金屬工藝學(xué) 課件 2 鐵碳合金

厚德博學(xué)追求卓越2鐵碳合金主要內(nèi)容金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)一金屬的結(jié)晶二三鐵碳合金相圖及其應(yīng)用四常用金屬材料及選用五小結(jié)在福建省通北發(fā)現(xiàn)的石榴石單晶照片（圖片來(lái)源于I網(wǎng)MeganForeman的照片）不銹鋼顯微組織單晶硅棒單晶硅圓片鎳基單晶熱處理后顯微組織

鐵碳合金是最重要的工程材料，鋼和鑄鐵是制造機(jī)器設(shè)備的主要金屬材料，與其它材料相比，其資源廣泛、冶煉方便、價(jià)格低廉、性能優(yōu)越。

鐵碳合金是以鐵、碳為主要組元組成的合金。其中，鐵的含量大于95%，是最基本的組元。要了解鋼和鑄鐵的本質(zhì)，首先必須了解純鐵的晶體結(jié)構(gòu)。金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)是決定金屬材料性能的一個(gè)重要因素。金屬在固態(tài)下通常都是晶體，了解和掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶過(guò)程及其組織特點(diǎn)，是零件設(shè)計(jì)時(shí)合理選材的根本依據(jù)。一、金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)1.1

晶體結(jié)構(gòu)

晶體（crystal）：由大量微觀物質(zhì)單位（原子、離子、分子等）按一定規(guī)則有序排列的結(jié)構(gòu)。

晶體的原子排列是有序的，原子在三維空間作規(guī)則的、周期性的、重復(fù)排列，有一定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，性能趨向各向異性。

非晶體（Amorphoussolid）：指結(jié)構(gòu)無(wú)序或者近程有序而長(zhǎng)程無(wú)序的物質(zhì)，組成物質(zhì)的分子（或原子、離子）不呈空間有規(guī)則周期性排列的固體，它沒(méi)有一定規(guī)則的外形。

非晶體原子排列雜亂無(wú)章，呈無(wú)序狀態(tài)，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，性能趨向各向同性。1.1

晶體結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式。

晶格：把原子排列抽象成一種空間格子，每個(gè)原子中心處在空間格子的結(jié)點(diǎn)上，這種假想的空間格架稱為晶格。

晶胞：為了便于研究，從晶格中取出能夠完整反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。1.1

晶體結(jié)構(gòu)

晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊的邊長(zhǎng)a、b、c和三條棱邊的夾角α、β、γ等六個(gè)參數(shù)來(lái)描述。其中a、b、c為晶格常數(shù)，其大小以μm來(lái)度量。1.1

晶體結(jié)構(gòu)

金屬常見(jiàn)的晶格類型有體心立方、面心立方和密排六方。1.體心立方晶胞BCC（Body-CenteredCube）

(1/8)x8+1=2

屬于這類晶格的金屬有α-Fe（912℃以下的純鐵）、鉻、鉬、釩、鈦等。這類晶格一般具有較高的熔點(diǎn)、相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和良好的塑性。1.1

晶體結(jié)構(gòu)

金屬常見(jiàn)的晶格類型有體心立方、面心立方和密排六方。2.面心立方晶胞FCC（Face-CenteredCube）

(1/8)x8+(1/2)x6=4

屬于這類晶格的金屬有γ-Fe（912～1394℃時(shí)的純鐵）、銅、鎳、金、銀、鉑、鍺、錳、鉛等。這類晶格一般具有很好的塑性。1.1

晶體結(jié)構(gòu)

金屬常見(jiàn)的晶格類型有體心立方、面心立方和密排六方。3.密排六方晶格HCP（HexagonalClosed-Packed）

屬于這類晶格的金屬有鎂、鋅、鎘、鈹?shù)?。這類晶格金屬具有一定強(qiáng)度，但塑性較差。(1/6)x12+(1/2)x2+3=61.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金：由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素熔合在一起，構(gòu)成具有金屬特性的物質(zhì)稱“合金”。

組元：組成合金的基本元素稱為“組元”。組元可以是純?cè)兀部梢允欠€(wěn)定的化合物。

例如，黃銅是銅和鋅組成的合金，碳鋼和鑄鐵是鐵和碳組成的合金。

例如，鐵、碳是鋼和鑄鐵中的組元。合金中的穩(wěn)定化合物（如Fe3C）也可作為組元。

合金系：由給定組元可按不同比例配制出一系列不同成份的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱合金系。

例如，兩組元組成的為二元系，三組元組成的為三元系等。1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

相：材料中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并與其他部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分稱為“相”。

若材料是由成分、結(jié)構(gòu)相同的同種晶粒構(gòu)成，盡管各晶粒之間有界面隔開(kāi)，但它們?nèi)詫偻N相。若材料由成分、結(jié)構(gòu)都不相同的幾部分構(gòu)成的，則它們應(yīng)屬不同的相。例如，純金屬是單相合金，鋼在室溫下由鐵素體和滲碳體兩相組成。

