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1、崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 目 录 0303 金属的结晶 0505 金属的塑性变形与再结晶 0101 金属的晶体结构 0202 合金的结构 0404 二元合金相图和铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.1 金属的晶体结构 原子（离子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物体称为晶体 原子（离子或分子）在三维空间无规则排列的物体称为非晶体 晶体与非晶体在性能上的区别 晶体具有固定的熔点，且在不同方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。而非晶体没有固定的熔点，在各个方向上的原子聚集密度大致相同，表现出各向同性。陕西航空职业
2、技术学院陕西航空职业技术学院 1基本概念 2.1.1纯金属的晶体结构 人们把原子看成一个个刚性小球，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的物体。如图2.1所示。（1）晶格 为研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架，简称晶格，如图2.2所示。图2.1 原子刚性球模型 图2.2 晶格的质点模型 2.1 金属的晶体结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）晶胞 能够完全反映晶格特征的最小的几何单元称为晶胞，如图2.3所示。晶胞在三维空
3、间的重复排列构成晶格。（3）晶格常数 不同元素的原子半径大小不同。在组成晶胞后，晶胞的大小是不相同的，晶胞和形状可用棱边长度a、b、c及棱边夹角、来表示。晶胞的棱边长度称为晶格常数，以埃()为单位来表示(1=10-8cm)，如图2.4所示。图2.3 晶胞模型 图2.4 晶格常数 1基本概念 2.1.1纯金属的晶体结构 2.1 金属的晶体结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2常见金属的晶格类型（1）体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图2.5所示。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)8+1=2个。属于体
4、心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、铁(-Fe)等。图2.5 体心立方晶格 2.1.1纯金属的晶体结构 2.1 金属的晶体结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图2.6所示。每个晶胞中实际含有的原子数为（1/8）8+6（1/2）=4个。具有面心立方晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、铁(-Fe)等。图2.6 面心立方晶格 2常见金属的晶格类型 2.1.1纯金属的晶体结构 2.1 金属的晶体结构
5、陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是个正六棱柱体，在正六棱柱的12个角上分布12个金属原子，上、下底面的中心各分布1个原子，上、下底面之间均匀分布3个原子，如图2.7所示。每个晶胞中实际含有的原子数为（1/6）12+（1/2）2+3=6个。该晶胞要用两个晶格常数表示，上、下底面的正六边形的边长a，两底面之间的距离为c，c/a=1.633；两相邻侧面夹角为120，侧面与底面的夹角为90。具有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)等。图2.7 密排六方晶格 2常见金属的晶格类型 2.1.1纯金属的晶体结构 2.1 金属的晶体结构 陕西航
6、空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.多晶体结构 实际工程上用的金属材料都是由许多颗粒状的小晶体组成，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，这种不规则的、颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2.8所示。绝大多数情况下，金属材料都是多晶体结构。图2.8 金属的多晶体结构 2.1.2实际金属的晶体结构 2.1 金属的晶体结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）点缺陷 空位、间隙原子和置换原子，如图2.9所示。在晶体中由于点缺陷的存在，将引起周围原子间的作用力失去平衡，使其周围原子向缺陷处靠拢或被撑开，从而
7、晶格发生歪扭，这种现象称为晶格畸变。晶格畸变会使金属的强度和硬度提高。2.晶体缺陷 2.1.2实际金属的晶体结构（a）空位 （b）间隙原子 （c）小置换原子 （d）大置换原子 图 2.9 点缺陷 2.1 金属的晶体结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）线缺陷，线缺陷即位错。位错有刃型位错和螺型位错两种。（a）刃型位错 （b）螺型位错 图2.10 位错示意图 晶体中位错的存在，对晶体力学性能将产生很大的影响。若金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度ReL很高，当含有一定量的位错时，强度降低，当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度ReL将会增高。如图2.11所示 图2.
