全國中職機械類教材（勞社版）第3章鐵碳合金《金屬材料與熱處理》系列課件（第6、7版）P.50

第三章：鐵碳合金

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1.了解合金的概念及組織的基本類型；

2.掌握鐵碳合金的基本組織、性能及符號；

3.熟悉簡化的Fe-Fe3C相圖中的特性點、特性線的含義及相區(qū)的分布情況；

4.掌握鐵碳合金成分、組織、性能三者的關(guān)系；

5.了解Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)鐵碳合金：以鐵、碳為主要成分的合金。其中鐵的含量大于95%。鋼的珠光體組織Fe-Fe3C相圖

金屬及其合金鐵碳相圖合金的基本概念合金的組織鐵碳合金的基本組織與性能鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體P.50鐵碳合金相圖知識結(jié)構(gòu)鐵碳合金相圖的組成Fe-Fe3C相圖中的特性點、線的含義及各相區(qū)內(nèi)的組織鐵碳合金的分類鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用觀察鐵碳合金相圖的平衡組織（試驗）第三章：鐵碳合金P.50課堂討論第三章：鐵碳合金純金屬的強度和硬度一般都較低，冶煉困難、因而價格較高，在使用上受到限制，主要用于一些特殊用途。

在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的是合金，這是因為生產(chǎn)中可以通過改變合金的化學(xué)成分（或組織結(jié)構(gòu)）來進(jìn)一步提高金屬材料的力學(xué)性能，并可獲得某些特殊的物理性能和化學(xué)性能(耐腐蝕、耐熱、耐磨、電磁性能等)，以滿足機械零件和工程結(jié)構(gòu)對材料的要求。

你在日常生活、生產(chǎn)中見到最多的合金是哪類?

黑色金屬金屬材料P.50課堂討論第三章：鐵碳合金通常把以鐵、錳、鉻及鐵碳為主的合金(鋼鐵)稱為黑色金屬，而把其他金屬及其合金稱為有色金屬。常用金屬材料間的關(guān)系如下：有色金屬1、合金

合金是以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過熔合而獲得的具有金屬特性的材料，即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。工業(yè)上廣泛應(yīng)用的鋼鐵材料就是由鐵和碳組成的合金。

與純金屬相比，合金具有更好的力學(xué)性能，可通過調(diào)整組成元素之間的比例，獲得一系列性能不同的合金，以滿足工業(yè)對材料不同性能的要求?！?-1合金及其組織

一、合金的基本概念發(fā)動機連桿P.512、組元組成合金最簡單的、最基本的、能夠獨立存在的物質(zhì)稱為組元，簡稱元。組元一般指元素，但有時穩(wěn)定的化合物也可以作為組元，如鋼中的Fe、Fe3C等。合金按組元的數(shù)目可分為二元合金、三元合金及多元合金。3、合金相

§3-1合金及其組織

一、合金的基本概念20號鋼中有F和Fe3C兩個基本相P.51合金中成分、結(jié)構(gòu)及性能相同的組成部分稱為相。相與相之間有明顯的界面，如水與冰、水與油之間都有界面，是不同的相。金屬在一定條件下可存在氣相、液相、固相。而固態(tài)金屬中的同素異構(gòu)體及它們不同的固溶體間也是不同的相，如鋼中的鐵素體F、奧氏體A就是兩種不同的相，因為它們的晶格不同，且能以界面分開。

相與組元的區(qū)別：

相是合金中同一化學(xué)成分、同一聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的各個均勻組成部分。

組元是組成合金的基本的獨立物質(zhì)，可以是金屬和非金屬，也可以是化合物。提示

4、組織

§3-1合金及其組織

一、合金的基本概念亞共晶生鐵的多相組織P.51

合金的組織指合金中不同相之間相互組合配置的狀態(tài)。其數(shù)量、大小和分布方式不同的相構(gòu)成了合金不同的組織。由單一相構(gòu)成的組織稱為單相組織，由不同相構(gòu)成的組織稱為多相組織。由于不同相之間的性能差異很大，再加上數(shù)量、大小和分布方式不同，所以合金的組織不同，其性能也就不同?！?-1合金及其組織

