李亞杰汽車機(jī)械基礎(chǔ)項(xiàng)目4

汽車典型零件選材任務(wù)4.2汽車典型零件選材依據(jù)分析鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝方案的依據(jù)。了解與掌握鐵碳合金相圖，對(duì)鐵碳合金材料的研究和選用具有重要的指導(dǎo)意義?！救蝿?wù)描述

】wC/%一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)與同素異晶轉(zhuǎn)變（1）晶體和非晶體

晶體：原子在空間呈有序排列的固態(tài)物質(zhì)。具有規(guī)則的外形；具有一定的熔點(diǎn)；具有各向異性。沒(méi)有規(guī)則的外形；沒(méi)有固定的熔點(diǎn)；具有各向同性。

非晶體：原子或分子無(wú)規(guī)則的堆積在一起的固態(tài)物質(zhì)。固態(tài)物質(zhì)根據(jù)其原子排列特征，可分為晶體和非晶體兩類。1.金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)：指在晶體內(nèi)部，原子、離子或原子集團(tuán)規(guī)則排列的方式。晶格：抽象的用于描述原子在晶體中排列方式的空間幾何格架。晶胞：組成晶格的能反映其特征和規(guī)律的最基本幾何單元。（2）晶格和晶胞晶格

原子排列晶胞（3）3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)α-鐵（912℃以下的鈍鐵）、鉻、鉬、鎢、釩體心立方晶格示意圖

原子排列晶格晶胞①體心立方晶格γ-鐵（1394－912℃的鈍鐵）、銅、鋁、鎳等

原子排列晶格晶胞面心立方晶格示意圖②面心立方晶格鈹、鎂、鋅、鎘等原子排列晶格晶胞密排六方晶格示意圖③密排六方晶格（4）實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體，實(shí)際金屬就是多晶體。實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷：①點(diǎn)缺陷：不規(guī)則區(qū)域在空間三個(gè)方向上的尺寸都很小，主要是空位、間隙原子、置換原子。實(shí)際晶體中，排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。

在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)上沒(méi)有原子，則稱這結(jié)點(diǎn)為空位。位于晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。②線缺陷：不規(guī)則區(qū)域在一個(gè)方向的尺寸很大，在另外兩個(gè)方向的尺寸都很小，主要是位錯(cuò)，即晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。③面缺陷：一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域，主要是晶界和亞晶界。2.金屬的結(jié)晶（1）結(jié)晶的基本概念

結(jié)晶：物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固，凝固后的固態(tài)物質(zhì)可以為晶態(tài)，也可以為非晶態(tài)。如果通過(guò)凝固形成晶體，稱為結(jié)晶。

金屬材料的凝固是典型的結(jié)晶過(guò)程，而玻璃的凝固過(guò)程是非晶體凝固過(guò)程。金屬的結(jié)晶：是指液態(tài)金屬凝固成固態(tài)金屬晶體的過(guò)程。純液態(tài)金屬的冷卻曲線（理想狀態(tài)）純液態(tài)金屬的冷卻曲線（實(shí)際狀態(tài)）時(shí)間/s0T0：理論結(jié)晶溫度T1：實(shí)際結(jié)晶溫度ΔT=T0-T1（過(guò)冷度）T0溫度/oCT1時(shí)間/sa：結(jié)晶開始點(diǎn)b：結(jié)晶終了點(diǎn)溫度/oCT0ab0

結(jié)晶平臺(tái)：由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致，即金屬液固轉(zhuǎn)變所釋放的潛熱與系統(tǒng)散熱量相等的結(jié)果。（2）金屬的結(jié)晶過(guò)程從宏觀角度看結(jié)晶規(guī)律：①結(jié)晶是在一定的過(guò)冷度下完成的，即存在過(guò)冷現(xiàn)象。②結(jié)晶過(guò)程是在恒溫下完成的。包括形核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程。①形核方式：自發(fā)形核與非自發(fā)形核②長(zhǎng)大方式：平面方式與樹枝狀方式從微觀角度看結(jié)晶規(guī)律：*自發(fā)形核從液態(tài)內(nèi)部由金屬本身原子自發(fā)長(zhǎng)出結(jié)晶核心的過(guò)程叫做自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做自發(fā)晶核。*非自發(fā)形核

