金属材料讲座

第一章碳钢•纯铁的组织和性能•铁碳合金中的相和组织组成物•Fe-Fe3C相图•压力加工对钢组织和性能的影响•碳钢的分类和牌号及用途一、纯铁的结晶液体的结晶和固体的熔化是一对可逆过程，T↑有利于熔化，T↓有利于结晶过程。（一）过冷现象和过冷度液体结晶的速度与晶体熔化的速度相等时的温度称为平衡结晶温度（理论结晶温度）常用T0表示。第一节纯铁的组织和性能Tn称为实际结晶温度Tn不是固定的，与材料的性质、纯度以及冷却速度有关时间温度T0v1v2v3Tn1Tn2Tn3冷却速度越快，实际结晶温度越低0nTTT过冷度温度自由能LS热力学定律：自然界一切自发转变过程总是从能量较高的状态趋向能量较低的状态。T0ΔFTn过冷是结晶的必要条件（二）结晶过程—形核与长大单晶多晶细化晶粒•体心立方•面心立方•密排六方90%的金属具有下述三种晶体结构之一二、金属的晶体结构体心立方BodyCenteredCubic面心立方FaceCenteredCubic密排六方Hexagonal-close-packed铁(-Fe)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)等BCCFCC铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)、铁(－Fe)等HCP钛(Ti)、锆(Zr)、镁（Mg)、锌(Zn)等晶体结构与材料性能：（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。各向异性•晶体不同晶面及晶向上原子的排列情况不同，所以，不同方向上晶体的性能是不同的。纯铁E＝290GPa[111]-体对角线方向135GPa[110]-面对角线方向多晶体伪各向同性晶粒晶界晶粒的位向彼此不同，其性能是各晶粒的统计平均值，故是大致相同的。EFe＝210GPa晶体缺陷实际晶体中排列不规则的区域统称为晶体缺陷按空间尺寸大小不同分为点、线、面三类缺陷。在三维空间上，其长、宽、高的尺寸均很小（不超过几个原子直径）的缺陷。点缺陷点缺陷示意图空位置换原子间隙原子不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小。线缺陷钛合金中的位错线不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。面缺陷晶界亚晶界晶体缺陷对晶体性能的影响点缺陷点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。线缺陷附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变化与位错密度有关。位错密度强度σs理论值金属须退火态106~108cm-2位错密度很低或者很高时，晶体的强度比较高。晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。面缺陷细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。强化材料的方法之一固态铁有三种同素异构体温度范围(℃)晶体结构名称1394~1538BCCδ-Fe912~1394FCCγ-Fe912BCCα-Fe（三）纯铁的同素异构转变1394912FeFeFe1394912FeFeFe同素异构转变：同一种元素在固态下由于温度变化而发生的晶体结构的变化。1394912FeFeFe1394℃727℃三、纯铁的组织和性能性能纯铁塑性、韧性好，但强度、硬度低。σs(MPa)100~170σb(MPa)180~230δ(%)30~50Ψ(%)70~80ak(J/cm2)160~200HB50~80纯铁的力学性能因纯度及晶粒大小不同有较大差别。晶粒度级别越高，晶粒越细。我国将细晶粒度分为8级晶粒度级别sokdHall-Petchequation第二节铁碳合金中的相和组织组成物铁与碳的相互作用固溶体化合物铁碳合金中的相和组织组成物相组织（一）固溶体—铁素体、奥氏体固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构。