§2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)§2.2金屬的結(jié)晶和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變§2.3合金及其組織§2.4鐵碳合金相圖§2.5鐵碳合金相圖的應(yīng)用

項(xiàng)目2金屬的結(jié)構(gòu)與組織技能目標(biāo)1.了解金相顯微試樣制備原理，初步掌握金相顯微試樣的制備方法。2.能應(yīng)用鐵碳合金相圖，分析不同含碳量的鐵碳合金在不同溫度下的組織，能觀察判斷典型鐵碳合金的顯微金相組織。3.能應(yīng)用鐵碳合金相圖分析鐵碳合金在不同溫度、不同含碳量時(shí)的性能特點(diǎn)和工藝性能。思政目標(biāo)

1.以金相試樣的制備為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生重視實(shí)操，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)和一絲不茍的工匠精神。2.理解組織決定性能，樹立內(nèi)因和外因的辯證關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成自律習(xí)慣。概述1.材料都具有一定的性能且性能之間又有差異2.金屬材料性能差異的來源：（1）化學(xué)成分：對應(yīng)于冶金學(xué)研究（2）組織結(jié)構(gòu)：其改變又源于不同的加工處理工藝所以以上兩點(diǎn)是改善和發(fā)展金屬材料性能的兩個(gè)途徑3.金屬和合金在固體下通常都是晶體，要了解金屬及合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，必須學(xué)習(xí)晶體的結(jié)構(gòu)。晶體——材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。非晶體——原子無規(guī)則堆積，也稱為“過冷液體”。非晶體

(蜂蠟、玻璃等)晶體(金剛石、NaCl、冰等)液體2.1.1晶體與非晶體2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體的特點(diǎn)：

1.晶體排列有規(guī)則的、周期的長程有序晶體非晶體

2.有確定的熔點(diǎn)熔點(diǎn)晶體非晶體時(shí)間溫度晶體和非晶體的熔化曲線晶體熔化時(shí)具有固定熔點(diǎn)（熔點(diǎn)是晶體向非晶體轉(zhuǎn)變的臨界溫度），而非晶體沒有固定熔點(diǎn)，存在一個(gè)軟化溫度范圍。3.各向異性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的現(xiàn)象XYZXYZ晶體具有各向異性的特性,非晶體卻為各向同性。原子（離子）的剛球模型原子中心位置晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式。

2.1.2晶體結(jié)構(gòu)晶胞點(diǎn)陣（晶格）模型晶格—假設(shè)通過原子結(jié)點(diǎn)的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。晶胞—能反映晶格特征的最小組成單元。

晶胞XYZabc晶格常數(shù)a，b，c

晶格常數(shù)—晶胞的三個(gè)棱邊

的長度a，b，c2.1.3常見金屬晶格類型1.體心立方晶格bcc

2.面心立方晶格fcc

3.密排六方晶格hcp1.體心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等晶格常數(shù)：a=b=c；===902.面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等晶格常數(shù)：a=b=c；===903.密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn等晶格常數(shù)：底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角902.1.4金屬實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)的偏離單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體（理想晶體）。如：金剛石、水晶、單晶Si半導(dǎo)體。多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。晶粒（單晶體）多晶體示意圖單晶體與多晶體的性能差異：

單晶體：各向異性

多晶體：不具備各向異性特點(diǎn)

金屬材料一般不具有各向異性

自然界的物質(zhì)通常都能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在。并且在一定的條件下，它們可以發(fā)生互相轉(zhuǎn)變。凝固：一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程的統(tǒng)稱。

液體-->固體（晶體或非晶體）結(jié)晶：物質(zhì)從液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w時(shí)的凝固過程。

液體-->晶體2.2.1金屬的結(jié)晶2.2金屬的結(jié)晶與同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)埸c(diǎn)晶體非晶體時(shí)間溫度晶體和非晶體的凝固曲線第一類凝固反應(yīng)（結(jié)晶轉(zhuǎn)變）：水、液體金屬或合金等第二類凝固反應(yīng)（玻璃質(zhì)轉(zhuǎn)變）：玻璃、聚乙醇、瀝青、松香1.金屬的結(jié)晶熔點(diǎn)時(shí)間溫度純金屬的冷卻曲線（熱分析曲線）液態(tài)固態(tài)利用熱分析裝置，先將結(jié)晶材料（如金屬）放入坩堝加熱熔化成液體，然后插入熱電偶以測量溫度，然液態(tài)金屬緩慢而均勻的冷卻，并用記錄儀將冷卻過程中的溫度和時(shí)間記錄下來，獲得的溫度-時(shí)間曲線如圖所示，這一曲線叫做冷卻曲線（熱分析曲線），這種試驗(yàn)方法叫做熱分析法。冷卻曲線tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度}

T過冷度

T=T0-Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象稱為過冷。2.過冷度金屬不同，過冷度的大小也不同；金屬的純度越高，則過冷度越大。過冷度的大小主要取決于冷卻速度，冷卻速度↑，則過冷度↑，即實(shí)際結(jié)晶溫度↓。

