工程材料学基本概念上课讲义

1、工程材料学基本概念奥氏体奥氏体(Austenite )也称为沃斯田铁或？-Fe，是钢铁的一种显微组织，通常是 ?-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨奥斯汀(William Chandler Roberts-Austen )。丫 Fe为面心立方晶体,其最大空隙为0.51 X 10 8cm (该空隙的数据可能有 误，跟c原子不在同一数量级上)，略小于碳原子半径，因而它的溶碳能力比 a Fe大，在1148C时，丫 Fe最大溶碳量为2.11%,随着温度下降，溶碳能 力逐渐减小，在727C时其溶碳量为0.77%。奥氏体性能特点：奥氏体是一种塑性很好，强度较低的固溶体，

2、具有一定韧性。不具有铁磁性。因此，分辨 奥氏体不锈钢刀具(常见的18 8型不锈钢)的方法之一就是用 磁铁来看刀具是否具有磁性。古代铁匠打铁时烧红的铁块即处于奥氏体状态。影响奥氏体转变速度的因素：1. 加热温度随加热温度的提高，奥氏体化速度加快。2. 加热速度加热速度越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短。3. 合金元素钻、镍等加快奥氏体化过程；铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程；硅、铝、锰等不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长。4. 原始组织原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快，且渗碳体间距越小，转变 速度越快，同时奥氏体晶

3、粒中碳浓度梯度也大，所以长大速度更快。影响奥氏体晶粒长大的因素1. 加热温度和保温时间随加热温度升咼晶粒将逐渐长大。温度愈咼，或在一定温度下，保温时间 越长，奥氏体晶粒也越粗大。2. 钢的成分奥氏体中碳含量增高，晶粒长大倾向增大。钢中加入钛、钒、铌、锆、铝等元素，有利于得到本质细晶粒钢，因为碳 化物、氧化物和氮化物弥散分布在晶界上，能阻碍晶粒长大。锰和磷促进晶粒长大。3. 合金元素C%的影响：C%高，C在奥氏体中的扩散速度以及Fe的自扩散速度均增 加，奥氏体晶粒长大倾向增加，但 C%超过一定量时，由于形成Fe3CH，阻碍 奥氏体晶粒长大；合金元素影响：强碳化物形成元素 Ti、Zr、V、W、Nb

4、等熔点较高，它们 弥散分布在奥氏体中阻碍奥氏体晶粒长大；非碳化物形成元素 Si、Ni等对奥氏 体晶粒长大影响很小。YFe：温度在912C1394E的纯铁，晶格类型是面心立方a Fe, 丫Fe,吝Fe都是纯铁，只是晶格类型不同，这种现象称为同素异构。YFe是面心立方晶格，而a-Fe是体心立方晶格，由于面心比体心排列紧密 所以由 前者转化为后者时，体积要膨胀.纯铁在室温下是体心立方结构，称为 a-Fe。将纯 铁加热，当温度到达910C时，由a-Fe转变为丫Fe, 丫Fe是面心立方结构。继 续升高温度，到达1390E时，Fe转变为Fe,它的结构与a-Fe一样，是体心 立方结构。纯铁随着温度增加，由一

5、种结构转变为另一种结构，这种现象称为 相变。面心立方结构除顶角上有原子外，在 晶胞立方体六个面的中心处还有6个原 子，故称为面心立方。体心立方结构八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，角上奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni8%10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍 不锈钢包括著名 的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加 Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等 元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑 性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加 入S，Ca，S

6、e, Te等元素，则具有良好的易切削性。铁素体铁素体（ferrite，缩写：FN,用F表示）即碳在a-Fe中的间隙固溶体，具有体心 立方晶格。称为铁素体或a固溶体，用a或F表示，a常用在相图标注中，F在 行文中常用。亚共析成分的 奥氏体通过先共析析出形成铁素体。铁素体物理性质：纯铁在912C以下为具有体心立方 晶格。碳溶于a-Fe中的间隙固溶体称为铁素 体，以符号F表示。由于a-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而 溶碳能力极差，在727C时溶碳量最大，可达0.0218%,随着温度的下降溶碳量 逐渐减小，在600E时溶碳量约为0.0057%，在室温时溶碳量约为0.0008%。因 此其