固態(tài)合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。

問(wèn)題：（1）水、油混裝在一個(gè)瓶子里是幾個(gè)相？（2）將奶粉加熱水沖一杯牛奶是幾個(gè)相？例如，鋼液為一個(gè)相，稱為液相；但在結(jié)晶過(guò)程中液相和固態(tài)鋼共存，此時(shí)，它們各是一個(gè)相。1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

組織：通常人眼看到或借助于顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部的微觀形貌（圖像）稱為組織。

人眼（或放大鏡）看到的組織為宏觀組織；用顯微鏡所觀察到的組織為顯微組織。組織是與相有緊密聯(lián)系的，相是構(gòu)成組織的最基本組成部分，當(dāng)相的大小、形態(tài)與分布不同時(shí)，會(huì)構(gòu)成不同的微觀形貌（圖像），各自成為獨(dú)立的單相組織，或與別的相一起形成不同的復(fù)相組織。鐵素體F鐵素體F+珠光體P組織是材料性能的決定性因素。相同條件下，材料的性能隨其組織的不同而變化。1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與純金屬不同，根據(jù)合金中各元素間相互作用的不同，合金結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物。1.固溶體

合金組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。

按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。（a）置換固溶體

（b）間隙固溶體1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

置換固溶體：溶質(zhì)或雜質(zhì)原子置換溶劑原子。

決定溶質(zhì)原子在溶劑原子中溶解度的因素有：原子尺寸系數(shù)只有溶質(zhì)與溶劑原子的原子半徑相差不到±15%時(shí)，兩者形成的固溶體中才會(huì)溶入較多的溶質(zhì)原子。晶體結(jié)構(gòu)為了得到較大的固溶度，兩種金屬的晶體結(jié)構(gòu)必須相同。電負(fù)性兩種金屬元素的電負(fù)性相差越大，這兩種金屬越容易形成金屬間化合物而是置換固溶體?；蟽r(jià)當(dāng)其他因素相同時(shí)，溶劑更容易溶解具有較高化合價(jià)的溶質(zhì)原子。1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

置換固溶體舉例：

銅和鎳混合形成的固溶體就是置換固溶體，這兩種元素以任何比例混合都是完全互溶。原子尺寸系數(shù)

銅和鎳的原子半徑分別為0.128nm和0.125nm。晶體結(jié)構(gòu)

銅和鎳均為FCC晶體結(jié)構(gòu)。電負(fù)性

銅和鎳的電負(fù)性分別為1.9和1.8。化合價(jià)

銅最常見(jiàn)的價(jià)態(tài)為+1，鎳最常見(jiàn)的價(jià)態(tài)為+2。1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

間隙固溶體：溶質(zhì)或雜質(zhì)原子填充于溶劑原子（基質(zhì)原子）的間隙位置。

間隙雜質(zhì)原子的直徑必須遠(yuǎn)小于基質(zhì)原子，才容易形成間隙固溶體。通常，間隙雜質(zhì)原子的最大可溶濃度較低（小于10%）。

即使是非常小的間隙雜質(zhì)原子，其體積往往也大于間隙位置的大小，因此間隙雜質(zhì)原子會(huì)引發(fā)其周?chē)|(zhì)原子的晶格畸變。

比如，碳原子添加到鐵中時(shí)會(huì)形成間隙固溶體，其最大添加濃度約為2.11%，碳原子的原子半徑遠(yuǎn)小于鐵：0.071nm對(duì)0.124nm。

C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的間隙固溶體分別為鐵素體或奧氏體。

固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入，使晶格發(fā)生畸變。晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬滑移變形變得困難，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、硬度升高。1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

2.金屬化合物

合金組元的原子按一定比例和一定位置關(guān)系相互作用形成的晶格類型和晶格特征完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物，屬于單相組織。

金屬化合物一般熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。合金中含有金屬化合物時(shí)，其強(qiáng)度、硬度、耐磨性提高，但塑性、韌性下降。

鐵碳合金中的滲碳體（Fe3c）屬于金屬化合物，F(xiàn)e3c的結(jié)構(gòu)既不是鐵的結(jié)構(gòu)，也不是碳的結(jié)構(gòu)，而是其自身的一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通常作為強(qiáng)化相以片狀、粒狀、網(wǎng)狀等分布在鐵素體基體上。粒狀滲碳體網(wǎng)狀滲碳體1.2

合金的晶體結(jié)構(gòu)

3.機(jī)械混合物

當(dāng)組成合金的各組元在固態(tài)下既不相互溶解，又不形成化合物，而是按一定質(zhì)量比、以混合物方式存在的結(jié)構(gòu)形式稱為機(jī)械混合物。機(jī)械混合物可以是純金屬、固溶體或金屬化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。

機(jī)械混合物不是單相組織，組成混合物的各相均保持自身原有的晶體結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能介于各相之間，取決于各相的性能和比例，并且與各相的形狀、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。機(jī)械混合物：鐵素體片與滲碳體片交替排列的片狀珠光體組織二、金屬的結(jié)晶2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

金屬在固態(tài)下一般都是晶體，即原子在空間呈規(guī)律性排列；而在液態(tài)下，金屬原子的排列并不規(guī)則。

金屬的結(jié)晶就是金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)程，也就是金屬原子從不規(guī)則排列過(guò)渡到規(guī)則排列的過(guò)程。