8、11 位错密度与强度关系示意图 2.晶体缺陷 2.1.2实际金属的晶体结构 2.1 金属的晶体结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面称为晶界，它是不同位向的晶粒的过渡区，其宽度约为510个原子间距。晶界区域的晶粒的位向通过晶界的协调逐步过渡到相邻晶粒的位向，如图2.12a所示。晶粒内部位向差极小的亚晶粒之间的界面称为亚晶界，它是晶粒内部的一种面缺陷，如图2.12b、c所示。（a）晶界示意图 (b)亚晶界示意图 (c)亚晶界与亚晶粒示意图 图2.12 晶界与亚晶界意图 晶界和亚晶界的原子排列都不规则，会产生晶格畸变，阻碍位错运动，提高金属的强度。（3
9、）面缺陷 2.晶体缺陷 2.1.2实际金属的晶体结构 2.1 金属的晶体结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1基本概念（1）合金 由两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。（2）组元 组成合金的最基本的独立的物质，叫组元（简称元）。一般来说，组元就是组成合金的元素。（3）相 合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀组成部分叫做相。（4）组织 在金相显微镜下观察可以看到的金属材料内部的微观形貌称为显微组织（简称组织）。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。2.2 合金的结构 陕西航空职业技术学
10、院陕西航空职业技术学院 2合金的相结构（1）固溶体 当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。1）固溶体的分类 按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类，如图2.13所示。间隙固溶体 若溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而是处于各结点间的空隙中，则这种形式的固溶体称为间隙固溶体。置换固溶体 若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中的某些结点位置，则这种类型的固溶体称为置换固溶体。(a)间隙固溶 (b)置换固溶体 图2.13 固溶体的两种类型 2.2 合金的结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2）固溶体
11、的性能 由于溶质原子溶解到溶剂中，使固溶体的晶格发生畸变，位错移动时所受到的阻力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，从而使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。2合金的相结构 2.2 合金的结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）金属化合物 凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，称为金属化合物。金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型。正常价化合物 组成正常价化合物的元素是严格按原子价规律结合的，因而其成分固定不变，并可用化学式表示，如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常价化合物具有高的硬度和脆性。电子化合物 电
12、子化合物不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度比组成一定晶格结构的化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，但塑性很差。2合金的相结构 2.2 合金的结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）金属化合物 间隙化合物 间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）所组成。间隙化合物又可分为两类，一类是具有简单晶格结构的间隙化合物，也称为间隙相，如VC、WC、TiC等。另一类是具有复杂晶格结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。间隙化合物具有极高的硬度和熔点，而且十分稳定，尤其是间隙
13、相更为突出。表2.1合金的相结构特征 类别类别 分类分类 在合金中的位置及作用在合金中的位置及作用 力学性能特点力学性能特点 固溶体 置换固溶体、间隙固溶体 基体相，提高塑性及韧性 塑、韧性好，强度比纯组元高 金属化合物 正常价化合物、电子价化合物、间隙化合物 强化相，提高强度、硬度及耐磨性 熔点高、硬度高、脆性大 2合金的相结构 2.2 合金的结构 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.纯金属的冷却曲线和过冷现象（1）纯金属的冷却曲线 液态金属的结晶过程可用热分析法来研究，即将金属加热到熔化状态，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，直至冷却到室温，然后将测量数据
14、画在温度时间坐标图上，便得到一条金属在冷却过程中温度与时间的关系曲线，图2.15所示，这条曲线称为冷却曲线。图2.15 纯金属的冷却曲线示意图 2.3.1纯金属的结晶 2.3 金属的结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）过冷现象及过冷度 金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用T表示，即T=T0-Tn。金属结晶时的过冷度的大小与冷却速度、金属的性质和纯度等因素有关。冷却速度愈大，过冷度就愈大，金属的实际结晶温度就愈低。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，所以，过冷是金属结晶的必要条件。1.纯金属的冷却曲线和过冷现象 2.3
