第二章 工程材料結構

第二章工程材料結構教學目標:

１．理解基本概念２．掌握Fe-Fe3C狀態(tài)圖的應用學習目的:

通過本章的學習，了解金屬及合金的組織結構，理解和掌握鐵碳合金相圖的內容與應用本章重點內容:1.金屬的結構，結晶條件、規(guī)律及控制

2.鐵碳合金的基本組織

3.鐵碳合金相圖的內容與意義與應用非晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間無規(guī)則排列的物體。如松香、石蠟、玻璃等第一節(jié)金屬的結構晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則的周期性排列的物體。如金剛石、水晶、金屬等一、純金屬的晶體結構第一節(jié)金屬的結構一、純金屬的晶體結構晶格常數(shù)—晶胞的三個棱邊的長度a,b,c晶胞—能反映晶格特征的最小組成單元。晶格：通過原子結點的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。晶體結構—晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式.

1.晶體結構基本概念

①晶胞原子數(shù)：一個晶胞內含有的原子數(shù)目。

②原子半徑：晶胞中最近的兩原子之間距離的一半。

③致密度：指晶胞內原子實際占有的體積與晶胞體積之比。

④配位數(shù)：指晶格中與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。顯然，晶體中原子的配位數(shù)愈大，晶體中的原子排列愈緊密。各種晶體由于其晶格類型與晶格常數(shù)不同，故呈現(xiàn)出不同的物理、化學及力學性能。2.常見的金屬晶格類型（１）體心立方晶格

立方體晶胞，八個頂角和立方體中心各有一個原子，每個晶胞有原子２個。常見金屬有：Cr、W、Mo、V和α-Fe等。配位數(shù)：體心立方晶格配位數(shù)為8致密度：68%

（２）面心立方晶格

立方體晶胞，八個頂角和六個面的中心各有一個原子，每個晶胞有原子４個。常見金屬有：Al、Cu、Ni、Au、Ag和-Fe等。配位數(shù)：面心立方晶格配位數(shù)為12致密度：74%（３）密排六方晶格正六棱柱體晶胞，12個頂角和上下面中心各有一個原子，晶胞內還有３個，每個晶胞有原子6個。常見金屬有：Mg、Zn、Be和Cd等。配位數(shù)：密排六方晶格配位數(shù)為12致密度：74%

晶格類型不同，原子排列的致密度（晶胞中原子所占體積與晶胞體積的比值）也不同。體心立方晶格的致密度為68%，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度均為74%。晶格類型發(fā)生變化，將引起金屬體積和性能的變化。3．晶面與晶向的表示方法不同晶面和不同晶向上原子排列的狀態(tài)是不同的。為了便于表示各種晶面和晶向，用統(tǒng)一的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)來表示，國際上通用的是密勒（Miller）指數(shù)。

在金屬中，許多性能現(xiàn)象與特定的晶面和晶向關系很大。

晶面：晶格中各方位的原子面晶向：任意兩個原子連線所指的方向（1）立方晶系的晶向指數(shù)

①選定晶胞中的任一結點為坐標原點，并以該點連接的三條棱邊作為坐標軸，即ox、oy、oz（反向為負）。

②以晶格常數(shù)a作為坐標軸上的度量單位,并通過坐標原點作一直線平行于所求的晶向。

③求出該直線上任一點的三個坐標值。

④將三個坐標值化為最小整數(shù)，并加方括號，即為所求的晶向指數(shù)，可寫成[uvw](2)立方晶系的晶面指數(shù)①選定晶胞中的任一結點為坐標系原點，以與該點連接的三條棱邊為坐標軸，即ox、oy、oz（反向為負值）。

②以晶格常數(shù)a作為坐標軸上的度量單位，求出所求晶面在三個坐標軸上的截距（截距為負值時，在指數(shù)上方加“－”號，如晶面與某平面平行，則截距為∝）。

③求出3個截距的倒數(shù)并化為最小整數(shù)。

④將3個整數(shù)加圓括號，即為所求的晶面指數(shù)?？蓪懗桑╤kl）。

（3）原子密度不同晶體結構中不同晶面、不同晶向上的原子排列緊密程度是不一樣的。體心立方晶格中，原子密度最大的晶面族為{110}。稱密排面；原子密度最大的晶向族是<111>，稱密排方向。（4）各向異性在晶體中，不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同，則原子間結合力大小也不同，因而金屬晶體不同方向上性能不同，這種性質叫做晶體的各向異性。4.金屬的實際結構與晶體缺陷

