工程材料的分类.doc

工程材料的分类 材料(metals)是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础，反映人类社会文明的水平。材料、生物、能源、信息是支撑人类文明大厦的四大支柱技术。 人类经历了石器时代（古猿到原始人的漫长进化过程，使用燧石和石英石原料），新石器时代（原始社会末期开始用火烧制陶器），青铜器时代（公元前2140年开始），铁器时代（春秋战国时期开始大量使用铁器），钢铁新时代（18世纪后），二十世纪五、六十年代钢铁基本达到鼎盛时期,现在进入了有机合成材料、复合材料、陶瓷材料、功能材料等新材料快速发展的时期。 工程材料主要是用来制造工程构件和机械零件，一般将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等四大类。 1.金属材料黑色金属铁和以铁为基的合金(钢、铸铁等)。 有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。 2.高分子材料塑料主要指工程塑料，又分热塑性和热固性塑料。 合成纤维由单体聚合而成再经过机械处理成的纤维材料。 橡胶经硫化处理，弹性优良的聚合物，分通用橡胶和特种橡胶。 胶粘剂分树脂型、橡胶型和混合型。 3.陶瓷材料普通陶瓷主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料。 特种陶瓷高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等烧结材料。 金属陶瓷用生产陶瓷的工艺来制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制品。 4.复合材料：是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。 按基体相种类分：聚合物基、金属基、陶瓷基、石墨基等。 按用途分：结构、功能、智能复合材料。 1 三种常见的金属晶体结构 金属材料结构与组织2 固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体，晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体，如金刚石、水晶、金属等。非晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，如松香、石蜡、玻璃等。在一定的条件下晶体和非晶体可以互相转化（I2-1）。 晶体结构是晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。晶格是假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。能反映晶格特征的最小组成单元称为晶胞（I2-2）。晶格常数指的是晶胞的三个棱边的长度a,b,c。 常见的金属晶体结构有 体心立方晶格（BCCBody-CenteredCube），典型代表为钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、-Fe等，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，如图2所示。 面心立方晶格（FCCFace-CenteredCube），典型代表为铝、铜、镍、金、银、-Fe等，原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图1所示。 密排六方晶格（HCPHexagonalClose-Packed）典型代表为镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。12个原子分布在六方体的12个角上，上下底面中心各分布一个原子，上下底面之间均匀分布3个原子，如图3所示。 图1面心立方晶格图2体心立方晶格图3密排六方晶格 原子半径指的是晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，致密度指的是晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 体心立方模型与晶胞示意图（I2-3）,在体心立方晶格中如图4： 图4 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90晶胞原子数：2 原子半径：致密度：0.68 面心立方模型与晶胞示意图（I2-4），在面心立方晶格中如图5： 图5晶格常数：a=b=c；a=b=g=90晶胞原子数：4 原子半径： 致密度：0.74 密排六方模型与晶胞示意图（I2-5）,在密排六方晶格中如图1-6： 图6底面边长a 底面间距c 侧面间角120侧面与底面夹角90 晶胞原子数：6 原子半径：a/2 致密度：0.74 三种晶胞类型的模型对比示意图（I2-6）。 2.金属晶体的特性 金属晶体区别于非晶体是其具有确定的熔点。在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而金属晶体不同方向上的性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性，而非晶体则是各向同性的。但是对于实际的金属，其内部是由许多的晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。 3.