在溫度T0以上時(shí)，液態(tài)金屬的溫度是均勻下降的；當(dāng)冷卻到低于T0的某一個(gè)溫度Tn時(shí)，液態(tài)物質(zhì)開(kāi)始結(jié)晶。冷卻曲線上為什么會(huì)出現(xiàn)一水平線段？因?yàn)榻Y(jié)晶時(shí)放出的結(jié)晶潛熱保持系統(tǒng)溫度不變，即在曲線上出現(xiàn)“平臺(tái)”（潛熱：物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)，在溫度不變化時(shí)吸收或放出的熱量）。2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

只有當(dāng)結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到一定值時(shí)，結(jié)晶過(guò)程才能進(jìn)行。所以，結(jié)晶的必要而且充分的條件是具有一定的過(guò)冷度。

過(guò)冷度越大，液態(tài)和固態(tài)之間能量狀態(tài)差就越大，促使液體結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力就越大。液態(tài)物質(zhì)要結(jié)晶，就必須冷卻到溫度T0以下，即必須冷卻到低于T0以下的某個(gè)溫度Tn才能結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷。T0：理論結(jié)晶溫度Tn：實(shí)際結(jié)晶溫度ΔT=T0-Tn（過(guò)冷度）

過(guò)冷度的大小與冷卻速度密切相關(guān)。冷卻速度越快，實(shí)際結(jié)晶溫度就越低，過(guò)冷度就越大；反之，冷卻速度越慢，過(guò)冷度越小。2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

ΔG*ΔG*——活化自由能，是形成穩(wěn)定晶核所需要的最小自由能，也稱為形核過(guò)程的能量勢(shì)壘；2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

結(jié)晶溫度越低，過(guò)冷度越大，臨界晶核半徑越小。也就說(shuō)，過(guò)冷度越大，尺寸很小的晶核就可能成立和成長(zhǎng)。在過(guò)冷度較小時(shí)，形核率很小，是因?yàn)樗栊魏斯^大。當(dāng)過(guò)冷度增加時(shí)，形核率隨之增大。但當(dāng)過(guò)冷度太大時(shí)，由于原子擴(kuò)散困難，形核率隨之下降。2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程是遵循“晶核不斷形成和長(zhǎng)大”這個(gè)結(jié)晶基本規(guī)律進(jìn)行的。

當(dāng)液相過(guò)冷至實(shí)際結(jié)晶溫度后，經(jīng)過(guò)一段孕育期，在液相內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)許多有序排列的小原子團(tuán)，稱之為晶胚。當(dāng)晶胚達(dá)到某一臨界尺寸后，就成為可以穩(wěn)定存在并自發(fā)長(zhǎng)大的晶核，這一過(guò)程稱為形核。原子團(tuán)形核

晶核長(zhǎng)大小晶粒晶粒（外形不規(guī)則的小晶體）2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

在金屬結(jié)晶過(guò)程中，形核有兩種形式：

1.自發(fā)形核（均質(zhì)形核），即晶體核心是從液體結(jié)構(gòu)內(nèi)部自發(fā)長(zhǎng)出的；

2.非自發(fā)形核（異質(zhì)形核），即晶核依附于金屬內(nèi)存在的難溶固體微粒而生成。

通常自發(fā)形核和非自發(fā)形核是同時(shí)存在的，在實(shí)際金屬和合金中，非自發(fā)形核比自發(fā)形核更重要，往往起優(yōu)先及主導(dǎo)作用。2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

在實(shí)際結(jié)晶過(guò)程中，晶核在液體的許多地方獨(dú)立形成，并有隨機(jī)的位向。然后，每個(gè)晶核不斷生長(zhǎng)直到相互交接為止。

由于相鄰晶核中原子排列位向不同，因此各晶核生長(zhǎng)的結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的單晶，而形成由許多連續(xù)的小晶塊組成的多晶體，這些小晶塊即為晶粒，而分開(kāi)各晶粒的界面就是晶界。Al7SiMg合金凝固過(guò)程形核模型建立及枝晶生長(zhǎng)過(guò)程數(shù)值模擬

單晶體：若原子呈周期重復(fù)排列，且貫穿于整個(gè)樣品沒(méi)有中斷。單晶中所有晶胞以相同的方式連接，并且具有相同的方向。2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

金屬晶粒的粗細(xì)對(duì)其力學(xué)性能影響很大。一般來(lái)說(shuō)，

同一成分的金屬，晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度、硬度越高，而且塑性和韌性也越好。

由于多晶體中的晶界的變形抗力較大，且每個(gè)晶粒的變形都要受到周?chē)Я５臓恐?，故晶體的室溫強(qiáng)度總是隨著晶粒的細(xì)化（即晶界總面積的增加）而提高。

多晶體的屈服強(qiáng)度σs與晶粒平均直徑之間的關(guān)系可用Hall-Petch公式來(lái)描述：

σ0為阻止位錯(cuò)滑移的晶格摩擦阻力；k為相鄰晶粒位向差對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響系數(shù),也稱晶界阻力，是與材料的種類性質(zhì)以及晶粒尺寸有關(guān)的常數(shù)；d為平均晶粒直徑；σs為屈服強(qiáng)度。2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

