第二章鐵碳合金第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三液態(tài)金屬的結(jié)晶過程是遵循“晶核不斷形成和長大”這個(gè)結(jié)晶基本規(guī)律的。開始時(shí)，液態(tài)中出現(xiàn)一些極小的晶體，稱之為晶核。晶核分為自發(fā)晶核和非自發(fā)晶核自發(fā)晶核：依靠原子的自發(fā)地聚集在一起，按照金屬晶體有規(guī)律的排列而形成的。非自發(fā)晶核：晶體中高熔點(diǎn)的雜質(zhì)形成的微小固體質(zhì)點(diǎn)也，其中的某些質(zhì)點(diǎn)也起到晶核的作用。晶核形成以后金屬原子就以晶核為核心按照一定的幾何形狀不斷排列起來形成晶體。當(dāng)晶核與相鄰的晶核互相抵觸時(shí)，這個(gè)方向的成長便停止了。當(dāng)全部晶核彼此相遇、液態(tài)耗盡時(shí)，結(jié)晶過程即告結(jié)束。固態(tài)金屬一般是由多晶體構(gòu)成的，每個(gè)晶核長成的晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的接觸面稱為晶界。晶粒的粗細(xì)對(duì)其力學(xué)性能的影響：一般來說同一成分的金屬，晶粒愈細(xì)，其強(qiáng)度、硬度愈高，而且塑性韌性也愈好。細(xì)化晶粒的方法：（1）提高冷卻速度，以增加晶粒的數(shù)目。（2）在金屬澆注前，向金屬夜內(nèi)加入變質(zhì)劑（孕育劑）進(jìn)行變質(zhì)處理，以增加外來晶核。第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三二、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)晶格：為了便于研究晶體中原子的排列規(guī)律，將原子抽象話，即將每個(gè)原子看成是一個(gè)點(diǎn)，再把相鄰的原子用假象的直線連接起來便形成了晶格。

晶胞：晶格中最基本的單元。

晶胞第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三純鐵的晶格一、體心立方晶格體心立方晶胞是一個(gè)長寬高相等的立方體，八個(gè)頂角上各有一個(gè)原子，中心還有一個(gè)原子。

體心立方晶胞二、面心立方晶胞面心立方晶胞也是個(gè)立方體，除了在八個(gè)頂角上各有一個(gè)原子外，在立方體六個(gè)面的中心處還各有一個(gè)原子。

面心立方晶胞第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三三、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變：隨著溫度的變化，固態(tài)金屬的晶格也隨之改變的過程。

純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變冷卻曲線上有三個(gè)水平臺(tái)。第一個(gè)水平臺(tái)（1538℃），表示純鐵有液態(tài)變成固態(tài)的結(jié)晶階段。結(jié)晶后的晶格是體心立方體，稱為-Fe。第二個(gè)水平臺(tái)在1394℃時(shí)鐵的晶格由體心立方轉(zhuǎn)變成面心立方，稱為-Fe。第三個(gè)水平臺(tái)，在912℃時(shí)，再次發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，有又轉(zhuǎn)變成體心立方晶格，稱之為-Fe。第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三同素異晶轉(zhuǎn)變對(duì)鋼的熱處理有極為重要的意義。重結(jié)晶：同素異晶轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下原子的重新排列的過程，從廣義上說也大屬于結(jié)晶的過程。因?yàn)樗沧裱Ш说男纬捎诰Ш说拈L大的結(jié)晶規(guī)律，它的轉(zhuǎn)變也在一定的過冷度下進(jìn)行的同時(shí)也產(chǎn)生結(jié)晶熱效應(yīng)。為了區(qū)別液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的初次結(jié)晶，常將同素異晶轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。組織應(yīng)力：同素異晶轉(zhuǎn)變時(shí)，由于晶格的轉(zhuǎn)變，原子排列的密度也隨之改變。如面心立方晶格-Fe中原子的排列比-Fe緊密，故-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe金屬體積發(fā)生膨脹，反之由-Fe轉(zhuǎn)變成-Fe時(shí)，金屬體積要收縮。這種體積變換使金屬內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱之為組織應(yīng)力第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)鐵碳合金的基本組織合金：兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素融合在一起，構(gòu)成具有金屬特性的物質(zhì)稱之為合金。合金比純金屬有較高的強(qiáng)度和硬度，且成本較低，所以在工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛。元：組成合金的元素稱為組元簡稱元。比如鐵、碳是剛和鑄鐵的組元。合金中穩(wěn)定的化合物（Fe3C）也可以作為組元。相：在合金組織中，凡化學(xué)成分、晶格構(gòu)造和物理性能相同的均勻組成部分成為相。例如液鋼是一個(gè)相成為液相。鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，并隨其成分、溫度、冷卻速度而變化。按照鐵和碳相互作用的形式的不同，鐵碳合金組織可以分為固溶體、金屬化合物、機(jī)械混合物。第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三一、固溶體有些合金在固態(tài)時(shí)，具有一定的互相溶解的能力。例如部分碳原子能融解到鐵的晶格內(nèi)，此時(shí)，鐵是溶劑，碳是溶質(zhì)，而合金的晶格仍保持原有的晶格類型。固溶體：這種溶質(zhì)原子融入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體，稱之為固溶體。分類：置換固溶體和間隙固溶體。分類依據(jù)：根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不同。置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子替代了一部分溶劑原子、占據(jù)溶劑晶格的某些節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，所形成的固溶體。間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子不是占據(jù)接點(diǎn)位置，而是嵌入結(jié)點(diǎn)之間的間隙時(shí)，所形成的固溶體。第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