实际金属中的晶体缺陷 实际金属的结构中存在许多不同类型的缺陷，按几何特征可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 点缺陷如图7，指的是三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。它包括空位、间隙原子、异类原子。当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。 图7点缺陷示意图 线缺陷指的是原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：位错。 位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线，电子显微镜下的位错（I2-7）。由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，图8a为一种最简单的“刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。图8b为一种“螺型位错”，晶体右边上部相对于下部晶面发生错动。 图8b螺型位错示意图 图8a刃型位错示意图刃型位错与螺型位错的形成动画（M2-1）。 晶体中存在大量的位错，一般用位错密度来表示位错的多少。位错密度指单位体积中 位错线的总长度或单位面积上位错线的根数，由于位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶 格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明：晶体的强度和位错密度 有如图9的对应关系，当晶体中位错密度很低时，晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很 高时，其强度也很高。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能满足使用上的 要求。而位错密度很高易实现，如剧烈的冷加工可使密度大大提高，这为材料强度的提高提 供途径。 图9金属强度与位错密度的关系 面缺陷指的是原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小的缺陷，包括晶界（晶粒与晶粒之间的接触界面）和亚晶界（亚晶粒之间的边界）两种。如图10所示。显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。 图10面缺陷 合金的晶体结构 1.固溶体 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成具有金属特性的物质叫合金，组成合金独立的、最基本的单元叫组元。 而相指的是化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相固溶体和化合物。 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体，按溶质原子在溶剂晶格中的位置可分为置换固溶体和间隙固溶体，按溶质原子在溶剂中的溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体，按溶质原子在固溶体中分布是否规律可分为无序固溶体和有序固溶体。 由于溶质原子溶入固溶体导致晶格发生畸变，晶格畸变随着溶质原子浓度的增大而增大，位错运动的阻力也随之增大，使金属的滑移变形变得困难，从而提高合金的强度和硬度，这种现象就是固溶强化，是金属强化的一种重要形式。 2.金属化合物 合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相称为金属化合物，化合物类型包括正常价化合物、电子化合物、间隙化合物三种，间隙化合物按非金属原子半径与金属原子半径的比值可分为间隙相和复杂结构的间隙化合物。 正常价化合物按化合价规律形成，如，Mg2Si。 电子化合物按电子浓度规律形成，如，Cu3Al。 间隙化合物过渡金属+小半径非金属元素。当r非/r金0.59时，形成复杂结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6。间隙化合物熔点高、硬度高，脆性大。是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。 金属材料的组织 组织指的是在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌，与相是两个不同的概念。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相构成。 金属材料的性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能，如45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织，从而获得不同的性能。所以，金属材料的 成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。纯金属的结晶 1.纯金属结晶的条件 通过实验，测得液体金属在结晶时的温度时间曲线（冷却曲线）如图1。左边图表示理论结晶温度曲线，右边图表示实际结晶温度曲线，从图1看出实际金属结晶开始温度低于理论结晶温度。所以把这种结晶时实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象称为过冷。