1）.多晶體結構單晶體——晶體內部的晶格位向完全一致。晶?！庑尾灰?guī)則，呈顆粒狀的小晶體。晶界——晶粒與晶粒之間的界面。多晶體——由許多晶粒組成的晶體。

2）.晶體缺陷 晶體內部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為晶體缺陷。 這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學性能、機械性能）將產生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強度遠遠低于通過原子間的作用力計算所得數(shù)值。點缺陷線缺陷面缺陷自然界金屬材料都是多晶體

（１）點缺陷

晶格空位、間隙原子、異類原子 使金屬材料強度和硬度增加，塑性和韌性降低。（２）線缺陷

刃型位錯、螺型位錯

強度、硬度增加，塑性、韌性下降。（３）面缺陷

晶界和亞晶界金屬強度、硬度增高，塑性也增高。晶界亞晶界※金屬晶體缺陷的影響？

點缺陷--造成局部晶格畸變,使金屬的電阻率;屈服強度增加,

密度發(fā)生變化。

線缺陷--形成位錯對金屬的力學性能影響很大，位錯密度越大，金屬強度也提高。

面缺陷--晶界和亞晶界越多，晶粒越細，金屬強度越高，同時塑性、韌性也有一定幅度提高。

5.純金屬的結晶純金屬的冷卻曲線（理想狀態(tài)）oCTo

L

ab

S0a：結晶開始點b：結晶終了點1）.金屬結晶的基本規(guī)律純金屬的冷卻曲線（實際）oC

LT0T1S0T0：理論結晶溫度T1：實際結晶溫度ΔT=T0--T1（過冷度）結晶的必要條件----溫度改變金屬的結晶過程：

原子團（雜質）

形核

晶核長大

小晶粒

晶粒（外形不規(guī)則的小晶體）形核：自身晶核、外來晶核晶核長大方式：樹枝狀方式（視頻）晶界—晶粒間的分界面；（視頻）晶核的長大方式—樹枝狀金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶細化晶粒的方法增加冷卻速度，增大過冷度；變質處理，增加外來晶核;采用機械、超聲波振動、電磁攪拌等；晶粒粗細對材料力學性能的影響

晶粒越細，強度越高，塑性和韌性也越好。2）.金屬結晶后的晶粒大小

1.基本概念合金

合金是以一種金屬元素為基礎，加入另一種或幾種金屬或非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。組元組成合金的基本單元稱為組元。合金中的組元可以是金屬元素和非金屬元素，也可以是穩(wěn)定化合物。

合金系以不同比例配比的一系列同種合金叫做合金系。二、合金的相結構相合金中，具有同一化學成分、同一結構和原子聚集狀態(tài)，并以界面互相分開、均勻的組成部分。組織指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同的組成相的形狀、尺寸、分布及各相之間的組合狀態(tài)。(1)合金

由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質.

普通黃銅：Cu+Zn

45鋼:

鐵碳合金

合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達到的一系列機械特性與理化特性,如高強度、高硬度、高耐磨性、強磁性、耐蝕性等。(2)組元

組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)定化合物組成合金的獨立的，最基本的單元(3)合金系

若干給定組元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金（4）相在固態(tài)下，物質可以是單相的，也可以是多相的。鐵在同素異構轉變過程中，會出現(xiàn)相的變化。純鐵是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。固態(tài)白銅（銅與鎳二元合金）是單相的。合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。在物質中，凡是成分相同，結構相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。問題：水、油混裝在一個瓶子里，是幾個相？將奶粉加開水沖一杯牛奶又是幾個相？（5）組織合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。不同組織具有不同的性能。由不同組織構成的材料具有不同的性能。同一種鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。45鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料的微觀形貌。2.合金的結構

1）固溶體：由兩種組元相互溶解后所組成的新的物質仍然保持其中某一組元的晶體結構。置換固溶體：A組元的原子取代了B組元的原子。當A、B兩個組元的原子直徑相差不大時，兩個組元可以以任何比例溶解，形成無限固溶體，反之則為有限固溶體。間隙固溶體：A組元溶入B組元的的間隙中。只能形成有限固溶體。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的鐵素體、奧氏體。（1）固溶體分類置換固溶體和間隙固溶體的區(qū)別碳

在

α－Fe中

的

間

隙

固

溶

體銅

和

金

形

成

的

置

換

固

溶

體（2）固溶體的性能固溶體與純金屬相比強度、硬度升高。這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。它是強化金屬材料的重要途徑之一。固溶體的強度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結構合金的基體相。固溶強化的原因

由于溶質原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬滑移變形變得更加困難，變形抗力增大，從而提高合金的強度和硬度。2）金屬化合物它是合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。金屬化合物一般具有復雜的晶體結構，熔點高，硬而脆。合金中出現(xiàn)金屬化合物時，常能提高合金的強度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。

例如：Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一種典型的金屬化合物。根據(jù)金屬化合物的相結構不同，可分為三類。①正常價化合物