15、.1纯金属的结晶 2.3 金属的结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.结晶的一般过程 液态金属的结晶是由形核和长大两个密切联系的过程来实现的，如图2.16所示。图2.16 金属结晶过程示意图 2.3.1纯金属的结晶 2.3 金属的结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 3.控制晶粒大小的措施（1）增大过冷度 金属结晶时的冷却速度愈大，则过冷度愈大。实践证明，增加过冷度，使金属结晶时形成的晶核数目增多，则结晶后获得细晶粒组织。（2）变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中人为地加入少量被称为变质剂的物质，以起到促进形核的作用，使结晶时晶核数目增多，从而使晶粒细化。（3）附加
16、振动 在金属结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，使正在长大的晶体折断、破碎，也能增加晶核数目，从而细化晶粒。2.3.1纯金属的结晶 2.3 金属的结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.3.2金属的铸锭组织 2.3 金属的结晶 金属铸锭（铸件）组织一般是由三部分组成，分别为表层细晶粒区、中间柱状晶粒区和中心等轴晶粒区，如图2.17所示。图2.17 铸锭结构示意图（1）表层细晶粒区 表层金属液受到模壁的急剧冷却，金属液依附模壁异质形核，产生大量的晶核，在表层形成一层厚度很薄的细晶粒层。（2）中间柱状晶粒区 细晶粒区形成后，铸锭受垂直于模壁散热的影响，晶轴与模壁垂直的
17、晶粒，优先得到生长；晶轴与模壁倾斜的晶体生长受到阻碍，不能长大，从而形成中间柱状晶粒区。（3）中心等轴晶粒区 当柱状晶进发展到一定程度，过冷度较小，形核率较低，形成较粗大的中心等轴晶粒区。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.二元合金相图的建立 以Cu-Ni合金为例，介绍用热分析法测定相图的基本步骤：配制一系列不同成分的Cu-Ni合金，分别熔化后测出它们的冷却曲线；找出各冷却曲线上的临界点温度，即相变温度，它们是冷却曲线上的转折点和停歇点；将各临界点标在温度-成分坐标系中相应的位置上；连接各相同意义的临界点，得到成分、温度和组织之间关系的图形，如图2.18 所示。图2.18 Cu-Ni
18、合金相图的建立 2.4.1二元合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 合金相图又称合金状态图或合金平衡图。它是表示在平衡条件下，合金成分、温度和组织之间关系的图形。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1）匀晶相图 匀晶相图是两组元在液态和固态均能无限互溶的合金相图，如Cu-Ni、Au-Ag、Cr-Mo、Cd-Mg等合金系均能形成匀晶相图。图2.19 Cu-Ni合金相图及冷却曲线 2.基本相图 2.4.1二元合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2）共晶相图 共晶相图是指合金的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶解并发生共晶转变的相图，
19、以Pb-Sn合金为例，如图2.20。图2.20 Pb-Sn合金相图 2.基本相图 2.4.1二元合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 3.合金性能与相图的关系（1）合金的使用性能与相图的关系 固溶体和化合物是合金的基本相，固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶入越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻率越大。相图与合金物理、力学性能之间的关系，如图2.24所示。(a)匀晶相图 (b)共晶相图 (c)稳定化合物相图 图2.24 相图与合金物理、力学性能之间的关系的关系 2.4.1二元合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技
20、术学院陕西航空职业技术学院 （2）合金的工艺性能与相图的关系 纯组元和共晶成分的合金流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线间隔越小，则液体合金结晶温度范围越窄，铸造性能越好。液相线和固相线间隔大时，则形成枝晶，偏析倾向大。同时，先结晶出的枝晶阻碍后结晶液体的流动，从而降低液态金属的流动性，形成分散孔洞（分散缩孔或缩松）。所以，铸造常选用共晶或接近共晶成分的合金。合金流动性及缩孔性质与相图的关系，如图2.25所示。(a)匀晶相图 (b)共晶相图 图2.25 合金流动性及缩孔性质与相图的关系 3.合金性能与相图的关系 2.4.1二元合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航