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热，抵消了向外界散发的热量。 过冷度:?T=T0-T1（冷却速度?T），也就是实际结晶温度与理论结晶温度的差值。过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 图1液体金属结晶曲线 过冷是结晶的必要条件，也是结晶的动力。 2.纯金属结晶过程 液态金属结晶是有生核和长大两个基本过程来实现的，晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 结晶过程如图2所示。 图2结晶过程 晶核的形成，两种方式： 自发形核从液体结构内部有金属本事源自发长出的结晶核心。 非自发形核实际金属中的杂质能够促进晶核在其表面上生成，故这种依附于杂质而生成的晶核叫做非自发形核 自发形核与非自发形核同时存在，非自发形核起主导作用。 晶体的长大 平面长大在冷却速度较小的情况下纯金属晶体主要一其表面向前平行推移的方式长大，进行平面式的长大。在实际金属的结晶中是很少见的，如图3。 树枝状长大当冷却速度较大特别是存在杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形式长大，如图4。实际金属结晶主要以树枝状长大，其原因是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴等等，树枝间最后被填充。树枝状长大的显微照片（I3-1）。 图3平面长大图4树枝长大可用显微电镜拍摄晶核的树枝状长大过程，金属与冰晶核树枝状长大的树枝晶对比（I3-2）。 同素异构转变 同素异构转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似，故称为二次结晶或重结晶。 以纯铁为例，图1为纯铁在结晶时的冷却曲线。 图1纯铁结晶冷却曲线 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为： 以不同的晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同素异晶体，如图中-Fe、 -Fe（I3-4）、a-Fe(I3-3)均为纯铁的同素异晶体。 因为同素异构转变时，金属晶格发生改变，导致金属的体积发生变化，转变时会产生较大的内应力，例如，-Fe转变为a-Fe，铁的体积会膨胀约1%。 细化铸态金属晶粒的措施 晶粒的大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细。对于纯金属，决定其性能的主要结构因素是晶粒大小。晶粒越小，金属的强度、塑性和韧性越好。 细化晶粒的主要方式有： 图1成核速率、长大速度与过冷度关系1.增大金属的过冷度 由结晶过程可知，成核速率越大，则结晶后晶粒越多，晶粒越细；晶核长大速度越快，晶粒越粗。成核速率、长大速度与过冷度密切相关，如图1,则希望成核速率与长大速度的比值越大，晶粒越小。 增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度，采用冷却能力强的模具。但是对大铸件或厚薄差别大的铸件，冷速过快会导致铸件变形、开裂,故只适用于小铸件。 2.变质处理由于大铸件以及形状复杂铸件获得大的过冷度是比较困难的。所以常用变质处理来细化晶粒。变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织，变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。钢中常用的变质剂为V,Ti,Al。 变质处理常用于大铸件，实际效果较好。 3.振动与搅拌 方式有机械振动、超声振动，或电磁搅拌等，作用是使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。铸锭的结构 1.铸锭结构 铸锭可以设想为一种形状简单的大铸件，具有最典型的铸造结构，整个体积明显的分为三个晶区，如图1。 图1铸锭结晶组织 细等轴晶区外层金属过冷度大，生成大量晶核，晶粒很细。 柱状晶区锭模温度升高，冷却速度降低，过冷度减少。结晶时，晶核向液体内部平行长大，形成柱状晶区。 粗等轴晶区冷却速度降低很多，过冷度大大减小，温度差趋于均匀化，晶核向各个方向均匀长大，形成粗大的等轴晶区。 2.铸锭晶粒形状影响因素 柱状晶由外往里顺序结晶的，晶质较密。铁、镍及其合金含杂质，不希望生成柱状晶。铝、铜有色金属希望得到柱状晶。柱状晶性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高。铸造温度高，冷却速度大，利于形成。采用定向结晶方法获得柱状晶。 等轴晶无弱面，就、晶枝彼此嵌入，结合较牢，性能均匀，无方向性。一般如钢铁铸件所要求的结构。铸造温度低，冷却速度小，利于形成。采用振动，搅拌方法获得。 3铸锭的缺陷 缩孔凝固时体积收缩，顺序结晶时，最后凝固的地方发生收缩，如得不到液体补充则形成缩孔，为集中缩孔，一般要切除。 疏松即分散缩孔，是树枝晶结晶时不能保证液体供给形成细小分散缩孔。提高浇注液面，改善液体补给条件。 气孔金属液体比固态溶解的气体多，凝固时要析出气体，铸型中水分，浇注液体流动产生气体，这些气体没及时排出，就会留在金属内部，形成气泡。表面附近气孔为皮下气孔，铸锭轧制时造成微细裂纹起皱，严重影响金属质量二元合金的结晶 合金的结晶过程用合金相图来分析。相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图（I3-5）。