二、合金的組織亞共晶生鐵的多相組織P.51

根據(jù)合金中各組元之間結(jié)合方式的不同，合金的組織可分為固溶體、金屬化合物和混合物三類，它們的構(gòu)成形式和特點見表3-1.§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體P.7§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型P.7

晶面：點陣中的結(jié)點所構(gòu)成的平面。

晶向：點陣中的結(jié)點所組成的直線。陣點（結(jié)點）：把原子（離子或分子）抽象為規(guī)則排列于空間的幾何點，稱為陣點或結(jié)點。點陣：陣點（或結(jié)點）在空間的排列方式稱晶體。

晶面與晶向§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型

2）晶面和晶向P.7

2、金屬晶格的類型

是指金屬中原子排列的規(guī)律。絕大多數(shù)金屬晶格屬于體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格這三類。

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型體心立方晶胞占據(jù)1+8/8=2個原子1）體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞是由八個原子構(gòu)成的立方體，并且在立方體的體中心還有一個原子。屬于這種晶格的金屬有：鉻Cr、釩V、鎢W、鉬Mo、及α-鐵（α-Fe）。P.82、非晶體：在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子呈無序堆積狀態(tài)的（如普通玻璃、松香、樹脂等）。

非晶體的原子則是無規(guī)律、無次序地堆積在一起的。晶體與非晶體非晶體注意：晶體與非晶體的關(guān)鍵區(qū)別是，原子排列是否有規(guī)律性?！?-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體P.7金屬晶格的類型是指金屬中原子排列的規(guī)律。2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八個原子構(gòu)成的立方體，但在立方體的每個面上還各有一個原子。屬于這種晶格的金屬有：Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等。

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型面心立方晶胞占據(jù)6/2+8/8=4個原子P.8金屬晶格的類型是指金屬中原子排列的規(guī)律。3）密排六方晶格密排六方晶格：由12個原子構(gòu)成的簡單六方晶體，且在上下兩個六方面心還各有一個原子，而且簡單六方體中心還有3個原子。屬于這種晶格的金屬有鈹（Be）、Mg、Zn、鎘（Cd）等。

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型密排六方晶胞占據(jù)3+2/2+12/6=6個原子P.8整個物體是由許多雜亂無章的排列著的小晶體組成的。（普通金屬材料都是多晶體）

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、單晶體和多晶體水晶（單晶體）鍍鋅板晶粒（多晶體）工業(yè)純鐵顯微組織（多晶體）單晶體與多晶體只由一個晶粒組成的晶體。（晶格排列方位完全一致。必須人工制作，如單晶硅。）

2、多晶體

多晶體具有各向同性：因晶粒之間排列雜亂，總體顯出各方向性能一致。單晶體具有各向異性：是單晶體沿各不同晶面或晶向具有不同性能的現(xiàn)象。

1、單晶體P.9金屬是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶體組成的，小晶體稱為晶粒。晶粒間交界的地方稱為晶界。

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、單晶體和多晶體晶粒與晶界3、晶粒

4、晶界P.9晶體缺陷：晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象。1）點缺陷：空位、間隙原子和置代原子

2）線缺陷：位錯

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、晶體缺陷晶體缺陷空位、間隙和置換位錯晶體中的空位、間隙原子、雜質(zhì)原子都是點缺陷?？烧J(rèn)為是晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體的位錯局部滑移造成。滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯線。P.101、晶體缺陷：晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象。3）面缺陷：晶界與亞晶界

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、晶體缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界的區(qū)別：晶界之間的原子排列方向角度較大，亞晶界之間的原子排列方向角度較小。P.10

本節(jié)教學(xué)要求學(xué)習(xí)目的：

★掌握金屬結(jié)晶的概念，純金屬

★同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的概論，掌握鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變式。教學(xué)重點與難點：

★細(xì)化晶粒的方法及晶粒大小對力學(xué)性能的影響是教學(xué)的難點。

★純金屬冷卻曲線及過冷度是教學(xué)重點?！?-2純金屬的結(jié)晶P.10§1-2純金屬的結(jié)晶金屬由原子不規(guī)則排列的液體，轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的固體的過程，稱為結(jié)晶。