細(xì)化金屬晶粒的措施：

（1）提高冷卻速度，增大過(guò)冷度，以增加晶核的數(shù)目。

（2）在金屬澆注之前，向金屬液內(nèi)加入變質(zhì)劑（孕育劑）進(jìn)行變質(zhì)處理，以增加外來(lái)晶核。

（3）在金屬液凝固過(guò)程中采用機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)、電磁攪拌等措施，破碎枝晶，增加晶核數(shù)目，從而細(xì)化晶粒。

（4）采用熱處理或塑性加工的方法，使固態(tài)金屬晶粒細(xì)化。2.1

金屬的結(jié)晶過(guò)程

超聲輔助處理鋁合金A380的顯微組織：樹(shù)枝晶球化等軸晶

金屬在固態(tài)下隨著溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。2.2

純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1538℃1394℃912℃室溫δ-Feγ-Feα-Fe體心立方面心立方體心立方

為了區(qū)別由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的初次結(jié)晶，常將同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下進(jìn)行的，因此轉(zhuǎn)變需要較大的過(guò)冷度；并且晶格變化會(huì)導(dǎo)致金屬體積發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的意義：純鐵的這種特性也影響到鋼，所以可以對(duì)鋼進(jìn)行各種不同的熱處理，即在加熱和冷卻的過(guò)程中通過(guò)改變其組織（晶體結(jié)構(gòu)），最終達(dá)到改善其性能的目的。2.2

純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

材料人的故事

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器的核心，在現(xiàn)代航空飛行器的發(fā)展中扮演的角色也越來(lái)越重要，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能就必須提升其關(guān)鍵部件——渦輪葉片的性能。單晶渦輪葉片

渦輪葉片由于處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件，并被譽(yù)為“皇冠上的明珠”。

渦輪葉片材料要具有足夠的高溫拉伸強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，要有良好的疲勞強(qiáng)度及抗氧化、耐燃?xì)飧g性能和適當(dāng)?shù)乃苄?。此外，還要求長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性、良好的抗沖擊強(qiáng)度、可鑄性及較低的密度。

除了高溫條件，熱端葉片的工作環(huán)境還處在高壓、高負(fù)荷、高震動(dòng)、高腐蝕的極端狀態(tài)，因而要求葉片具有極高的綜合性能，這就需要葉片采用特殊的合金材料(高溫合金)，利用特殊的制造工藝(精密鑄造加定向凝固)制成特殊的基體組織(單晶組織)，才能最大可能地滿足需要。單晶渦輪葉片

渦輪葉片的發(fā)展經(jīng)歷了細(xì)晶強(qiáng)化、定向凝固和鑄造單晶三個(gè)階段。第三代鎳基單晶高溫合金

單晶渦輪葉片，目前世界上只有美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能夠制造。單晶渦輪葉片

2017年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)航發(fā)航材院李嘉榮團(tuán)隊(duì)

上個(gè)世紀(jì)90年代中期，我國(guó)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片急需高性能材料，從清華攻讀完博士學(xué)位后的李嘉榮和團(tuán)隊(duì)成員默默許下諾言——一定要把先進(jìn)單晶高溫合金和渦輪葉片搞出來(lái)，滿足我國(guó)裝備的急需。

探索總是難免失敗，挫折多了，便有人懷疑技術(shù)方案，有人因?yàn)殡y度大、收入低而離開(kāi)……作為帶頭人的李嘉榮與團(tuán)隊(duì)里的專家卻始終堅(jiān)信：“我們一定能搞出來(lái)?！比?、鐵碳合金相圖及其應(yīng)用

鐵碳合金在液態(tài)時(shí)鐵和碳可以無(wú)限互溶；在固態(tài)時(shí)根據(jù)含碳量的不同，碳可以溶解在鐵中形成固溶體，也可以與鐵形成化合物，或形成固溶體與化合物組成的機(jī)械混合物。3.1鐵碳合金的基本相及組織

1.鐵素體（Ferrite）鐵素體是碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，常用符號(hào)“F”表示。鐵素體的溶碳能力很小，隨著溫度的升高溶碳能力增加，727℃時(shí)溶碳能力最大，達(dá)到0.0218％。0.01%C鐵素體金相圖鐵素體的力學(xué)性能接近純鐵，強(qiáng)度、硬度很低，塑性和韌性很好，所以含有較多鐵素體的鐵碳合金（如低碳鋼），易于進(jìn)行沖壓等塑性變形加工。3.1鐵碳合金的基本相及組織

2.奧氏體（Austenite）奧氏體是碳溶解在γ-Fe中形成的間隙固溶體，常用符號(hào)“A”表示。奧氏體在1148℃時(shí)其溶碳能力最大，達(dá)到2.11％。在單純鐵碳合金中奧氏體存在于727℃以上。

奧氏體的硬度不高，塑性極好，因此通常把鋼加熱到奧氏體狀態(tài)進(jìn)行鍛造。

奧氏體組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。奧氏體金相圖3.1鐵碳合金的基本相及組織

3.滲碳體（Cementite）滲碳體是鐵和碳形成的金屬化合物Fe3C。滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，其硬度高(>800HBW)，脆性大，塑性很差。