平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相成分和相对质量不在变化所达到的一种状态。常压下，二元合金相状态决定于温度和成分，采用热分析法建立起来。因此二元相图可用温度成分坐标系的平面图来表示，如图1。图1二元相图1.发生匀晶反应的合金的结晶 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图，CuNi相图为典型的匀晶相图如图2。 相图分析：L为液相，是Cu、Ni形成的液溶体；a为固相，是Cu和Ni形成的无限固溶体，图中有两个单相区，一个双相区。 结晶过程分析： 以KK线成分合金为例，在1点温度以上，合金为液相L。缓慢冷却至14之间时，合金发生匀晶反应：La，从液相中逐渐结晶出a固溶体。4点以下，合金全部结晶为a固溶体。 匀晶结晶特点： 固溶体从液相中结晶出来的过程也包括生核和长大两个过程，树枝状长大。 变温结晶过程. 在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的（即Ni的质量分数）。 在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的 固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时源自扩散充分，形成成分均匀的固溶体， 若冷区较快，原子扩散不充分，形成成分不均匀的固溶体，先结晶的树枝晶轴含熔点高的组元较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元较多，结果造成一个晶粒内化学成分分布不均，这种现象称为枝晶偏析。枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性、工艺性能都不利。生产上把合金加热到高温，低于固相线100，进行长时间保温，是原子扩散充分，得到均匀固溶体，这种处理称为扩散退火。 杠杆定律： 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：Cu-Ni匀晶相图如图3所示。 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。 图3Cu-Ni匀晶相图 确定两平衡相的相对重量： 设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Qa。则QL+Qa=1 QLx1+Qax2=x 解方程组得， 图4杠杆原理图 式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。 因此两相的相对重量百分比为： 两相的重量比为： 图5共晶相图上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律，如图4所示。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。 2发生共晶反应的合金的结晶 两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。PbSn合金相图为典型共晶相图如图5。 相图分析： 合金系有三种相：Pb与Sn形成的液溶体L。Sn溶于Pb的有限固溶体a相，Pb溶于Sn的有限固溶体相。图中有三个单相（L、a、），三个双相区（L+a、L+、a+）,一条L+a+的共存线水平线MEX。图中E点为共晶点。 结晶过程分析:一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。Le?am+bx合金I的平衡结晶过程如图6所示：液态合金冷却到1点温度后发生匀晶结晶过程，至2点温度完全结晶成a固溶体，随后23点间冷却，a相不变。从3点温度开始，随着 Sn在a固溶体中的溶解度沿MF线下降，从a中析出II，到室温时a相中Sn的质量分数逐渐变为F点，最后合金得到组织为a+II。 图6合金I的平衡结晶过程 合金的平衡结晶过程如图7所示：合金为共晶合金，合金从液态冷却到E点后发生共晶反应。 Le?am+bx共晶结束后，随温度下降，a和b的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶a中析出b，从共晶b中析出a，由于共晶组织细，a与共晶a结合，b与共晶b结合，共晶合金的室温组织仍为(a+b）共晶体。 图7合金的平衡结晶过程 Pb和Sn生成的共晶组织（I3-6）。 合金的结晶过程如图8所示：合金是亚共晶结晶，合金冷却到1点温度时，由匀晶反应生成A固溶体，初生固溶体。从1点到2点冷却过程中，初生a沿AC线变化，液相成分沿AE线变化，到2点温度时，合金由M点的a固溶体和E点的液相组成。然后液相进行共晶反应，合金转变为(a+)共晶体。温度继续下降，将从一次a和共晶a中析出b，从共晶b中析出a。其室温组织为a+(a+b)+b。 图8亚共晶结晶相图 过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为b,二次相为a，室温组织为b+(a+b)+a。 综合上述几种合金成分的结晶过程后，各成分冷却到室温的组织组成物的标注如图9所示。 图9各成分组织组成物 3.发生包晶反应的合金结晶 当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，发生包晶反应。PtAg合金具有包晶相图如图10所示。 相图分析：相图中存在三种相：Pt与Ag形成的液溶体L相，Ag溶于Pt的有限固溶体a相，Pt溶于Ag的有限固溶体相。e为包晶点。 