，在六棱柱体的中心还有3个匀布的原子。实际金属的晶体结构实际金属都是多晶体。在显微镜下观察，工业上实际使用的金属都是由小晶体组成的，这些小晶体称为“晶粒”，每个晶粒都是由许多位相相同的晶胞堆积成的。晶粒与晶粒之间的交界面称为晶界。铁碳合金的组元铁：过渡元素，熔点1538℃。同素异构转变：金属在固态下随温度的变化由一种晶格类型转变为另一晶格类型的现象。纯铁塑性、韧性很好，但强度很低，很少用于制造机械零件。在固态下，碳在铁碳合金中可以3种形式存在：自由态石墨；碳溶解于铁的晶格中形成固溶体；碳与铁作用形成化合物。铁碳合金的基本相铁素体（F、α）是碳溶解在α-Fe体心立方晶格中形成的间隙固溶体，溶解碳的数量很少（室温时为0.0008%），其力学性能以及物理、化学性能与纯铁极为相近，是室温下铁碳合金的基本相。奥氏体（A、γ）是碳溶解在γ-Fe面心立方晶格中形成的间隙固溶体，溶碳能力比铁素体大，1148℃时为2.11%，727℃时为0.77%。塑性、韧性比铁素体高，强度、硬度低，是绝大多数钢种在高温进行压力加工时所要求的组织。渗碳体（Fe3C）是铁和碳形成的具有稳定成分的化合物，碳的质量分数为6.69%。硬度很高，塑性、韧性极差，几乎为零。渗碳体在一定条件下可以分解而形成石墨状态的自由碳。珠光体（P）是由铁素体和渗碳体组成的复相混合物，碳的质量分数为0.77%。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度和硬度较高，具有良好的塑性和韧性。莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，存在于1148~727℃高温区间的称为高温莱氏体（Ld），在727℃以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体（Ld`），其硬度很高，塑性、韧性很差。铁碳合金相图（Fe-Fe3C相图）L-液相γ-奥氏体F-铁素体Fe3C-渗碳体相图中特性点、线的含义特性点特性线符号温度/℃碳的质量分数/%含义线的符号说明A15380纯铁的熔点ABCD液相线。合金冷到此线开始结晶，在此线以上处于液相B14950.53包晶反应时液态合金的浓度C11484.30共晶点Lc→A+Fe3C（即Ld）AHJECF固相线。合金冷到此线将全部结晶为固体，在此线以下都处于固相D≈12276.69渗碳体熔点E11482.11碳在γ铁中的最大溶解度F11486.69渗碳体G9120α铁→γ铁的同素异晶转变点ES碳在奥氏体中的溶解度曲线N13940γ铁→δ铁的同素异晶转变点PQ碳在铁素体中的溶解度曲线H14950.09碳在δ铁中的最大溶解度GS冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线，也是加热时铁素体转变为奥氏体的终了线J14950.17包晶点L+δ→AK7276.69渗碳体P7270.0218碳在α铁中的最大溶解度HJB包晶线。包晶反应：L0.53+δ0.09→A0.17Q室温0.0008碳在α铁中的溶解度ECF共晶线。共晶反应：L4.30→A2.11+Fe3CS7270.77共析点As→F+Fe3C（即P）PSK共析线。共析反应：A0.77→F0.0218+Fe3C特性点特性线符号温度/℃碳的质量分数/%含义线的符号说明A15380纯铁的熔点ABCD液相线。合金冷到此线开始结晶，在此线以上处于液相B14950.53包晶反应时液态合金的浓度C11484.30共晶点Lc→A+Fe3C（即Ld）AHJECF固相线。合金冷到此线将全部结晶为固体，在此线以下都处于固相D≈12276.69渗碳体熔点E11482.11碳在γ铁中的最大溶解度F11486.69渗碳体G9120α铁→γ铁的同素异晶转变点ES碳在奥氏体中的溶解度曲线N13940γ铁→δ铁的同素异晶转变点PQ碳在铁素体中的溶解度曲线H14950.09碳在δ铁中的最大溶解度GS冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线，也是加热时铁素体转变为奥氏体的终了线J14950.17包晶点L+δ→AK7276.69渗碳体P7270.0218碳在α铁中的最大溶解度HJB包晶线。包晶反应：L0.53+δ0.09→A0.17Q室温0.0008碳在α铁中的溶解度ECF共晶线。共晶反应：L4.30→A2.11+Fe3CS7270.77共析点As→F+Fe3C（即P）PSK共析线。共析反应：A0.77→F0.0218+Fe3C相图中有5个基本区，相应的有5个单相区：ABCD以上——液相区（L）AHNA——δ固溶体区（δ）NJESGN——奥氏体区（A）GPQ以左——铁素体区（F）DFK垂线——渗碳体区（Fe3C）7个两相区：L+δ、L+A、L+Fe3C、δ+A、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C铁碳相图中的相区