滲碳體是碳鋼中主要的強(qiáng)化相，根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)。它的形狀、數(shù)量與分布等對(duì)鋼的性能有很大的影響。

滲碳體又是一種亞穩(wěn)定相，在一定的條件下會(huì)分解形成石墨狀的自由碳和鐵，即Fe3C→3Fe+C（石墨）。滲碳體金相圖（條狀）3.1鐵碳合金的基本相及組織

4.珠光體（Pearlite）珠光體是鐵素體和滲碳體兩相組織的機(jī)械混合物，常用符號(hào)“P”表示。珠光體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%。，其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。

常見(jiàn)的珠光體形態(tài)是鐵素體與滲碳體片層相間分布的，片層越細(xì)密，強(qiáng)度越高。片狀珠光體金相圖高碳鋼經(jīng)球化退火后得到球狀（粒狀）珠光體金相圖3.1鐵碳合金的基本相及組織

5.萊氏體（Ledeburite）

萊氏體是奧氏體+滲碳體的機(jī)械混合物，727℃以下時(shí)，是珠光體+滲碳體機(jī)械混合物。

鑄鐵合金溶液含碳量在2.11%以上時(shí)，緩慢冷到1148℃便凝固出共晶萊氏體；1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體（Ld）；727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體（Ld’）。萊氏體的力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差，幾乎為零。金相組織整體呈蜂窩狀，奧氏體分布在滲碳體的基體上。萊氏體金相圖3.2鐵碳合金相圖分析

1.二元合金相圖

把各合金的結(jié)晶開(kāi)始溫度點(diǎn)連接起來(lái)，即為液相線；把結(jié)晶終了溫度點(diǎn)連接起來(lái)，即為固相線。這樣就構(gòu)成了Pb-Sb二元合金相圖。2.鐵碳合金相圖分析滲碳體的熔點(diǎn)1227共晶點(diǎn)共析線A1共析點(diǎn)純鐵的熔點(diǎn)1538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線912FeFe3C鋼鑄鐵共析鋼亞共析鋼過(guò)共析鋼共晶鑄鐵亞共晶鑄鐵過(guò)共晶鑄鐵3.2鐵碳合金相圖分析

2.鐵碳合金相圖分析3.2鐵碳合金相圖分析

2.鐵碳合金相圖分析ACD線—液相線

不同成分鐵碳合金開(kāi)始結(jié)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(jié)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(shí)，在1148℃由液態(tài)合金同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，此反應(yīng)稱為共晶反應(yīng)。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(shí)，在727℃同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，此反應(yīng)稱為共析反應(yīng)。3.2鐵碳合金相圖分析

2.鐵碳合金相圖分析GS線—（A3線）

冷卻時(shí)奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線。ES線—（Acm線）

碳在奧氏體中的溶解度線，實(shí)際上是冷卻時(shí)由奧氏體中析出二次滲碳體的開(kāi)始線。PQ線

碳在鐵素體中的溶解度曲線。3.2鐵碳合金相圖分析

3.兩種反應(yīng)共晶反應(yīng)（EutecticReactions）：一定成分的液相在一定的溫度下同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)均不相同的固相的反應(yīng)。1148℃L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反應(yīng)的產(chǎn)物即萊氏體（Ld）3.2鐵碳合金相圖分析

3.兩種反應(yīng)共析反應(yīng)（Eutectoid

Reactions）一定成分的固相在一定的溫度下同時(shí)析出兩種成分和結(jié)構(gòu)均不相同的新的固相的反應(yīng)。共析反應(yīng)的產(chǎn)物即珠光體（P）A0.77%c

727℃3.2鐵碳合金相圖分析

4.典型鐵碳合金相圖的結(jié)晶過(guò)程分析3.2鐵碳合金相圖分析

4.典型鐵碳合金相圖的結(jié)晶過(guò)程分析

（1）共析鋼(wc=0.77%)

結(jié)晶過(guò)程：L→L+A→A→P

相組成物：F和Fe3C

共析鋼室溫組織：100%的P，鐵素體和滲碳體相的相對(duì)重量比為8:1。共析鋼典型金相圖3.2鐵碳合金相圖分析

（2）亞共析鋼(0.0218%＜wc＜0.77%)

結(jié)晶過(guò)程：L→L+A→A→A+F→P+F

相組成物：F和Fe3C

亞共析鋼室溫平衡組織：先析鐵素體（F）+珠光體（P），P的量隨含碳量增加而增加。亞共析鋼典型金相圖3.2鐵碳合金相圖分析

（3）過(guò)共析鋼(0.77%＜wc＜2.11%)

結(jié)晶過(guò)程：L→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII

相組成物：F和Fe3C

共析鋼室溫組織為：珠光體（P）+二次滲碳體（Fe3CⅡ），F(xiàn)e3CⅡ沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使材料的整體脆性加大。過(guò)共析鋼典型金相圖3.2鐵碳合金相圖分析

（4）共晶鑄鐵(wc=4.3%)