结晶过程分析:合金I的结晶过程：合金I冷却到1点时结晶出a固溶体L相成分沿ac线变化，a相沿ad线变化，合金冷却到e点前由d点的a相和c点的液相组成。在e点温度时发生包晶反应LC+ad?e，相包围a相而形成，反应结束后，L相与a相正好耗尽。形成e点成分的固溶体，温度下降，从中析出aII。 图10包晶相图 4.发生共析反应的合金的结晶 共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。如图11其下半部为共析相图。 相图分析：c点成分的合金从液相经过匀晶反应生成相后，继续冷却到c点温度， 在此恒温下发生共析反应，同时析出d点的a相和e点的相，c?ad+e，即由一种固相转变成两种完全不同的相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。图11共析反应相图 5.含有稳定化合物的合金的结晶 在某些二元合金中，常形成一种或几种稳定化合物。这些化合物具有一定的化学成分、固定的熔点，且熔化前不分解，也不发生其他的化学反应，分析这类相图时，可把稳定化合物看成一个独立的组元，并将整个相图分割成几个简单相图。合金的性能与相图的关系 1. 合金的使用性能与相图的关系 如图1表示具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性能随成分而变化的一般规律。 固溶体中溶质浓度强度、硬度 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。 对两相机械混合物的合金，其强度与硬度性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如： s混=sa?Qa+s?Q HB混=HBa?Qa+HB?Q 2. (Qa、Q为两相相对重量)图1合金的使用性能与相图的关系 2.合金的工艺性能与相图的关系 如图2表示合金的铸造性能与相图的关系。 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之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，流动性好，不易形成分散缩孔，对浇注和铸造质量有利。 合金液相、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大。 铸造合金常选用共晶或结晶共晶的成分。 合金的铸造性能与相图的关系 另外，单相成分合金的锻造性能好。 shi金的结晶 铁碳相图 铁碳合金相图如图1所示。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。 Fe-Fe3C相图的组元:Fe性能特点强度低、硬度低、韧性、塑性好。抗拉强度b=180230MPa；延伸率=3050；断面收缩率=7080；硬度50HBS80HBS。 Fe3C（Cem，Cm） 性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 抗拉强度b=30MPa；硬度800HBS。 Fe-Fe3C相图中的相和组织 共有五种相和五种组织，包括： 液相L 相高温铁素体（C固溶到Fe中的间隙式固溶体） 相铁素体F（C固溶到-Fe中的间隙式固溶体）特点为强度、硬度低、塑性好（室温含碳量：C%=0.0008%,727度时的含碳量：C%=0.0218%） 相（C固溶到-Fe中的间隙式固溶体）强度低，易塑性变形。 Fe3C，性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 五种组织： 铁素体，显微组织（I3-7）。 性能特点强度低、硬度低、韧性、塑性好。抗拉强度b=180230MPa；延伸率=3050；断面收缩率=7080；硬度50HBS80HBS。 渗碳体，显微组织（I3-8）。 性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 奥氏体（A）显微组织（I3-9）。：强度低，易塑性变形。 珠光体P（铁素体和渗碳体的共析混合物），显微组织（I3-10）。 A0.77F0.0218+Fe3C 抗拉强度b=770MPa，延伸率=2035，硬度180HBS，断面收缩率=4060 莱氏体，显微组织（I3-11）。L4.3A2.11+Fe3C高温莱氏体Le（奥氏体和渗碳体的共晶混合物）和低温莱氏体Le，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 图1铁碳合金相图 2.相图中重要的点和线 J为包晶点合金在平衡结晶冷却到1495时B点成分的L与H点成分的发生包晶反应生成J点成分的A（），恒温进行，三相共存。 C点为共晶点合金在平衡结晶冷却到1148时，C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。恒温进行，三相共存。奥氏体和渗碳体的混合物即莱氏体。 S点为共析点合金在平衡结晶冷却到727时，S点成分的A发生共析反应，生产P点成分的F和Fe3C，恒温进行，三相共存。铁素体和渗碳体的共析混合物，称为珠光体。 相图中ABCD为液相线，AHJECF为固相线。 水平线HJB为包晶反应线，碳质量分数为0.09%-0.53%的铁碳合金在平衡结晶时均发生包晶反应。 水平线ECF为共晶反应线，碳质量分数在2.11%6.69%的铁碳合金在平衡结晶时均发生共晶反应。 水平线PSK为共析反应线，碳质量分数在0.0218%6.69%的铁碳合金在平衡结晶时均发生共析反应。 GS线是合金冷却时A中开始析出F的临界温度线，称为A3线。 