7、性能几乎和纯铁相同，其机械性能如下：抗拉强度180- 280MN/平方米屈服强度100- 170MN/平方米延伸率30-50%断面收缩率70-80%冲击韧性160- 200J/平方厘米硬度 HB 5080由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形 晶粒组织，有时由于各晶粒位 向不同，受腐蚀程度略有差异，因而稍显明暗不同。铁素体在770C以下具有铁磁性，在770C以上则失去铁磁性。（铁素体的居里点为770E ）马氏体马氏体由奥氏体急速冷却（淬火）形成，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没 有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms ）

8、时，马氏体转变开始 产生，母相奥氏体组织开始不稳定。在 Ms以下某温度保持不变时，少部分的 奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才 转变为马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf,马氏体转变结束。马氏体还可以在压力作用下形成，这种方法通常用在硬化陶瓷上（氧化钇、氧化 锆）和特殊的钢种（高强度、高延展性的钢）。因此，马氏体转变可以通过热 量和压力两种方法进行。马氏体和奥氏体的不同在于，马氏体是体心正方结构，奥氏体是面心立方结 构。奥氏体向马氏体转变仅需很少的能量，因为这种转变是无扩散位移型的， 仅仅是迅速和微小的原子重排。马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会

9、 膨胀。相对于转变带来的体积改变，这种变化引起的切应力、拉应力更需要重 视。马氏体在Fe-C相图中没有出现，因为它不是一种平衡组织。平衡组织的形成需 要很慢的冷却速度和足够时间的扩散，而马氏体是在非常快的冷却速度下形成 的。由于化学反应（向平衡态转变）温度高时会加快，马氏体在加热情况下很 容易分解。这个过程叫做回火。在某些合金中，加入合金元素会减少这种马氏 体分解。比如，加入合金元素钨，形成碳化物强化机体。由于淬火过程难以控 制，很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体，然后通过回火去减少马氏体 含量，直到获得合适的组织，从而达到性能要求。马氏体太多将使钢变脆，马 氏体太少会使钢变软。性能众所周

10、知，马氏体是强化钢件的重要手段，而且一般认为，马氏体是一种硬而 脆的组织，尤其是高碳片状马氏体。要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提 高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性，就是说强度和塑性很难兼得。 但是近年来的研究工作表明，这种观点只是适用于片状马氏体，而板条状马氏 体不是这样，板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性和韧性， 同时还具有低的脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低。马氏体的硬度和强度钢中马氏体机械性能的显著特点是具有高硬度和高强度。马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳质量分数。马氏体的硬度随质量分数的增加而升高，当 含碳质量分数达到0.6%时，淬火钢硬度接近最

11、大值，含碳质量分数进一步增 加，虽然马氏体的硬度会有所提高，但由于残余奥氏体数量增加，反而使钢的 硬度有所下降。合金元素对钢的硬度关系不大，但可以提高其强度。莱氏体共析点eutectoidpoint相图内代表共析成分和共析温度的点。 共晶反应是指在一 定的温度下，一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应 例如含碳量 为2.11%-6.69%的铁碳合金，在1148摄氏度的恒温下发生共晶反应，产物是奥氏 体（固态）和渗碳体（固态）的机械混合物，称为"莱氏体".在合金相图上，发生这个反 应在图上表现为一点，那个点就是共晶点共析反应就是指在一定的温度下，一定成分的固相同时析

12、出两种一定成分的固相 的反应铁碳合金相图从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成 分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依 据。中文名铁碳合金相图作用研究碳钢和铸铁成分等之间关系实际是Fe-Fe3C相图简述也是制定各种热加工工艺的依据铁碳合金编辑铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是 纯铁 和Fe3C铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与 碳可以形成不同的固溶体，Fe Fe3C相图上的固溶体都是 间隙固溶体。由于 a -Fe和丫 -Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。1, 铁

13、素体铁素体是碳在a -Fe中的间隙固溶体,用符号"F"（或a ）表示,体心立方晶 格；虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最 多只有0.0218%（727C时），室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度 低而塑性高，并有铁磁性S =30%50%,AKU=128160d b=180280MPa,5080HBS.铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现 明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近 共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围2, 奥氏体奥氏体是碳在丫 -F