結(jié)晶過(guò)程：L→Ld→Ld′

相組成物：F和Fe3C

共析鋼室溫組織為：低溫萊氏體（Ld’）共晶鑄鐵典型金相圖3.2鐵碳合金相圖分析

（5）亞共晶鑄鐵(2.11%＜wc＜4.3%)

結(jié)晶過(guò)程：L→L+A→A+Ld→A+Fe3CII+Ld→P+Fe3CII+Ld’

相組成物：F和Fe3C

亞共晶鑄鐵室溫組織為：珠光體（P）+二次滲碳體（Fe3CⅡ）+低溫萊氏體（Ld’）亞共晶鑄鐵典型金相圖3.2鐵碳合金相圖分析

（5）過(guò)共晶鑄鐵(4.3%＜wc＜6.69%)

結(jié)晶過(guò)程：L→L+Fe3CI→Ld+Fe3CI→Fe3CI+Ld’

相組成物：F和Fe3C

亞共晶鑄鐵室溫組織為：一次滲碳體（Fe3CI）+低溫萊氏體（Ld’）過(guò)共晶鑄鐵典型金相圖3.2鐵碳合金相圖分析

5.碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響

（1）碳量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響

鐵碳合金隨含碳量增高，其組織發(fā)生如下變化：3.2鐵碳合金相圖分析

5.碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響

（1）碳量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響

隨著含碳量的增加，鐵素體的量越來(lái)越少，滲碳體的量會(huì)越來(lái)越多，其相組成和組織組成都會(huì)發(fā)生變化，不僅其組織中的滲碳體的數(shù)量增加，而且滲碳體的分布和形態(tài)也在發(fā)生變化。（沿F晶界分布的基片）滲碳體的分布和形態(tài)也在發(fā)生變化:（分布在鐵素體內(nèi)的片層狀）→共析（沿A晶界呈網(wǎng)狀分布）→（為萊氏體的基體）→共晶（分布在萊氏體上的粗大片狀）→3.2鐵碳合金相圖分析

5.碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響

（2）含碳量對(duì)鐵碳合金力學(xué)性能的影響

室溫下鐵碳合金由鐵素體和滲碳體兩個(gè)相組成，鐵素體是軟、韌的相；滲碳體是硬、脆相，當(dāng)兩者以層片狀組成珠光體時(shí)，珠光體兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，即具有較高的硬度、強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。

鐵碳合金中滲碳體是強(qiáng)化相，對(duì)于以鐵素體為基體的鋼來(lái)說(shuō)，滲碳體的數(shù)量愈多，分布愈均勻，其強(qiáng)度愈高。

但如果滲碳體以網(wǎng)狀分布于晶界上或呈粗大片狀，尤其是作為基體時(shí)就使得鐵碳合金的塑性、韌性大大下降，這就是過(guò)共析鋼和白口鑄鐵脆性很高的原因。3.2鐵碳合金相圖分析

5.碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響

（2）含碳量對(duì)鐵碳合金力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高,塑性、韌性下降。0.77%C時(shí),組織為100%P,鋼的性能即P的性能。＞0.9%C，F(xiàn)e3CⅡ?yàn)榫Ы邕B續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基體的Ld’，

脆性高。四、常用的金屬材料及選用4.1碳素鋼

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)按照化學(xué)成分將鋼分為非合金鋼（碳素鋼）、低合金鋼、合金鋼三大類，每類鋼還將按照主要質(zhì)量等級(jí)、主要性能和使用特性分成若干小類。

鋼主要由生鐵冶煉而成，由于其資源廣泛、冶煉方便、容易加工、價(jià)格低廉、性能良好，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。1.雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼性能的影響4.1碳素鋼

碳素鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.5%以下，除C之外，鋼中常存的雜質(zhì)元素有：Mn、Si、S、P等幾種。Mn來(lái)自煉鋼生鐵及脫氧劑錳鐵。Mn在鋼中是一種有益的元素。Mn大部分溶于鐵素體中，并使鐵素體強(qiáng)化；Mn溶于Fe3C中，形成合金滲碳體，使鋼的強(qiáng)度有所提高；Mn能與S形成MnS，能減輕S的有害作用。Si來(lái)自煉鋼生鐵和脫氧劑硅鐵。Si與Mn一樣能溶于鐵素體中，使鐵素體強(qiáng)化，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性提高，而塑性、韌性降低。P是生鐵中帶來(lái)的而在煉鋼時(shí)又未能除盡的有害元素。P在鋼中全部溶于鐵素體中，雖可使鐵素體的強(qiáng)度、硬度有所提高，但卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低，并使鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度有所升高，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為“冷脆”。S是生鐵中帶來(lái)的而在煉鋼時(shí)又未能除盡的有害元素。S不溶于鐵，而以FeS形成存在，F(xiàn)eS會(huì)與Fe形成共晶，并分布于奧氏體的晶界上，壓力加工時(shí)，共晶易熔化，使晶粒脫開(kāi)，剛才變脆，稱為熱脆性。Mn元素Si元素S元素P元素1.雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼性能的影響4.1碳素鋼