不管冷卻速度多么緩慢，也不可能在理論結(jié)晶溫度進(jìn)行結(jié)晶，即對于一定的金屬來說，過冷度有一最小值，若過冷度小于這個(gè)值，結(jié)晶過程就不能進(jìn)行。2.金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶形核和晶核長大的過程3.晶粒的大小對性能的影響晶粒度——表示晶粒大小，分8級。晶粒度12345678。單位面積晶粒數(shù)（個(gè)/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細(xì)晶強(qiáng)化——晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象一般金屬的晶粒越細(xì)小，其力學(xué)性能越好。細(xì)化晶粒的措施：(1).提高過冷度(2).變質(zhì)處理(3).振動結(jié)晶（1）提高過冷度形核率N、長大速度G與過冷度

T的關(guān)系

TG，NGN過冷度ΔT提高，N提高、G提高過冷ΔT太高，N降低、G降低（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。（3）振動結(jié)晶——機(jī)械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。1.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。-Fe(bcc)-Fe(fcc)-Fe(bcc)1394C912C2.2.2金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

金屬在固態(tài)下隨著溫度的改變，由一種晶格形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格形式的現(xiàn)象，稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬有鐵、鈷、鈦、錫、錳等。2．金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象，又稱重結(jié)晶。與液態(tài)金屬的結(jié)晶相比，相同點(diǎn)：都有一定的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變時(shí)有過冷現(xiàn)象；

放出和吸收潛熱；

形核和長大。不同點(diǎn)：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，新晶格的晶核優(yōu)先在原來晶粒的晶界

處形核；轉(zhuǎn)變需要更大的過冷度；晶格變化伴隨著金屬

體積的變化；轉(zhuǎn)變時(shí)會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。

組元組成合金的獨(dú)立的，最基本的單元稱組元組元可以是純元素，如金屬元素Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，以及非金屬元素C、N、B、O等；也可以是化合物Al2O3、SiO2、ZrO等。材料可以由單一組元組成，如純金屬、Al2O3晶體等，也可以由多種組元組成，如Al-Cu-Mg金屬材料、MgO-Al2O3-SiO2系陶瓷材料。2.3.1合金的基本知識2.3合金及其組織合金

是指由兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或其他方法制成的具有金屬特性的物質(zhì)。由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金。三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金。由三個(gè)以上組元組成的合金稱為多元合金。由一系列相同組元組成的不同成分的合金稱為合金系。合金舉例：碳鋼（carbonsteel）：是鐵與碳所組成的合金。白銅：主要是銅與鎳所組成的合金。黃銅(brass)：是銅與鋅等元素組成的合金。

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(dá)到的一系列機(jī)械特性與理化特性,如高強(qiáng)度

、高硬度、高耐磨性、強(qiáng)磁性、耐蝕性等。相在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。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。由一種固相組成的合金稱為單相合金。由幾種不同固相組成的合金稱為多相合金。合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分，稱為相。亞共析鋼x400過共析鋼x400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。金屬材料性能由組織決定，而組織由化學(xué)成分和工藝過程決定。由不同組織構(gòu)成的材料具有不同的性能。只有一種相組成的組織稱為單相組織。由兩種或兩種以上相組成的組織稱為多相組織。組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料內(nèi)部的微觀形貌。1.固溶體合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同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。固溶體溶劑+溶質(zhì)一種固相能夠保持其原有晶格類型并與固溶體晶格相同的組元稱為溶劑。失去原有晶格類型的組元稱為溶質(zhì)，一般在合金中含量較少。2.3.2合金的組織固溶體的分類：根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，可將固溶體分為：間隙固溶體和置換固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是否有規(guī)律可將固溶體分為：有序固溶體和無序固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度可將固溶體分為：有限固溶體和無限固溶體。溶解度：指溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度。固溶體的性能固溶體與純金屬相比強(qiáng)度、硬度升高。這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。固溶體的強(qiáng)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(jié)構(gòu)合金的基體相固溶體與純金屬相比電阻率上升，導(dǎo)電率下降等。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(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。第二相強(qiáng)化：以金屬化合物作為強(qiáng)化金屬材料的方法。3.混合物

兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組合成的物質(zhì)稱為混合物?；旌衔镏懈鹘M成相仍保持自己的晶格，彼此無交互作用。混合物可以是純金屬、金屬化合物、固溶體之間的混合，其性能主要取決于各組成相的性能、質(zhì)量百分?jǐn)?shù)以及分布狀態(tài)。混合物是多相組織。鐵素體：碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶體。727℃0.02%C