固溶体固溶体的分类置换固溶体间隙固溶体溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。置换固溶体如：Fe与Mn、Si、Al、Cr、Ti、Nb等形成置换固溶体溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。间隙固溶体如：Fe与C,N,O,H形成间隙固溶体溶剂原子溶质原子置换固溶体间隙固溶体铁与碳形成的固溶体铁素体碳溶于α-Fe中形成的固溶体称为铁素体，用α或者F表示。BCC奥氏体碳溶于γ-Fe中形成的固溶体称为铁素体，用γ或者A表示。FCC铁素体奥氏体由于FCC的间隙比BCC大，所以γ的溶碳能力比α大。•2.11％•0.0218％热处理基础之一固溶体的性能固溶体的晶体结构与溶剂相同，但溶质原子的溶入会使溶剂的晶格产生畸变强度硬度增加，塑性韧性降低；电阻、矫顽力增加，导电性降低。通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为强化材料的方法之一固溶强化如，钢中加入Mn,Si可置换F中的Fe形成合金铁素体，使其强度提高（二）化合物—渗碳体当碳在铁中的含量超过了其溶解度极限时，便会形成化合物。Fe3C，渗碳体。化合物的性能特点晶体结构和性能不同于其组成元素，晶体结构复杂，熔点高、硬而脆。渗碳体渗碳体具有一种复杂的正交晶体结构，熔点高1227℃，wc=6.69%；渗碳体能提高合金的硬度、耐磨性，会降低合金的塑性和韧性。渗碳体中的Fe可以被Mn,Cr,W,Mo等金属原子置换而形成合金渗碳体以层片状或者球形均匀分布在组织中，能提高合金的强度；以连续网状、粗大的片状或者作为基体出现时，急剧降低材料的强度、塑韧性。渗碳体对铁碳合金性能的影响取决于其形态（三）、铁碳合金中的相和组织组成物系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。相铁碳合金中：铁素体、奥氏体和渗碳体是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可一是两相或者多相混合物。组织组成物铁素体奥氏体渗碳体珠光体：F与Fe3C片层相间的两相混合物莱氏体：A与Fe3C两相混合物铁碳合金中的组织组成物FP第三节Fe-Fe3C相图本节要点Fe-Fe3C相图中重要的点、线和相区Fe-Fe3C相图中的重要转变及产物应用Fe-Fe3C相图分析典型成分铁碳合金结晶过程分析室温下得到的相和组织组成物会用杠杆定律计算室温下相和组织组成物的质量分数碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响一、Fe-Fe3C相图分析ABCDEFGHJNKPPSQ（一）相图中的点、线、区ABCDEFGHJNKPPSQ点Fe熔点1538℃1495℃wC=0.53%共晶点1148℃wC=4.3%渗碳体熔点1227℃wC=6.69%C在γ-Fe中的最大溶解度1148℃wC=2.11%渗碳体1148℃wC=6.69%同素异构转变点912℃wC=0%C在δ-Fe中的最大溶解度1495℃wC=0.09%包晶点1495℃wC=0.17%渗碳体727℃wC=6.69%同素异构转变点1394℃wC=0%C在中α-Fe中的是大溶解度727℃wC=0.0218%共析点727℃wC=0.77%C在室温α-Fe中的溶解度wC=0.0008%点温度℃wC(%)说明A15380纯铁的熔点B14950.53包晶反应时L的浓度C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11C在γ-Fe中的极限溶解度F11486.69渗碳体G9120同素异构转变点共有14个点点温度℃wC(%)说明H14950.09C在δ-Fe中的极限溶解度J14950.17包晶点K7276.69渗碳体N13940同素异构转变点P7270.02C在α-Fe中的极限溶解度Q200.0008室温C在α-Fe中的溶解度S7270.77共析点线液相线：ABCDABCDEFGHJNKPPSQ固相线：AHJECF三条水平线（恒温转变）AJB、ECF、PSK包晶转变线AJB共晶转变线ECF共析转变线PSK同素异构转变线NH、NJGS、GP固溶度线ES、PQ相区•相图中共有5个单相：L、δ、γ、α、Fe3C•7个双相区：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+α、A+Fe3C、α+Fe3C•3条三相共存线：HJB（包晶线）、ECF（共晶线）、PSK（A1线）ABCDEFGHJNKPPSQLαδγFe3CL+δδ+γγ+αL+γL+Fe3Cγ+Fe3Cα+Fe3CL+δ+γL+γ+Fe3Cγ+α+Fe3C（二）恒温转变共晶产物为E点成份的A与渗碳体的机械混合物，称莱氏体Ledeburite(Ld)，冷却至室温的莱氏体称变态莱氏体（或低温莱氏体），用Ld’表示。3CF1.1ECAFeCww共晶转变：ECF线wC2.11%的合金均会发生共晶反应。1148CE3LAFeC1148CE3LAFeC1148℃共析转变：PSK线共析产物为铁素体与渗碳体的机械混合物，称珠光体Pearlite用P表示。该线亦称A1线。3PS18SKFeCFww含碳量大于0.2%的铁碳合金都会发生共析转变，即室温下有P组织。727CP3AFFeC727CP3AFFeC727℃Fe-Fe3C相图中的渗碳体Fe3CIFe3CIIFe3CIIIABCDEFGHJNKPPSQLγα二、典型铁碳合金结晶过程分析ABCDFGHJNKPPSQLγαE工业纯铁钢白口铸铁工业纯铁wC＜０.0218％钢亚共析钢wC％(0.0218~0.77)共析钢wC％=0.77过共析钢wC％(0.77~2.11)铸铁共晶白口铁wC％＝4.3亚共晶白口铁wC％(2.11~4.3)过共晶白口铁wC％(4.3~6.69)ABCDEFGHJNKPPSQLγα①②③④⑤⑥⑦七种典型合金工业纯铁结晶过程分析AGHJNPPQ1234567LＬ→时间温度1234567→→→Fe3CⅢ1、工业纯铁wC=0.01%0.01%C的工业纯铁组织•室温组织是Ｆ+Fe3CⅢ•组织特点：在缓慢冷却条件下，Fe3CⅢ以断续沿Ｆ晶界析出。•Fe3CⅢ相对量为：3III0.010100%0.15%6.690FeCw工业纯铁的室温组织Ｆ+Fe3CⅢＦe3CIII含量随wC增加而增加，当wC=0.0218%时,Ｆe3CIII含量达最大值3IIIMax0.02180|0.3%6.690FeCwABCDEFGHJNKPPSQLγαδ工业纯铁室温相：Ｆ+Fe3C室温组织：Ｆ+Fe3CⅢ组织特点：在缓慢冷却条件下，Fe3CⅢ以断续沿Ｆ晶界析出。钢的结晶过程分析ABEGHJNPPSQ1231233’时间温度2、共析钢ＬPＬ→γγ→α+Fe3Cγ共析钢的组织为P，是Ｆ和Ｆe3C的机械混合物。ABEGHJNPPSQ3、亚共析钢wC=0.4%123451235’时间温度2’45ＬＬ→Ｌ＋→γＬ→γγγ→αγ→Pα+P•亚共析钢的室温组织α＋Ｐ•亚共析钢的室温相α＋Ｆe3CαP相分数、组织分数3''6.690.494%6.690''0.406%6.690'FeCrKwQKQrwQKEGPPSQKrr’K’室温下有α＋Fe3C两个相室温下有α＋P两种组织0.770.449.4%0.770.0218Pr0.40.021850.6%0.770.0218PrSwPSwPSABEGHJNPPSQ4、过共析钢wC=1.2%123412344’时间温度LL→γγγ→Fe3CIIγ→PP+Fe3CII•过共析钢的室温组织Ｆe3CⅡ＋Ｐ•亚共析钢的室温相Ｆ＋Ｆe3CPFe3CII钢的金相组织共析钢的金相组织珠光体(P)亚共析钢的金相组织铁素体+珠光体(α+P)过共析钢的金相组织珠光体+渗碳体(P+Fe3CII)钢在室温下有两个相：α＋Fe3C工业纯铁及钢的金相组织四、含碳量对组织及性能的影响（一）对平衡组织的影响将Fe-Fe3C相图中的相区按组织组成物填写组织组成物相图：•wC↑,Fe3C的形态会发生变化Fe3CIII(薄片状)→共析Fe3C(层片状)→Fe3CII(网状)→共晶Fe3C(连续基体)→Fe3CI(粗大