雜質(zhì)元素的控制：

在碳鋼中含錳量通常＜0.80%；在含錳合金鋼中，含錳量一般控制在1.0～1.2%范圍內(nèi)。當(dāng)Mn含量不多，在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時(shí)，對(duì)鋼的性能影響并不明顯。

在碳鋼中含硅量通常＜0.35%。當(dāng)Si含量不多，在碳鋼中僅作為少量夾雜存在時(shí)，它對(duì)鋼的性能影響并不顯著。

鋼中含硫量必須嚴(yán)格控制，普通鋼含S量應(yīng)≤0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應(yīng)≤0.040%，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應(yīng)≤0.030%。

普通鋼含磷量應(yīng)≤0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼含磷量應(yīng)≤0.040%，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼含磷量應(yīng)≤0.035%。2.碳素鋼的牌號(hào)和用途4.1碳素鋼

碳素鋼按用途可分為如下三類：

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc<0.38%，而以wc<0.25%的最為常用，即以低碳鋼為主。這類鋼在使用中一般不進(jìn)行熱處理，而是在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用。

碳素結(jié)構(gòu)鋼主要保證力學(xué)性能，牌號(hào)體現(xiàn)力學(xué)性能。用代表屈服強(qiáng)度的“屈”字漢語(yǔ)拼音首字母Q和后面三位數(shù)字來(lái)表示，每個(gè)牌號(hào)中的數(shù)字表示該鋼種厚度小于16mm時(shí)的最低屈服強(qiáng)度（MPa）。

在鋼號(hào)尾部可用A、B、C、D表示鋼的質(zhì)量等級(jí)，A、B、C、D質(zhì)量依次提高，其中A、B為普通級(jí)別，C、D為磷、硫低的優(yōu)等級(jí)別，可用于較重要的焊接結(jié)構(gòu)。

在牌號(hào)的最后還可用符號(hào)標(biāo)志其冶煉時(shí)的脫氧程度，對(duì)未完全脫氧的沸騰鋼標(biāo)以符號(hào)“F”，對(duì)脫氧較完全的鋼標(biāo)以符號(hào)“B”，對(duì)已完全脫氧的鎮(zhèn)靜鋼標(biāo)以符號(hào)“Z”或不標(biāo)符號(hào)。

例如：Q235-A·F表示屈服強(qiáng)度為235MPa的A級(jí)沸騰鋼，Q235-C表示屈服強(qiáng)度為235MPa的C級(jí)鎮(zhèn)靜鋼。2.碳素鋼的牌號(hào)和用途4.1碳素鋼

（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小(<0.035%)，供貨時(shí)既保證化學(xué)成分，又保證力學(xué)性能。這類鋼材一般要經(jīng)過(guò)熱處理以提高力學(xué)性能，主要用于制造機(jī)器零件。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)是采用兩位數(shù)字表示的，表示鋼中平均含碳量的萬(wàn)分之幾。

例如：45鋼表示鋼中含碳量為0.45%；08鋼表示鋼中含碳量為0.08%；若鋼中含錳量較高，須將錳元素標(biāo)出，如45Mn。

08、10、15、20等牌號(hào)屬于低碳鋼，其塑性優(yōu)良，易于拉拔、沖壓、擠壓、鍛造和焊接；有時(shí)也用于滲碳件。

40、45等牌號(hào)屬于中碳鋼，因鋼中珠光體含量增多，其強(qiáng)度、硬度有所提高，而淬火后的硬度提高尤為明顯。45鋼常用來(lái)制造主軸、絲杠、齒輪、連桿、蝸輪、套筒、鍵和重要螺釘?shù)取?/p>

60、65等牌號(hào)屬于高碳鋼，經(jīng)過(guò)淬火、中溫回火后，不僅強(qiáng)度、硬度顯著提高，且彈性優(yōu)良，常用于制造小彈簧、發(fā)條、鋼絲繩、軋輥、凸輪等。4.1碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼工程的應(yīng)用舉例實(shí)例1:用20鋼制造自行車(chē)鏈條銷(xiāo)釘將材料熱軋，并進(jìn)行機(jī)械加工，隨后進(jìn)行920℃的滲碳，水淬后180℃回火。經(jīng)滲碳+淬火+低溫回火后表面硬度高達(dá)60HRC，所以非常耐磨。4.1碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼工程的應(yīng)用舉例實(shí)例2:用45鋼制造凸輪軸熱軋棒料模鍛后正火處理，粗加工后調(diào)質(zhì)處理，精加工后軸頸和凸輪進(jìn)行表面淬火+低溫回火。凸輪軸心部為回火索氏體，強(qiáng)韌性好。表面為回火馬氏體，硬度高達(dá)58HRC，耐磨性好。4.1碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的工程應(yīng)用舉例實(shí)例3:用65鋼制造彈簧

機(jī)加工成形后840℃加熱淬火、500℃回火，組織為回火屈氏體。

屈服強(qiáng)度Rp0.2達(dá)800MPa，彈性好。4.1碳素鋼

（3）碳素工具鋼

碳素工具鋼的含碳量高達(dá)0.7%?1.3%，經(jīng)淬火、低溫回火后有高的硬度和耐磨性，常用于制造鍛工、鉗工工具和小型模具。

碳素工具鋼的牌號(hào)以符號(hào)“T”（“碳”的漢語(yǔ)拼音首字母）開(kāi)始，其后面的一位或兩位數(shù)字表示鋼中平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)。