結(jié)晶是一個放熱的過程，稱為結(jié)晶潛熱。熱分析法液體晶體煉鋼澆注結(jié)晶現(xiàn)象

分析金屬的結(jié)晶過程是分析金屬的重要手段。P.101、純金屬的冷卻曲線及過冷度

1）金屬的結(jié)晶必須在低于其理論結(jié)晶溫度（熔點To)下才能進(jìn)行。

2）理論結(jié)晶溫度和實際結(jié)晶溫度之差稱這“過冷度”（△T=T0-T1）。

過冷度也是完成結(jié)晶的推動力。3）金屬結(jié)晶時過冷度的大小與冷卻速度有關(guān)。

（冷卻速度越快，金屬的實際結(jié)晶溫度越低，過冷度也就越大。）§1-2純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶過程純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線P.102、純金屬的結(jié)晶過程在一定過冷度的條件下，金屬液通過晶核形成、晶核長大來完成其結(jié)晶過程。

純金屬的結(jié)晶在是在恒溫下進(jìn)行的?！?-2純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程－－形核和晶長大液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶P.11結(jié)晶體觀察：§1-2純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶過程P.12觀察玻璃上的冰花（樹枝晶粒）鍍鋅鐵皮表面上的樹枝狀晶粒一般室溫下，細(xì)晶粒金屬具有較高的強度和韌性。

細(xì)化晶粒的意義：細(xì)晶粒，晶界總面積增大，對塑性變形的抗力大，強度提高。同時細(xì)晶粒，變形分散，變形不易斷裂，提高了韌性，保持了塑性。

1、影響晶粒大小的因素

金屬晶粒大小取決于結(jié)晶時的形核率、長大速度。

細(xì)化晶粒，則要形核率越高、長大速度越慢?！?-2純金屬的結(jié)晶二、晶粒大小對金屬材料的影響2、常用的細(xì)化晶粒的方法

增加過冷度：增大核率效果明顯（晶長大速度增加不多）；

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。

振動處理：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。P.12鋁合金的粗、細(xì)晶粒1、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪痪Ц竦默F(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?！?-2純金屬的結(jié)晶三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2、具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬鐵、鈷、鈦、錫、錳等金屬具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

同一金屬的同素異構(gòu)晶體按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母α，β，γ，δ等表示。

如純鐵，有α-Fe、γ-Fe、δ-Fe純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變P.13§1-2純金屬的結(jié)晶三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變3、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1394°C912°C體心面心體心δ-Feγ-Feα-Fe4、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與金屬結(jié)晶的比較金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也稱為“重結(jié)晶”。與液態(tài)金屬結(jié)晶的相似處：有一定轉(zhuǎn)變溫度，有過冷現(xiàn)象；有潛熱放出和吸收；也由形核、核長大來完成。與液態(tài)金屬結(jié)晶的不同處：屬固態(tài)相變，轉(zhuǎn)變需較大的過冷度；新晶核優(yōu)先在原晶界處形核；轉(zhuǎn)變中有體積的變化，會產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程P.14§1-2純金屬的結(jié)晶準(zhǔn)晶體與“準(zhǔn)科學(xué)家”謝赫特曼和他的“準(zhǔn)晶體”P.15閱讀材料

“當(dāng)我告訴人們，我發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體的時候，所有人都嘲笑我。但我并不在意，我知道我是對的，他們是錯的，時間終于證明了這一點?！保?011年諾貝爾化學(xué)獎得主謝赫特曼§1-3金屬結(jié)晶的觀察（試驗）P.16一、試驗?zāi)康?．通過觀察透明鹽類的結(jié)晶過程及組織特征，理解金屬的結(jié)晶理論。2．通過觀察鑄錠表面，建立金屬晶體以樹枝狀形態(tài)成長的直觀認(rèn)識。

由于液態(tài)金屬的結(jié)晶過程難以直接觀察，而鹽類也是晶體