21、空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）合金的工艺性能与相图的关系 单相固溶体变形抗力小，变形均匀，不易开裂，变形能力大，所以单相固溶体合金具有较好的塑性和锻造性能。当合金为两相混合物时，其塑性变形能力差，特别是当组织中含有较多的金属化合物时更是如此。一般情况下，单相固溶体的切削加工性能较差。当合金为两相混合物时，其切削加工性能好于单相固溶体。3.合金性能与相图的关系 2.4.1二元合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 FeFe3C相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形。由于碳的质量分数
22、超过6.69%的铁碳合金脆性很大，无实用价值，所以，对铁碳合金相图仅研究FeFe3C部分。此外，在相图的左上角靠近Fe部分还有一部分高温转变，由于实用意义不大，将其简化。简化后的FeFe3C相图如图2.26所示。图2.26 简化的Fe-Fe3C相图 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 Fe-Fe3C相图的组元 Fe：过渡族元素，熔点1538，密度7.84g/cm3，纯铁有同素异构转变（同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构，当温度等外界条件变化时晶格类型会发生转变）。bcc fcc bcc Fe-Fe-Fe-C912C1394
23、Fe3C：铁和碳组成的复杂结构的间隙化合物，又叫渗碳体。2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.基本相与组织 基本相与组织基本相与组织 定义定义 力学性能力学性能 溶碳量溶碳量 铁素体F（）碳溶于-Fe中的间隙固溶体 强度、硬度不高，塑性、韧性良好 最大为0.0218%奥氏体A（）碳溶于-Fe中的间隙固溶体 强度、硬度较低，塑性、韧性良好 最大为2.11%渗碳体（Fe3C）Fe与C的金属化合物 硬而脆，塑性和韧性几乎为零 6.69%珠光体P F+Fe3C 塑性、韧性和硬度介于铁素体和渗碳体之间，强度大于任何一种组成相 0.77%莱
24、氏体 高温莱氏体Ld A+Fe3C共晶 强度小，塑性、韧性很差，脆而硬 4.3%低温莱氏体Ld P+Fe3CII+Fe3C共晶 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 纯铁熔点 共晶点 渗碳体熔点 共析点 碳在奥氏体中最大溶解度 碳在-Fe中最大溶解度 -Fe、-Fe转变点 简化的Fe-Fe3C相图 室温下，碳在-Fe中的溶解度，仅为 0.0008%（1）特征点 CFeL3EcCFeF3PS3.Fe-Fe3C相图分析 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 符号符号 温度温度
25、/碳含量碳含量(%)含义含义 A 1538 0 纯铁的熔点 C 1148 4.30 共晶点LcAE+Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔点 E 1148 2.11 碳在-Fe中的最大溶解度 F 1148 6.69 共晶生成Fe3C的成分 G 912 0-Fe-Fe同素异构转变点 P 727 0.0218 碳在-Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点AsFP+Fe3C Q 室温 0.0008 室温下，碳在铁素体中的溶解度点 铁碳合金相图各特性点的说明 3.Fe-Fe3C相图分析（1）特征点 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空
26、职业技术学院 固相线 共晶线 共析线，亦称A1线 固溶转变开始线，亦称A3线 碳在 -Fe中的固溶线ES，亦称Acm线 碳在-Fe中的固溶线 简化的Fe-Fe3C相图 固溶转变终了线（2）特征线 3.Fe-Fe3C相图分析 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 液相线（ACD线）固相线（AECF线）水平线 共晶线：ECF线 共析线：PSK线 其它线 GS线，GP线：固溶体转变线。ES：碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ：碳在-Fe中的固溶线。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 铁碳合金相图各特性线的说明 特征线特征线 名称名称 含义含义 ACD线 液相线 此线以
27、上的区域是液相区，液态合金冷却到此线温度时，便开始结晶。AECF线 固相线 表示合金冷却到此线温度时将全部结晶成固态。ECF线 共晶线 合金在平衡结晶过程中冷却到1148时，C点成分的液相发生共晶反应，生成E点成分的奥氏体和Fe3C。PSK 线 共析线（A1线）合金在平衡结晶过程中冷却到727时，S点成分的奥氏体发生共析反应，生成P点成分的铁素体和Fe3C。ES线 Acm线 碳在奥氏体中的溶解度线，随温度升高，溶解度增大；含碳量在0.77%2.11%之间，冷却时，从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度；加热时，二次渗碳体完全溶入奥氏体中的温度。PQ 线 溶解度线 碳在铁素体中的溶解度；随温度升高，
28、最大溶解度增大；含碳量在0.0008%0.0218%之间；冷却时，从铁素体中开始析出三次渗碳体的温度；加热时，三次渗碳体完全溶入铁素体的温度。GS线 A3线 冷却时，由奥氏体向铁素体转变的开始线；加热时，铁素体完全转变为奥氏体的线。3.Fe-Fe3C相图分析（2）特征线 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 L L+A A A+Fe3CII F+A A+Fe3CII+Ld P+Fe3CII+Ld P+Fe3CII P+F Ld Ld L+Fe3CI Ld+Fe3CI Ld+Fe3CI F P F+Fe3CIII 简化的Fe-Fe3C