14、e中的间隙固溶体,用符号"A"（或丫）表示,面心立方晶 格；虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最 多有 2.11%（1148C 时）,727 C 时为 0.77%.在一般情况下，奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为 7271394C ,故奥氏体的硬度低，塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工， 如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态，所谓"趁热打铁"正是这个意 思.（T b=400MPa,170220HBS$ =40%50%.另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场 的零件或部件奥氏

15、体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在3, 渗碳体渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表 示.它的碳质量分数 Wc=6.69%熔点为1227C,质硬而脆,耐腐蚀.用4%肖酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色，如果用4% 苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状，网状,片状,粒状 等形态,它们的大小，数量,分布对铁碳合金性能有很大影响总结：在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体,奥氏体和渗碳体但奥氏体一般仅存 在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体由 于铁素体中的含

16、碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳 体中.这一点是十分重要的铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入 研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为Fe-Fe3C相图,此时相图的组元为Fe和 Fe3C.由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在 5%以下，因此成分轴从06.69%.所 谓的铁碳合金相图实际上就是 Fe Fe3C相图.相图分析编辑Fe Fe3C相图看起 来比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的,我们 可以将Fe Fe3C相图分成上下两个部分来分析1700150014001300120011001000900 SOO700L+yL14

17、SC4.3/|A+FegCjj+LdAKFen I1227L+FcjC jFtigCj+Ld72710卜 77IIP+FajCV d -Feq+L d$00 II1lILI0 L0 203,0105,0 0Q 6.69也(%)7/A：奧氏体区扌Q皿 轶素体区；L：诂湘区；Re3C/Cm；渗碳ftK；" 固溶体区6& 69 C (%)共晶转变在1148C,4.3%C的液相发生共晶转变：Lc (AE+Fe3C),转变的产物称为莱氏体，用符号Ld表示.存在于1148C 727C之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织 由奥氏体和渗碳体组成；存在于727°C以下的莱

18、氏体称为变态莱氏体或称低温莱 氏体,用符号Ld /表示,组织由渗碳体和珠光体组成.低温莱氏体是由珠光体,Fe3CH和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸 酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在 Fe3C基体上,Fe3CH和共晶Fe3C交织在一起，一般无法分辨.共析转变在727C ,0.77%的奥氏体发生共析转变：AS (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体.共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体.特征点相图中应该掌握的特征点有：A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义一定 要搞清楚.根据相图分析如下点：相图中重要的点(14个)：1. 组元的

19、熔点：A (0, 1538) 铁的熔点；D (6.69, 1227) Fe3C 的熔点2. 同素异构转变点:N(0, 1394) S -Fe 丫 - Fe;G(0, 912) 丫 -Fe a -Fe 相图3. 碳在铁中最大溶解度点：P(0.0218,727),碳在a -Fe中的最大溶解度E(2.11,1148),碳在丫 -Fe中的最大溶解度H (0.09,1495),碳在S -Fe中的最大溶解度Q(0.0008,RT),室温下碳在a -Fe中的溶解度三相共存点：S(共析点,0.77,727),(A+F +Fe3C)C(共晶点,4.3,1148),( A+L +Fe3C)J(包晶点,0.17,1

20、495)( S + A+L )其它占/、L_I 八、B(0.53,1495),发生包晶反应时液相的成分F(6.69,1148 ),渗碳体K (6.69,727 ),渗碳体特性线相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线,PSK线（A1线）,GS线（A3线）,ES线 （ACM线）水平线ECF为共晶反应线.碳质量分数在2.11%6.69%之间的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共 晶反应.水平线PSK为共析反应线碳质量分数为0.0218%6.69%的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共析 反应.PSK线亦称A1线.GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线,通常称A3线.ES线是碳在A中的固溶线，通常

21、叫做Acm线.由于在1148C时A中溶碳量 最大可 达2.11%,而在727C时仅为0.77%,因此碳质量分数大于0.77%的铁碳 合金自1148C冷至727C的过程中，将从A中析出Fe3C.析出的渗碳体称为 二 次渗碳体（Fe3CII）. Acm 线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线.PQ线是碳在F中固溶线.在727C时F中溶碳量最大可达0.0218%,室温时 仅为0.0008%,因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727C冷至室温的过 程中，将从F中析出Fe3C.析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CIII）.PQ 线亦为 从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线.Fe3CI