指符合化合物原子價規(guī)律的金屬間化合物。它們具有嚴格的化合比，成分固定不變，可用化學式表示。金屬中常見的有：Mg2Si、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP等。這類化合物性能的特點是硬度高、脆性大。②電子化合物

指按照一定價電子濃度的比值組成一定晶格類型的物質。金屬中常見的有：Cu-Zn、Cu-Si、Cu-Al、Cu-Si等。電子化合物主要以金屬鍵結合，具有明顯的金屬特性。它們的熔點和硬度都較高，而塑性較差，是有色金屬中的重要強化相。

③間隙化合物

指過渡族金屬元素與C、N、H、B等原子半徑很小的非金屬元素形成的化合物。根據(jù)其結構特點，可分為間隙相和復雜結構的間隙化合物2種。間隙相：當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，將形成具有簡單晶格結構的簡單化合物。間隙化合物：當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，將形成具有復雜晶格結構的間隙化合物。最具有代表性的復雜晶格間隙化合物是鐵與碳形成的Fe3C，呈復雜斜方晶格。金屬化合物主要用來作為碳鋼、各類合金鋼、硬質合金及有色金屬的重要組成相及強化相。而性能除固溶強化影響外，還取決于金屬化合物的種類和數(shù)量。彌散強化

當金屬化合物呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將顯著提高合金的強度、硬度和耐磨性,此現(xiàn)象稱為彌散強化。

3）機械混合物（多相復合組織） 由純金屬、固溶體、金屬化合物等組成合金的基本相。兩種或兩種以上的相按一定的質量百分數(shù)組合成的物質。特點：保持各組元的晶格類型。性能取決于各組成相的性能及分布狀態(tài)。思考題1在純金屬的冷卻曲線上為什么會出現(xiàn)一水平臺階？2為什么晶粒越細小其力學性能越好？3如果結晶時晶核不多而生長速度快，則結晶后的晶粒是粗還是細？合金的冷卻曲線oCa

bLsL+s0a：結晶開始點b：結晶終了點合金的結晶是在一個溫度范圍內完成。三、合金的結晶二元合金相圖相圖：表示在平衡狀態(tài)下，合金系的相與溫度、成分之間關系的圖形。（又稱狀態(tài)圖，平衡圖）相圖的建立二元合金相圖的建立

勻晶相圖上臨界點：上相變點L1…下臨界點：下相變點α1…兩相區(qū)L+α單相區(qū)L單相區(qū)α液相線固相線結晶過程：L1→

α3固溶體合金結晶的特點：在一定溫度范圍內結晶；已結晶的固相成分不斷沿固相線變化，剩余液相不斷沿液相線變化。杠桿定律

在合金的結晶過程中，液、固兩相的相對量是變化著的，在某溫度下液、固兩相的相對量可用杠桿定律來計算。已知：溫度t時，設合金的總質量為1，固相α質量為Qα，液相L的質量為QL。且液相中含B量為X’’，固相中含B量為X′,合金中含B量為K。

若t為已知溫度，則X′與X"都是已知數(shù)，即可計算出Qα與QL的質量百分數(shù)。枝晶偏析

在實際生產中，冷卻速度較快，原子擴散來不及充分進行，導致先后結晶出的固溶體成分存在差異，晶粒內部化學成分不均勻現(xiàn)象稱為晶內偏析（又稱枝晶偏析）。枝晶偏析會使塑性、韌性顯著下降，通常擴散退火工藝來消除。

共晶相圖溶解度曲線最大溶解度點共晶線共晶點共晶合金亞共晶合金共晶相圖：液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶；勻晶相圖：液態(tài)無限互溶，固態(tài)無限互溶共晶轉變——恒溫下，液相中同時結晶出二個成分、結構不同的固相

L→

α+β

轉變產物：共晶體（共晶組織）——兩固相的機械混合物包晶相圖包晶轉變：恒溫下，一個固相與液相作用生成另一個固相

L+α→

β與共晶轉變比較：同：恒溫轉變，同時生成兩個成分、結構不同的固相異：共析

——母相是固相，在固態(tài)轉變

共晶

——母相是液相，在液態(tài)轉變共析相圖Lγα

α+

β

β共析轉變：恒溫下，一個固相中同時析出兩種成分、結構不同的固相。γ→

α+β轉變產物：共析組織（共析體）

——機械混合物1.金屬的同素異構（晶）轉變1538co1394oc912oc室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方金屬的同素異晶轉變的慨念