29、相图（3）组织组成物标注 3.Fe-Fe3C相图分析 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 简化的Fe-Fe3C相图 工业纯铁 亚共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 共析钢 共晶白口铸铁 4.铁碳合金的分类 铁碳合金 工业纯铁 碳钢 共析钢 亚共析钢 过共析钢 白口铸铁 共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 LL+Fe3C 相组成物：（F）+Fe3C C%0.0008%（F）C%
30、0.0008%组织组成物：F+Fe3C（1）工业纯铁的结晶过程及组织 工业纯铁结晶过程示意图 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）工业纯铁的结晶过程及组织 铁素体呈白色块状，三次渗碳体量极少，呈小白片状分布于铁素体晶界处。5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 工业纯铁组织金相图（热轧退火）2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 L L+P P 相组成物：（F）+Fe3C 组织组成物：P（100%）（2）共析钢的结晶过程及组织 共析钢结晶
31、过程示意图 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）共析钢的结晶过程及组织 显微镜放大倍数较高时，能清楚地看到铁素体和渗碳体呈片层状交替排列的情况。由于珠光体中渗碳体量较铁素体少，因此渗碳体层片较铁素体层片薄。珠光体的显微组织 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织（a）低倍放大（b）高倍放大 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 LL+P+P+相组成物：（F）+Fe3C 组织组成物：（F）+P（3）亚共析钢的结晶过程及组织 亚共析钢结晶过
32、程示意图 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）亚共析钢的结晶过程及组织 亚共析钢的室温组织是由铁素体和珠光体组成。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体，这是因为放大倍数较低，无法分辨出珠光体中的层片，故呈黑色。(a)wc=0.1%(b)wc=0.25%(c)wc=0.6%(b)亚共析钢的显微组织（热轧退火）5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 LL
33、+Fe3C+P+Fe3CP+Fe3C 相组成物：（F）+Fe3C 组织组成物：P+Fe3CII（4）过共析钢的结晶过程及组织 过共析钢结晶过程示意图 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （4）过共析钢的结晶过程及组织 过共析钢的室温组织都是由珠光体和二次渗碳体组成。随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。左图中层片状黑白相间的组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。过共析钢的显微组织 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织（a）T12钢，980 退火 硝酸+酒精腐蚀（b）T12钢，980 退火 碱性苦味酸钠腐蚀 2.4.2
34、铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 LL+LdLd(+Fe3C共晶)Ld(+Fe3C+Fe3C共晶)Ld(P+Fe3C+Fe3C共晶)相组成物：（F）+Fe3C 组织组成物：Ld（100%）（5）共晶白口铸铁的结晶过程及组织 共晶白口铸铁结晶过程示意图 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （5）共晶白口铸铁的结晶过程及组织 共晶白口铸铁的显微组织为低温莱氏体。图中黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体。5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 共晶白口铸铁
35、室温平衡状态显微组织（铸态）2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 LL+L+Ld+Fe3C+LdP+Fe3C+Ld 相组成物：（F）+Fe3C 组织组成物：P+Fe3C+Ld（6）亚共晶白口铸铁的结晶过程及组织 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （6）亚共晶白口铸铁的结晶过程及组织 亚共晶白口铸铁的显微组织为二次渗碳体+低温莱氏体。图中黑色块状或呈树枝状分布的为由初生奥氏体转变成的珠光体，基体为变态莱氏体
36、。组织中的二次渗碳体与共晶渗碳体连在一起，难以分辨。5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 亚共晶白口铸铁室温平衡状态显微组织（铸态）2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 LL+Fe3CL+Fe3C+Ld Ld+Fe3C Fe3C+Ld 相组成物：（F）+Fe3C 组织组成物：Fe3C+Ld（7）过共晶白口铸铁的结晶过程及组织 过共晶白口铸铁结晶过程示意图 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （7）过共晶白口铸铁的结晶过程及组织 所有过共晶白