22、II数量极少，往往予以忽略.相图相区1. 单相区（4 个+1 个）:L, S ,A,F，（+ Fe3C）2. 两相区（7 个）:L + S 丄 + Fe3C丄 + A, S + A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.3碳量影响编辑1 含碳量对铁碳合金平衡组织的影响按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组 成物间的定量关系2. 含碳量对机械性能的影响渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越 低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下 降，且强度也随之降低。3. 含碳量对工艺性能的影响对切削加工性来说，一般认

23、为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑 性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造 时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过 烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的 铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来 讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢

24、比高碳钢更容易 焊接。4晶界晶界是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。在晶界面上，原子排列从一 个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。无机非金属材料是由微细粉料烧结而成的。在烧结时，众多的的微细颗粒 形成大量的结晶中心。当它们发育成晶粒并逐渐长大到相遇时就形成晶界。晶界上原子排列较晶粒内疏松，因而晶界易受腐蚀（热侵蚀、化学腐蚀） 后，很易显露出来；由于晶界上结构疏松，在 多晶体中，晶界是原子（离子） 快速扩散的通道，并容易引起杂质原子（离子）偏聚，同时也使晶界处熔点低 于晶粒；晶界上原子排列混乱，存在着许多空位、位错和键变形等缺陷，使之处于应力畸

25、变状态。5位错位错又可称为差排（英语：dislocatio n），在材料科学中，指晶体材料的 一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度 看，位错属于一种 线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的 分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。位错”这一概念最早由意大利数学家和物理学家维托 伏尔特拉(Vito Volterra )于1905年提«列塑注轉的聋莎I)甥带也桝的潸棒丼型SO.COM魏氏体铁素体魏氏体铁素体： Widma nstätten Ferrite在钢的过冷转变中还存在一种常见的组织即魏氏体铁素体，其在较

26、低的过冷度下形成。由于铁素体板条 快速向原奥氏体晶粒内部生长且在某一方向上速度特别大，因而其在形态上是 平行的尖角状，并且在铁素体板条间可以有残留奥氏体、马氏体和珠光体相。 一般认为，一次魏氏体铁素体直接从原奥氏体晶界伸入奥氏体晶粒内；二次魏 氏体铁素体在晶界铁素体上形成。一次板条魏氏体铁素体也可直接在晶内夹杂 物处形成。二次板条魏氏体铁素体也可在已经形成的晶内铁素体上形成。贝氏体奥氏体钢等温淬火后的产物。是将钢件奥氏体化，使之快冷到贝氏体转变 温度区间（260400C ）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体。贝氏体具有较高的强韧性配合。在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体，可 以达到

27、马氏体的13倍。贝氏体（bainite ）又称贝茵体。钢中相形态之一。钢过冷奥氏体的中温 （Ms550C）转变产物，a -Fe和Fe3C的复相组织。用符号B表示。贝氏体转 变温度介于珠光体转变与马氏体转变之间。在贝氏体转变温度偏高区域转变产 物叫上贝氏体（up bai-nite）（350C550C），其外观形貌似羽毛状，也称羽毛状贝氏体。冲击韧性较差，生产上应力求避免。在贝氏体转变温度下端偏低温度区域转变产物叫 下贝氏体（Ms350C）。其冲击韧性较好。为提高韧性， 生产上应通过热处理控制获得下贝氏体。上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的断续的，短杆状的

28、渗碳体组 成。下贝氏体由含碳过饱和的片状铁素体和其内部析出的微细的碳化物组成。6淬火钢的淬火是将钢加热到临界温度 Ac3 （亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上 温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的 冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理 工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。包括加热、保温、冷却3个阶段。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏 体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、 疲劳强度以及韧性等，从而满足

29、各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。7退火将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后 进行缓慢冷却（冷却速度最慢），目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态， 获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备.8正火将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是 得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的 零件作为最终热处理。9回火为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710C的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。淬火工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工 艺。最常见的有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与 回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。气冷淬火专指在真空中加热和在高速循环的负压、常压或高压的中