間隙固溶體置換固溶體第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三固溶體是均勻的固態(tài)物質(zhì)，所融入溶劑即使在顯微鏡下也不能區(qū)別開來，因此固溶體屬于單相組織。鐵碳合金的固溶體都是碳融入鐵的晶格中的間隙固溶體。此時(shí)碳的溶解度是有限的，即屬于有限固溶體。碳在鐵中的溶解度主要取決于晶格的類型，并隨溫度的升高而增加。形成固溶體時(shí)，溶劑晶格將產(chǎn)生不同程度的畸變，這種畸變使得塑性變形的阻力增加，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。碳既可融入-Fe、-Fe也可融入-Fe，形成不同的固溶體。鐵素體：碳融入-Fe形成的固溶體稱為鐵素體，呈面心立方晶格，通常以符號(hào)F表示。-Fe的溶碳能力極小，600℃時(shí)溶碳量僅為0.006%，727℃時(shí)最大溶碳量僅為0.0218%。鐵素體因溶碳極少，固溶強(qiáng)化作用甚微，故力學(xué)性能與純鐵相近。其性能特性是強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。鐵素體在顯微鏡下位明亮的多邊形晶粒，但晶界曲折。第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三奧氏體：碳融入-Fe中所形成的固溶體稱為奧氏體，呈面心立方晶格，以符號(hào)A表示。-Fe的溶碳能力較-Fe高許多。例如在1148℃時(shí)，最大的溶碳量為2.11%；溫度降低時(shí)溶碳能力也隨之下降，到727℃時(shí)，溶碳量為0.707%。由于-Fe僅存在于高溫，因此，穩(wěn)定的奧氏體通常存在于727℃以上，故奧氏體屬于高溫組織。奧氏體的力學(xué)性能與溶碳量有關(guān)。一般來說，其強(qiáng)度、硬度不高，但塑性優(yōu)良。在鋼進(jìn)行軋制和鍛造時(shí)通常將鋼加熱到奧氏體狀態(tài)。在顯微鏡下，奧氏體呈多邊形晶粒，但晶界比鐵素體平直，并帶有雙晶帶。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三二、化合物金屬化物是各組元按一定整數(shù)比結(jié)合而成、具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，屬于單相組織。金屬化合物與金屬中存在的某些非金屬化合物有著本質(zhì)的不同，如鐵中的FeS、MnS不具有金屬的性質(zhì)，故屬于非金屬夾雜物。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格，而且與組成金屬化合物的各組元晶格皆不相同，其性能特征是硬而脆。鐵碳合金中的滲碳體（Fe3C）屬于金屬化合物它的硬度極高、而塑性、韌性極低，伸長率和沖擊韌性近乎為零。滲碳體是鐵中的強(qiáng)化相，其組織可以呈片狀、球狀、網(wǎng)狀等不同的形狀。滲碳體的數(shù)量、形狀和分對(duì)鋼性能有很大影響。Fe3C→3Fe+C石墨第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三三、機(jī)械混合物機(jī)械混合物是由結(jié)晶過程所形成的兩相混合組織。它可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。機(jī)械混合物各相保持其原有的晶格。因此機(jī)械混合物的性能介于各相之間，它不僅取決于各相的性能和比，還與各相的形狀、大小、分布有關(guān)。鐵碳合金的近些混合物有珠光體和萊氏體。1.珠光體鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物稱為珠光體，用符號(hào)P或（F+Fe3C）表示。珠光體的含碳量0.77%。由于滲碳體在混合物種起到強(qiáng)化作用，因此珠光體具有良好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度高硬度較高（180HBS），且仍具有一定的塑性和韌性。第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