37、口铸铁室温组织都是由一次渗碳体和变态莱氏体组成。只是随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。图中白色板条状为一次渗碳体，基体为变态莱氏体。5.典型铁碳合金的结晶过程及组织 过共晶白口铸铁室温平衡状态显微组织（铸态）2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 6.含碳量对铁碳合金组织和性能影响（1）含碳量对铁碳合金组织的影响 铁碳合金的成分与组织的关系 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）含碳量对铁碳合金力学性能的影响 碳钢含碳量与力学性能之间的关系 亚共析钢随含碳量增
38、加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100%P，钢的性能即P的性能。0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，强度下降，但硬度仍上升。2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Ld，合金太脆。6.含碳量对铁碳合金组织和性能影响 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 7.Fe-Fe3C相图的应用 Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，根据组织可以大致判断出力学性能，便于合理地选择材料。除此之外，还可作为制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据。选材：根据性能要求 切削性能:中碳钢合
39、适 可锻性能:低碳钢好 焊接性能:低碳钢好 铸造性能:共晶合金好 热处理性能:后续介绍 2.4.2铁碳合金相图 2.4二元合金相图与铁碳合金相图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.5金属的塑性变形与再结晶 2.5.1金属的冷塑性变形 单晶体金属塑性变形方式有滑移和孪生两种，其中，滑移是主要的变形方式。大量的理论与实验证明，滑移是切应力作用下位错沿滑移面运动的结果，如图2.38所示。1单晶体的塑性变形(a)原始状态(b)、(c)位错滑移中间阶段(d)位错滑移出晶体表面，形成一个台阶 图2.38 刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 孪生是在切应
40、力的作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向（孪生晶向）产生的剪切变形，如图2.39所示。2.39 孪生示意图 1单晶体的塑性变形 2.5金属的塑性变形与再结晶 2.5.1金属的冷塑性变形 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成的，其塑性变形过程可以看成是许多单个晶粒塑性变形的总和；另外，多晶体塑性变形还存在着晶粒与晶粒之间的滑移和转动，即晶间变形，如图2.40所示。图2.40 多晶体塑性变形示意图 2多晶体的塑性变形 2.5金属的塑性变形与再结晶 2.5.1金属的冷塑性变形 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）晶粒变形
41、 经塑性变形后，金属材料的显微组织发生明显的改变。随变形量的增大，原来的等轴晶粒会沿着变形量最大的方向拉长或压扁，一般与金属外形的改变成比例。当变形量很大时，各晶粒形成细条状或纤维状，晶界变得模糊不清，晶粒已难以分辨，这种组织称为纤维组织，如图2.41 所示。1冷塑性变形后组织结构的变化 2.5金属的塑性变形与再结晶 2.5.1金属的冷塑性变形 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）晶粒变形 图2.41 工业纯铁不同变形程度的显微组织(a)未变形 (b)变形20%(c)变形40%(d)变形70%2.5.2冷塑性变形对金属组织和性能的影响 1冷塑性变形后组织结构的变化 2.5金属的塑性
42、变形与再结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）亚结构细化 金属材料经塑性变形后，产生大量位错，由于位错的运动和交互作用，使晶粒碎化成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。（3）形变织构 当变形达到一定程度后，各晶粒的取向基本一致，该过程称为择优取向，而变形金属产生择优取向的结构，称为变形织构。图2.42面心立方晶格金属形变织构示意图 拉拔变形时，每个晶粒的的某一晶向大致与变形方向平行，形成丝织构；轧板时形成板织构，即各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于同轧面与轧向平行。形变织构示意图如图2.42所示。1冷塑性变形后组织结构的变化 2.5.2冷塑性变形对金属组织和性能的影响 2.5金属的
43、塑性变形与再结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 形变织构使金属材料性能呈现各向异性，这给金属材料的加工和使用性能带来不利影响。例如，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，如图2.43所示，各向异性导致各方向变形能力不同，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但在某些情况下，织构的存在也是有利的。例如，织构提高硅钢片的导磁率。图2.43 形变织构导致的“制耳”1冷塑性变形后组织结构的变化 2.5.2冷塑性变形对金属组织和性能的影响 2.5金属的塑性变形与再结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 第一类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整