金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變其晶體結構發(fā)生變化的現(xiàn)象。

金屬的同素異晶轉變的意義

可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達到改善材料性能的目的。動畫演示

2.鐵碳合金的基本組織

1）鐵素體（F）

碳溶于α—Fe中形成的間隙固溶體，用符號F（或α）表示。性能：與純鐵相似，強度、硬度低，而塑性和韌性好。組織：呈明亮的多邊形晶粒，晶界曲折。

600℃溶碳量0.008%727℃溶碳量0.0218%

2）奧氏體（A）

碳溶于γ—Fe中形成的間隙固溶體，用符號A（或γ）表示。性能：有一定的強度和硬度，塑性和韌性好，適于進行鍛壓加工。組織：與鐵素體相似，晶粒呈多邊形，但晶界較鐵素體平直.727℃溶碳量0.77%1148℃溶碳量2.11%

3）滲碳體（Fe3C）

鐵和碳形成的一種具有復雜斜方晶格的間隙化合物，用化學分子式Fe3C表示。

ωc=6.69%熔點為1227℃

性能：硬度很高，脆性很大，塑性極差。組織：常以片狀、球（粒）狀和網(wǎng)狀等不同形態(tài)存在。

4）珠光體 鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號P表示。

ωc=0.77%

性能：介于鐵素體與滲碳體之間，即綜合性能良好。

5）萊氏體 (高溫、低溫)ωc=4.3%的合金，緩慢冷卻到1148℃時從液相中同時結晶出奧氏體和滲碳體的共晶組織，用符號Ld表示。性能：與滲碳體相似，即硬度高，塑性差。（1）鐵素體（F）—

（2）奧氏體

(A)—（3）滲碳體(Fe3C)—室溫時的性能與純鐵相似，強度、硬度低，塑性和韌性好

具有一定的強度和硬度，塑性也很好

硬度很高（約1000HV），塑性、韌性幾乎為零，極脆

鐵素體與滲碳體（F+Fe3C）—珠光體（P）奧氏體與滲碳體（A+Fe3C）—高溫萊氏體（Ld）珠光體與滲碳體（P+Fe3C）—低溫萊氏體（L’d）三種復相組織碳溶于α-Fe中的間隙固溶體碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體鐵與碳形成的金屬化合物3.鐵碳合金相圖在平衡（極其緩慢加熱或冷卻）條件下，合金系中各種合金組織狀態(tài)與溫度、成分之間關系的圖形，是分析鐵碳合金組織及其變化規(guī)律的有效工具。通過鐵碳合金相圖可以了解合金的結晶過程和規(guī)律，了解鐵碳合金系中任何成分的合金在某一溫度下的組織狀態(tài)，存在幾個相，每個相的成分是多少等以及發(fā)生結晶和相變的溫度。

Fe-Fe3C

相圖FeT°Fe3C（1）鐵碳合金相圖的建立

ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖(P+Fe3C)鐵碳合金狀態(tài)圖分析滲碳體的熔點共晶點共析線共析點純鐵的熔點共晶線ACD線—液相線AECF線—固相線碳在奧氏體中的最大溶解度A3線Acm

鐵碳合金相圖中主要特性點的含義

特性點的符號溫度t/℃含碳量wc%含義

A

C

D

E

G

P

S

Q

1538114812271148912727727

室溫04.36.692.1100.020.770.0008純鐵的熔點共晶點滲碳體的熔點碳在奧氏體中的最大溶解度α-Teγ-Te同素異晶轉變點碳在鐵素體中的最大溶解度共析點碳在鐵素體中的溶解度相圖中主要線的含義ACD線—液相線是不同成分鐵碳合金開始結晶的溫度線。AECF線—固相線各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結晶溫度終止線。ECF水平線—共晶線含碳量為4.3%的液態(tài)合金冷卻到此線時，在1148℃由液態(tài)合金同時結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共晶反應。PSK水平線—共析線（A1線）含碳量為0.77%的奧氏體冷卻到此線時，在727℃同時析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共析反應。GS線—（A3線）是冷卻時奧氏體轉變?yōu)殍F素體的開始線。ES線—(Acm線)是碳在奧氏體中的溶解度線，實際上是冷卻時由奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。鐵碳合金含碳量為2.11%—6.69%的鐵碳合金。共晶生鐵：

含碳量為4.3%;亞共晶生鐵：含碳量在2.11%—4.3%之間；過共晶生鐵：含碳量在4.3%—6.69%之間；含碳量小于0.0218%的鐵碳合金。工業(yè)純鐵鋼生鐵

含碳量為0.0218%—2.11%的鐵碳合金。根據(jù)金相組織的不同，可分為三種。共析鋼：含碳量為0.77%;亞共析鋼：含碳量在0.0218%—0.77%之間；過共析鋼：含碳量在0.77%—2.11%之間；兩種反應：1148℃1、共晶反應

一定成分的液相在一定的溫度下同時結晶出兩