碳素工具鋼一般均為優(yōu)質(zhì)鋼。對(duì)于硫、磷含量更低的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在數(shù)字后面增加“A”表示，例如，T10A表示平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。

T7、T7A、T8、T8A、T8MnA用于制造要求較高韌性、承受沖擊負(fù)荷的工具，如小型沖頭、鑿子、錘子等。

T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A用于制造要求中韌性的工具，如鉆頭、絲錐、車(chē)刀、沖模、拉絲模、鋸條。

T12、T12A、T13、T13A鋼具有高硬度、高耐磨性，但韌性低，用于制造不受沖擊的工具如量規(guī)、塞規(guī)、樣板、銼刀、刮刀、精車(chē)刀等。4.2低合金鋼

合金鋼是為了改善鋼的某些性能，在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入某些合金元素所煉成的鋼。如果鋼中的含硅量大于0.5%，或者含錳量大于1.0%，也屬于合金鋼。

低合金鋼是指合金總含量較低（小于3%）、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較低的合金結(jié)構(gòu)鋼。這類鋼通常在退火或正火狀態(tài)下使用，成形后不再進(jìn)行淬火、調(diào)質(zhì)等熱處理。

與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的碳素鋼相比，具有較高的強(qiáng)度、塑性、韌性和耐蝕性，且大多具有良好的焊接性，廣泛用于制造橋梁、汽車(chē)、鐵道、船舶、鍋爐、高壓容器、油缸、輸油管、鋼筋、礦用設(shè)備等。

低合金鋼可分為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、低合金耐候鋼、低合金鋼筋鋼、鐵道用低合金鋼、礦用低合金鋼等，其中低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)用最為廣泛。

例如，Q355鋼規(guī)定的最小上屈服強(qiáng)度約為355MPa，而碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的屈服強(qiáng)度約為235MPa，因此，用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼代替碳素結(jié)構(gòu)鋼，就可在相同載荷條件下，使構(gòu)件減重20%?30%，從而節(jié)省鋼材、降低成本。

Q355鋼可用于橋梁、船舶、壓力容器、車(chē)輛等；Q390鋼可用于橋梁、船舶、起重機(jī)、壓力容器等；Q420鋼可用于高壓容器、船舶、橋梁、鍋爐等。4.2低合金鋼

武漢長(zhǎng)江大橋使用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（A3）鋼制造。

我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的南京長(zhǎng)江大橋用強(qiáng)度較高的合金結(jié)構(gòu)鋼Q345（16Mn）鋼制造。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的工程應(yīng)用實(shí)例1:長(zhǎng)江大橋鋼結(jié)構(gòu)九江長(zhǎng)江大橋則用更高強(qiáng)度的合金結(jié)構(gòu)鋼Q420（15MnVN）鋼制造。4.2低合金鋼

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的工程應(yīng)用國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)用鋼為Q460E/Z35。

該材料屈服強(qiáng)度

460MPa，質(zhì)量等級(jí)為E級(jí)：w（P）0.025%、w（S）0.020%。-40℃時(shí)沖擊吸收能量34J。

材料強(qiáng)韌性非常高，可防8級(jí)地震，由我國(guó)自主創(chuàng)新研發(fā)生產(chǎn)。實(shí)例2:“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)。4.3合金鋼

當(dāng)鋼中合金元素超過(guò)低合金鋼的限度時(shí)，即為合金鋼。合金鋼不僅合金元素含量高，且嚴(yán)格控制硫、磷等有害雜質(zhì)的含量，屬于優(yōu)質(zhì)鋼或高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。

1.合金結(jié)構(gòu)鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼常用于制造機(jī)器零件用的合金鋼。常采用的合金元素為Mn、Cr、Si、Ni、W、V、Ti、B等，這些元素可增加鋼的淬透性，并使晶粒細(xì)化，這樣可使大截面零件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，在整個(gè)截面上獲得強(qiáng)、韌結(jié)合的力學(xué)性能。

低碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于滲碳件，中碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于調(diào)質(zhì)件和滲氮件，高碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于制造較大的彈簧。

合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)通常以“數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字”來(lái)表示。牌號(hào)中開(kāi)始的兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，元素符號(hào)及其后的數(shù)字表示所含合金元素及其平均含量的分?jǐn)?shù)。當(dāng)合金元素含量小于1.5%時(shí)，則不標(biāo)其含量。高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金鋼則在牌號(hào)尾部增加符號(hào)“A”。滾動(dòng)軸承鋼的牌號(hào)表示方法與前述不同，在牌號(hào)前面加符號(hào)“G”表示“滾動(dòng)軸承鋼”，而合金元素含量用千分?jǐn)?shù)表示。4.3合金鋼

低碳合金結(jié)構(gòu)鋼（合金滲碳鋼）的工程應(yīng)用機(jī)加工后930℃滲碳，預(yù)冷至880℃