力學(xué)性能：Rm=250MPaHBW=80A=45~50%1.鐵素體（F）2.奧氏體（A）奧氏體：

碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶體。1148℃2.11%C、727℃0.77%℃力學(xué)性能：Rm=250~350MPaHBW=160~200A=40~45%鐵素體的顯微組織示意圖奧氏體的顯微組織示意圖2.4.1鐵碳合金的組織2.4鐵碳合金相圖3.滲碳體（Fe3C）滲碳體—是金屬化合物。6.67%C1227℃力學(xué)性能：Rm=30MPaHBW=800A=0滲碳體在鐵碳合金中常以片狀、球狀、網(wǎng)狀等形式與其它相共存，如能合理利用，滲碳體是鋼中的主要強(qiáng)化相，其形態(tài)、大小、數(shù)量和分布對鋼的性能有很大的影響，另外，在一定條件下它會發(fā)生分解，形成石墨狀的自由碳。4.珠光體（P）5.萊氏體（Le）Ld珠光體—是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。

727℃0.77%℃力學(xué)性能：Rm=750MPaA=25%HBW=180-200良好的綜合力學(xué)性能（較高強(qiáng)度和一定的塑、韌性）Fe3C片狀分布于F基體上，呈貝殼狀。萊氏體—是奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。1148℃4.3%C力學(xué)性能：Rm=30MPaA=0HBW=700問題1問題2AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69FLd

符號溫度（℃）ωC（％）物理意義符號溫度（℃）ωC（％）物理意義A15380純鐵熔點(diǎn)G9120α-Fe←→γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)C11484.30共晶點(diǎn)S7270.77共析點(diǎn)D12276.69滲碳體熔點(diǎn)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度Q室溫0.0008室溫下碳在α-Fe中的溶解度2.4.2鐵碳合金相圖中的特性點(diǎn)、線1.特性點(diǎn)2.特性線AESPQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃Ld727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69FAECF線—固相線ACD線—液相線AE—A析出終了線ECF—共晶線AC—析出ACD—析出Fe3CAL+Fe3CL+F+AA+Fe3CⅡA+LdLd+

Fe3CES線（Acm）—C在γ-Fe中的溶解度曲線。析出二次Fe3CⅡGS線（A3線）—A←→FGP線—F析出終了線。PSK線（A1）—共析線，727℃PQ線—碳在α-Fe中的溶解度曲線。析出三次Fe3CⅢ（1）單相區(qū)：L、F、A、Fe3C（2）兩相區(qū)：L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C（3）三相區(qū)：L+A+Fe3C、A+F+Fe3CF+Fe3C2.4.3典型成分鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及其組織Fe-C合金分類：工業(yè)純鐵——C%≤0.0218%鋼——0.0218%＜C%≤2.11%

亞共析鋼＜0.77%

共析鋼＝0.77%

過共析鋼＞0.77%白口鑄鐵——2.11%＜C%＜6.69%亞共晶白口鐵＜4.3%共晶白口鐵＝4.3%過共晶白口鐵＞4.3%類型亞共析鋼共析鋼過共析鋼鋼號204560T8T10T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％0.200.450.600.801.001.20幾種

常見

碳鋼ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A①1231.工業(yè)純鐵(C%≤0.0218%)結(jié)晶過程45L→L+A→A→F+A→F→F+Fe3CⅢ12345F+Fe3CⅢ工業(yè)純鐵的金相組織室溫組織：F+Fe3CⅢESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A1123231LAAL+P2.共析鋼(C%=0.77%)結(jié)晶過程②(

F

+

共析

Fe3C

)珠光體強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C

和

F

之間。共析鋼室溫組織為P，組成相為F（88%）和Fe3C（12%）。ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A③11234F+P3.亞共析鋼(C%=

0.4%)結(jié)晶過程1LAAL+A+P+F432FFPESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A④1234P+Fe3CⅡ4.過共析鋼(C%=

1.2%)結(jié)晶過程41LL+A+P+Fe3CⅡ23AAFe3CⅡA+Fe3CⅡ網(wǎng)狀滲碳體ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A⑤12Ld’5.共晶白口鐵(C%=

4.3%)結(jié)晶過程1L2LdLd’室溫組織:（低溫）萊氏體Ld′

（P+Fe3CII+

共晶

Fe3C

）,500×萊氏體Ld′的性能：硬而脆ESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+AP+Fe3CⅡ+Ld’⑥1236.亞共晶白口鐵(C%=

3%)結(jié)晶過程1LA+L+LdP+Fe3CⅡ+Ld’A+Fe3CⅡ42A3A+Fe3CⅡ+Ld+Ld室溫組織:Ld′+

P+Fe3CIIESQGKD4.32.110.770.02C%1148℃1538℃727℃PLAF溫度℃912℃CFe3C6.69APLdFAL+Fe3CⅠL+Fe3CⅡF+A⑦1132Fe3CⅠ+Ld’Fe3CⅠ+Ld7.過共晶白口鐵(C%=5%)結(jié)晶過程31L2L+Fe3CⅠFe3CⅠ+Fe3CⅠ+Ld’Ld室溫組織:Ld′+

Fe3CI2.5.1鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系

2.5鐵碳合金相圖的應(yīng)用含碳量與性能關(guān)系HBW：取決于相及相對量強(qiáng)度：C%=0.9%時(shí)最大塑性、韌性：隨C%↑而↓這是由于含碳量增加后，碳鋼中的滲碳體在不斷的增加。但是，含