44、个工件。第二类内应力（晶间内应力），又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。第三类内应力（晶格畸变内应力），又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存能的绝大部分（8090）用于形成点阵畸变。3.残余应力 总体说来，残余应力是有害的，将导致材料及工件的变形、开裂和产生应力腐蚀；但当表面存在一薄层压应力时，反而对使用寿命有利。2.5.2冷塑性变形对金属组织和性能的影响 2.5金属的塑性变形与再结晶 陕西航空职业技术学
45、院陕西航空职业技术学院 2冷塑性变形对性能的影响 产生加工硬化 随着金属冷变形程度的增加，金属材料的强度和硬度都有所提高，但塑性和韧性有所下降。加工硬化是以牺牲塑性、韧性为代价的。产生各向异性 随着晶粒被拉长或压扁，特别是产生纤维组织后，金属有明显的方向性，纵向力学性能高于横向性能。物理、化学性能变化 经冷塑性变形使得金属的电阻率增加，热导率略有下降，磁导率下降，密度减小。此外，由于缺陷的增加，使化学活性增加，耐蚀性下降。2.5.2冷塑性变形对金属组织和性能的影响 2.5金属的塑性变形与再结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.5.3冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 对冷变形
46、强化组织进行加热，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化，如图2.43所示。图2.43 变形金属加热时组织与性能变化示意图 1.回复 将冷变形后的金属加热到较低温度，点缺陷和位错显著减少，晶格畸变减轻，晶内残余应力大大减少，这个过程称为回复。2.5金属的塑性变形与再结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 当加热温度较高时，塑性变形后的显微组织发生了显著的变化，破碎的、被拉长了的晶粒重新生核，变为细小、均匀的等轴晶粒，消除了全部冷变形强化的现象，这个过程称为再结晶。2.再结晶 3.晶粒长大 冷塑性变形金属经再结晶后，一般得到细小均匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延长保温时
47、间，则再结晶后形成的新晶粒会逐渐长大，导致晶粒变粗。这种晶粒长大是通过晶界迁移，逐渐“吞并”小晶粒来完成。如果金属原来变形不均匀，产生织构或含有较多杂质时，大多数的晶界的迁移受到阻碍，只有少数晶粒获得优先长大的机会，使得再结晶后得到晶粒不均匀。这种晶粒不均匀长大现象被称为二次再结晶。2.5.3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 2.5金属的塑性变形与再结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.影响再结晶晶粒大小的因素（1）加热温度和保温时间 加热温度越高，金属的晶粒尺寸越大。当加热温度一定时，保温时间过长也会使晶粒长大，但不如温度的影响大。（2）预先变形程度 当冷变形量在2%10%
48、范围内，再结晶后的晶粒会异常粗大，该变形量被称为临界变形度。当变形量很小时，晶格畸变很小，金属不发生再结晶。当变形量超过临界变形度后，随着变形量的增加，再结晶的晶粒逐渐变细。如果预先变形度过大，某些金属还会出现晶粒异常长大的现象。2.5.3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 2.5金属的塑性变形与再结晶 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.5.4金属的热变形 金属的热加工和冷加工是以再结晶温度划分的。再结晶温度以上的加工过程称为热加工；再结晶温度以下的加工过程则称为冷加工。热加工过程实质上包括加工硬化与动态软化两个同时进行的过程。加工硬化被动态软化所抵消，因而，热加工通常不会产生明
49、显的加工硬化现象。2.5金属的塑性变形与再结晶 1.冷变形与热变形的区别 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）改善铸锭和坯料的组织和性能 热变形（通常是轧制或锻压）可以焊合金属锭中的气孔、缩松和微裂纹等缺陷，提高材料的致密；由于在温度与压力的作用下扩散速度增快，可部分地消除微观偏析。经过热变形后，一般都会使晶粒细化。（2）产生热变形纤维组织 在热变形过程中，金属锭中的粗大枝晶和夹杂物沿变形方向被拉长，使金属锭中枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向逐渐与变形方向一致，在宏观试样上呈现为沿着变形方向的一条条细线，称为热变形纤维组织（流线）。纤维组织的出现，将使金属的力学性能呈现各向异性。在沿着纤维伸展的方向上具有较高的力学性能，而在垂直于纤维伸展方向的性能较低。在设计重要的零件时，应考虑它的纤维状态，使纤维方向与承受较大应力的方向一致。2.5.4金属的热变形 2.5金属的塑性变形与再结晶 2.热变形对金属组织和性能的影响 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.何谓共晶转变和共析转变?以铁碳合金为例写出转变表达式。2.绘出Fe-Fe3C相图，并叙述各特性点、线的名称及含义。3.含碳量对铁碳合金的机械性能和工艺性能有何影响？思考题 崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息