珠光體第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.萊氏體萊氏體分為高溫萊氏體和低溫萊氏體。高溫萊氏體：奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號(hào)Ld表示。由于奧氏體屬于高溫組織，因此高溫萊氏體僅存在于727℃以上。低溫萊氏體：高溫萊氏體冷卻到727℃以下時(shí)，將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和滲碳體的機(jī)械混合物（P+Fe3C）,稱為低溫萊氏體，用符號(hào)Ld′表示。萊氏體的含碳量為4.3%。由于萊氏體含有的滲碳體較多，故性能與滲碳體相近，極為硬脆。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三萊氏體第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金的結(jié)晶過程要比純鐵的復(fù)雜的多。不同含碳量的鐵碳合金的結(jié)晶過程差別很大，其結(jié)晶過程是用鐵碳合金狀態(tài)圖來表示的。鐵碳合金的狀態(tài)圖是以溫度為縱坐標(biāo)、合金成分（含碳量：0-6.69%）為橫坐標(biāo)的圖形。它是研究不同含碳量的鋼和鑄鐵在不同溫度下組織變化規(guī)律的重要工具。第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三鐵碳合金狀態(tài)圖第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三一、鐵碳合金狀態(tài)圖的分析鐵碳合金狀態(tài)圖中有四個(gè)基本相，即液相（L）、奧氏體相（A）、鐵素體相（F）和滲碳體相（Fe3C），他們具有相應(yīng)的單相區(qū)。鐵碳合金狀態(tài)圖中各條線都表示鐵碳合金組織轉(zhuǎn)變的界限，所以這些線就是組織轉(zhuǎn)變線，又稱特性線。（1）ACD線——液相線。此線以上的區(qū)域是液相區(qū)，以符號(hào)L表示。液態(tài)合金冷卻到此線的溫度時(shí)，便開始結(jié)晶。（2）AECF線——固相線。表示合金冷卻到此線溫度時(shí)，將全部結(jié)晶成固態(tài)。第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三在液相線和固相線之間構(gòu)成兩個(gè)區(qū)域（ACE區(qū)和CDF區(qū)）中，都是包含著液態(tài)合金和結(jié)晶體的兩相區(qū)，不過這兩個(gè)區(qū)域包含的結(jié)晶體不同。因?yàn)橐簯B(tài)合金沿AC線結(jié)晶出來的是奧氏體，而沿CD線結(jié)晶出來的是滲碳體。由液態(tài)合金直接析出的滲碳體稱為一次滲碳體（Fe3C1）。顯然ACE區(qū)包含液態(tài)合金和奧氏體兩個(gè)相，而CDF區(qū)包含液體合金和滲碳體兩個(gè)相。液態(tài)合金只有在C點(diǎn)（1148℃、含碳量4.3%），通過共晶反應(yīng)同事結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物——萊氏體。其反應(yīng)式為：℃ECF線又稱共晶線，因?yàn)楹剂?.11%-6.69%（即鑄鐵）的所有合金經(jīng)過此線都要發(fā)生共晶反應(yīng)，除了C點(diǎn)成分的合金全部結(jié)晶成萊氏體外，其它成分的合金都將生成一定量的萊氏體這是鑄鐵結(jié)晶的共同特征。第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（3）GS線——奧氏體在冷卻過程中析出鐵素體的開始線。奧氏體之所以轉(zhuǎn)變成鐵素體是因?yàn)?Fe→-Fe同素異晶轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變的結(jié)果。GS線常以符號(hào)A3表示。