依附于雜質(zhì)而生成晶核的過(guò)程叫做非自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做非自發(fā)晶核。①晶核的形成均勻長(zhǎng)大②晶核的長(zhǎng)大樹枝狀方式平面方式結(jié)論：金屬的結(jié)晶過(guò)程→形核與長(zhǎng)大過(guò)程。金屬液形成晶核晶核長(zhǎng)大形成晶體3.金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變體心立方晶格

體心立方晶格

面心立方晶格

物理性質(zhì)：純鐵在1538℃熔化，純鐵液體結(jié)晶為固體后，在冷卻至室溫過(guò)程中，經(jīng)歷兩次同素異晶轉(zhuǎn)變。

同素異晶：元素相同，結(jié)構(gòu)不同。

二次結(jié)晶

▲合金：由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。▲組元：組成合金的基本物質(zhì)。

▲相：指金屬或合金中具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)并以界面相互分開的各個(gè)均勻的組成部分。

▲組織：指用肉眼或借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

如:黃銅：Cu-Zn，鋁合金：Al-Si。1.合金的組元二、合金的晶體結(jié)構(gòu)2.相和組織

根據(jù)構(gòu)成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物3類。①固溶體3.合金的組織固溶體強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性較好。

②金屬化合物③機(jī)械混合物

金屬化合物是合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相。

金屬化合物晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔點(diǎn)高，硬而脆。

機(jī)械混合物的性能介于固溶體和金屬化合物之間，即強(qiáng)度、硬度較高，塑性、韌性較好。

三、鐵碳合金的基本組織1.鐵素體：碳溶解在α-Fe中的間隙固溶體（F），它仍保持α-Fe的體心立方晶格結(jié)構(gòu)。由于α-Fe晶粒間隙小，碳在α-Fe中溶解度極小，室溫時(shí)僅為0.0008%，727℃最大為0.0218%，所以是幾乎不含碳的純鐵。塑性和沖擊韌性較好，而強(qiáng)度、硬度較低。鐵素體原子排列

因晶格間隙較大，碳在γ-Fe中的解度要比在α-Fe中大，在727℃時(shí)為0.77%，在1148℃時(shí)溶解度最大，可達(dá)2.11%。

奧氏體的強(qiáng)度、硬度較低，但具有良好的塑性，是絕大多數(shù)鋼高溫進(jìn)行壓力加工的理想組織。2.奧氏體：碳溶解在γ-Fe中的間隙固溶體（A），它扔保持γ-Fe的面心立方晶格結(jié)構(gòu)。奧氏體原子排列3.滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）。含碳量為6.69%，硬度很高（大于800HBW），脆性大，塑性和沖擊韌度幾乎為零。4.珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（P）。力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，綜合性能良好。即強(qiáng)度較好，硬度適中，并具有一定的塑性。

鐵素體、奧氏體、滲碳體屬于單相組織，珠光體、萊氏體屬于兩相混合組織。5.萊氏體：奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（Ld）。萊氏體中由于大量滲碳體存在，其性能與滲碳體相似，即硬度高，塑性差。鐵碳合金中的基本相：

在鐵碳合金中一共有三個(gè)相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。

但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個(gè)相，就是鐵素體和滲碳體。

由于鐵素體中的碳含量非常少，所以可以認(rèn)為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中。四、鐵碳合金相圖Fe3CFe2CFeC溫度FeC(6.69%C)Fe–C二元相圖1148℃1.共晶反應(yīng)

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)。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反應(yīng)的產(chǎn)物即萊氏體。

Ld

=A2.11%c+Fe3C6.69%c三種反應(yīng)

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)。A0.77%c

727℃F0.0218%c+Fe3C6.69%c共析反應(yīng)的產(chǎn)物即珠光體。

P=F0.0218%c+Fe3C6.69%c2.共析反應(yīng)三種反應(yīng)3.包晶反應(yīng)L0.53%c+δ0.09%c

1495℃A0.17%c

包晶反應(yīng)是一個(gè)液相與一個(gè)固相相互作用，生成一個(gè)新的固相的過(guò)程。三種反應(yīng)PSK共析線-A1線ECF共晶線ACD線—液相線AECF線—固相線GS線-A3線ES線-Acm線純鐵的熔點(diǎn)1538℃共晶點(diǎn)1148℃滲碳體熔點(diǎn)1227℃共析點(diǎn)727℃同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)912℃碳在奧氏體中的最大溶解度點(diǎn)1148℃

特性點(diǎn)的符號(hào)

溫度

t/℃

碳含量

wc%

含義ABCDEGPS

1538149511481227114891272772700.534.36.692.1100.02180.77純鐵熔點(diǎn)包晶反應(yīng)液態(tài)合金的濃度共晶點(diǎn)

滲碳體的熔點(diǎn)（計(jì)算值）碳在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)α-Fe

γ-Fe同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)碳在α-Fe中的最大溶解度點(diǎn)共析點(diǎn)1.鐵碳合金相圖中的特性點(diǎn)單相區(qū)--5個(gè):

液相區(qū)（L）--ABCD以上區(qū)域；固溶體區(qū)（δ）--AHNA；奧氏體區(qū)（A）--NJESGN；鐵素體區(qū)（F）--GPQ；滲碳體區(qū)（Fe3C）--DFKL線段區(qū)域。兩相區(qū)--7個(gè):7個(gè)兩相區(qū)分別存在于兩個(gè)相應(yīng)的單相區(qū)之間。

L+δ--AHJBA；A+δ--HNJH；

L+A--BJECB；L+Fe3C--DCFD；

A+F--GPSG；A+Fe3C--ESKFCE；

F+Fe3C--PQLKSP。三相區(qū)--3個(gè):（三個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變：包晶、共晶、共析）包晶線--（發(fā)生在1495℃）水平線HJB（L+δ+A）；共晶線--（發(fā)生在1148℃）水平線ECF（L+A+Fe3C）；共析線--（發(fā)生在727℃）水平線PSK（F+A+Fe3C）。2.鐵碳合金相圖中的特性線五、鐵碳合金的分類根據(jù)鐵碳合金相圖，將鐵碳合金分為3類：1.工業(yè)純鐵：wc

＜0.0218%；

2.鋼：（0.0218~2.11%）亞共析鋼（0.0218~0.77%）

共析鋼（0.77%）

過(guò)共析鋼（0.77~2.11%）

3.白口鑄鐵：（2.11~6.69%）亞共晶白口鑄鐵（2.11~4.30%）

共晶白口鑄鐵（4.30%）

過(guò)共晶白口鑄鐵（4.30~6.69%）

低碳鋼（0.0218~0.25%）中碳鋼（0.25~0.6%）高碳鋼（0.6~1.5%）工程實(shí)踐中鋼的分類：亞共析鋼過(guò)共析鋼

過(guò)共晶白口鑄鐵

亞共晶白口鑄鐵工業(yè)純鐵共析鋼共晶白口鑄鐵【任務(wù)實(shí)施】序號(hào)汽車典型零件零件使用工況和性能要求選材分析1

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸曲軸與連桿、軸承連接，形狀與受力復(fù)雜、應(yīng)力集中嚴(yán)重，工作中承受沖擊載荷作用。曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對(duì)速度在軸承中發(fā)生滑動(dòng)摩擦。因此，曲軸材料要具有高的強(qiáng)度、一定的韌性、足夠的疲勞強(qiáng)度和足夠的剛度，并具有高的硬度和好的耐磨性。由Fe-Fe3C相圖可知，曲軸可選用

材料，因?yàn)椋?/p>

2

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷活塞銷在高溫、高壓、高速、潤(rùn)滑不良的條件下工作，承受著交變載荷作用。因此，活塞銷材料應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度，足夠的承受面積和耐磨性，還要表硬里韌、表面耐磨，同時(shí)具有較高的疲勞強(qiáng)度和韌性。由Fe-Fe3C相圖可知，活塞銷可選用

材料，因?yàn)椋?/p>

3發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體氣缸體形狀復(fù)雜，在工作中承受扭轉(zhuǎn)、彎曲，以及螺栓預(yù)緊力等載荷作用。因此，氣缸體必須有足夠的強(qiáng)度，尤其要具有足夠的剛度，以減小變形，保證尺寸的穩(wěn)定性。另外，氣缸體還要具有良好的鑄造性能和切削加工性能。由Fe-Fe3C相圖可知，氣缸體可選用