（4）ES線——碳在奧氏體中的溶解度曲線。由圖看出溫度越低，奧氏體的溶碳能力越小。過飽和的碳都以滲碳體的形式析出。因此ES線也是冷卻時(shí)從奧氏體中析出滲碳體的開始線。ES線常以符號(hào)Acm表示。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（5）PSK線——共析線。當(dāng)s點(diǎn)成分的奧氏體冷卻到PSK線溫度時(shí)，同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物——珠光體。上述反應(yīng)為共析反應(yīng)，表達(dá)式為：各種成分的鐵碳合金冷卻至PSK線都要發(fā)生共析反應(yīng)。除S點(diǎn)成分的合金全部轉(zhuǎn)變成珠光體外，其它成分的合金都將生成一定量的珠光體，這對(duì)萊氏體的奧氏體也不例外，故在727℃以下的低溫萊氏體為珠光體和滲碳體的混合物。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（6）PQ線——碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵素體冷卻到此曲線，將以滲碳體的形式析出過飽和的碳，這種鐵素體析出的滲碳體稱為三次滲碳體。由于滲碳體的數(shù)量極少，對(duì)鋼的性能可以忽略不計(jì)。第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)含碳量的不同，可以將鐵碳合金分為鋼和鑄鐵兩大類：鋼它是指含碳量小于2.11%的鐵碳合金。依據(jù)室溫組織的不同鋼可以分為如下三類：亞共析鋼——含碳量<0.77%共析鋼——含碳量=0.77%過共析鋼——含碳量>0.77%鑄鐵即生鐵，它是指含碳量為2.11%——6.69%的鐵碳合金。依照室溫組織的不同可以將鑄鐵分為亞共晶鑄鐵——含碳量<4.3%共晶鑄鐵——含碳量=4.3%過共晶鑄鐵——含碳量>4.3%第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三二、鋼在結(jié)晶過程中的組織轉(zhuǎn)變AECFGSPKQFeC%LAL+Fe3Cγ+Fe3Cα+Fe3C1148℃727℃1234121234123C’1230.7072.11α+γ1、共析鋼它是指S點(diǎn)成分的合金Ⅰ所示。合金在1點(diǎn)以上全部為液態(tài)。當(dāng)溫度緩慢冷卻到1點(diǎn)以后，開始從液鋼中結(jié)晶出奧氏體；隨著溫度的降低,奧氏體愈來愈多，剩余的液鋼愈來愈少，知道2點(diǎn)結(jié)晶完畢，全部形成奧氏體，在2點(diǎn)以下為單一的奧氏體，直到冷卻到S點(diǎn)以前不發(fā)生Ⅰ組織轉(zhuǎn)變。當(dāng)冷卻到S點(diǎn)，達(dá)到共析溫度，奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成鐵素體和滲碳體的混合物，即珠光體。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2.亞共析鋼它是S點(diǎn)以左的合金，如圖合金Ⅱ所示。當(dāng)合金Ⅱ冷卻到點(diǎn)以后開始從液鋼中結(jié)晶出奧氏體，直到2點(diǎn)全部結(jié)晶成奧氏體。當(dāng)合金Ⅱ全部冷卻到GS線上的3點(diǎn)之前，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度降到3點(diǎn)以后將由奧氏體中析出鐵素體。由于鐵素體的含碳量AECFGSPKQFeC%Lγγ+LL+Fe3Cγ+Fe3Cα+Fe3C1538℃1148℃727℃1234121234123C’123Ⅱ比較低致使奧氏體的含碳量沿GS線增加。當(dāng)溫度降到4點(diǎn)時(shí)，剩余奧氏體的含碳量增加到S點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分，即共析成分。到達(dá)溫度4點(diǎn)以后，剩余奧氏體發(fā)生共