ES线是碳在A中的固溶线称为Acm线，由于在1148时溶碳量达2.11%，在冷却到727时溶碳量为0.77%，故冷却时，将从A中析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3C。 PQ线是碳在F中的固溶线，在727时F中溶碳量达0.0218%，室温时仅为0.0008%，故冷却时将从F中析出Fe3C，称为三次渗碳体Fe3C。Fe3C极少，予以忽略。 3.典型铁碳合金的平衡结晶过程 根据铁碳合金相图，铁碳合金可分为三类： 工业纯铁C%0.0218%钢0.0218%C%2.11%亚共析钢0.77%共析钢0.77%过共析钢0.77%白口铸铁2.11%C%6.69%亚共晶白口铁4.3%共晶白口铁4.3%过共晶白口铁4.3%工业纯铁 如图2所示：以碳质量分数为0.01%的铁碳合金为例，合金在1点以上为液相L，12点间结晶出相，从3点起，逐渐转变为A，至4点全部转变为A，45间冷却不变，从5点起，A中析出F，至6点完全为F,67点冷却不变，78点从F中析出Fe3C。F呈白色块状。 图2工业纯铁平衡结晶过程 (2)共析钢(C%=0.77%)共析钢冷却曲线与平衡相图如图3所示。合金冷却时，于1点起从L中析出A，至2点全部结晶；23点间A冷却不变；至3点A发生共析反应生成P。冷却至室温组织不变，皆为P,P呈片状。珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 P中各相的相对量： Fe3C%=(0.77xF)/(6.69xF)0.77/6.69=12%F%112%=88%图3共析钢冷却结晶过程 (3)亚共析钢(0.0218%C%0.77%)以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例，冷却曲线与平衡结晶过程如图4所示。合金冷却时，从1点起至L中结晶出，至2点时，L的成分变为C%=0.53%，成分变为C%=0.09%，发生包晶反应生成A0.17，结束后尚有多余的L。至3点L中完全结晶为A。在34间冷却不变，4点起，A中析出F，F在A的晶界处优先生核并长大，而A和F分别沿GS和GP线变化，至5时，A的成分变为C%=0.77%，F的成分变为C%=0.0218%，此时A发生共析反应，转变为P，F不变。从5点冷却，室温剩下组织为P+F。F为白色块状，P为层片状。放大倍数不高时呈黑色块状，质量分数大于0.6%的亚共析钢，室温平衡组织中F呈白色网状包围在P周围。其结晶过程动画（M3-1）可描述组织转变过程，最终冷却到室温得到的显微组织（I3-12）。 C%=0.4%的亚共析钢的组织组成物为F和P,它们的质量分数为： P%=(0.40.0218)/(0.770.0218)51%F%151%=49%此钢的组成相为F和Fe3C，它们的质量分数为： Fe3C%0.4/6.69=6%F%16%=94%亚共析钢的中碳的质量分数可由其室温平衡组织来估算。 C%=P%0.77%图4亚共析钢冷却结晶过程 (4)过共析钢(0.77%C%2.11%)以碳质量分数为1.2%的铁碳合金为例，冷却曲线和平衡结晶过程如图5所示。合金冷却时，从1点起自L中结晶出A，至2点全部结晶完。，2至3点冷却，从3点开始，由A析出Fe3C，Fe3C呈网状分布在A晶界上。至4点时A中碳的质量分数降为0.77%，发生共析反应生成P，之后冷却至室温。室温平衡组织为P+Fe3C。，Fe3C呈网状分布在层片状P的周围。最终冷却到室温得到的显微组织（I3-13）。 C%=1.2%的过共析钢的组织组成物为P和Fe3C，组织组成相为F和Fe3C。它们的相对质量分数为： Fe3CII%=(1.20.77)/(6.690.77)7%P%17%=93%此钢的组成相为F和Fe3C，它们的质量分数为： Fe3C%1.2/6.69=18%F%118%=82%图5过共析钢冷却结晶过程 (5)共晶白口铁(C%=4.3%)如图6所示，合金在1点发生共晶反应，由L转变为高温莱氏体LeA+Fe3C。12点间Le中的A不断析出Fe3C。到2点时A碳质量分数降为0.77%，并发生共析反应转变为P。高温莱氏体转变为低温莱氏体LeP+Fe3C+Fe3C，室温平衡组织为Le，由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成。最终冷却到室温得到的显微组织（I3-14）。 图6共晶白口铸铁冷却结晶过程 (6)亚共晶白口铁(2.11C%4.3%)以碳质量分数为0.3%的铁碳合金为例，如图7所示。合金自1点起，从L中结晶出初生A，至2点时L成分变为C%=4.3%，发生共晶反应转变为Le，而A不参与。至3点时A发 生共析反应转变为P，高温莱氏体转变为低温莱氏体。最终冷却到室温得到的显微组织（I3-15）。 图7亚共晶白口铸铁冷却结晶过程 ()过共晶白口铸铁(4.3%C%=3%)过共晶白口铸铁室温平衡组织为Le和Fe3C。结晶过程如图8。 图8过共晶白口铸铁冷却结晶过程 1-2点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3C表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。2点以下,Fe3C成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3C+Le。最终冷却到室温得到的显微组织（I3-16）。 根据以上对铁碳合金的结晶过程分析可将组织标注在铁碳相图中如图9所示。 图9铁碳合金结晶过程组织4铁碳合金的成分-组织-性能关系 按照铁碳相图，铁碳合金在室温下组织借由F和Fe3C两相组成，两相的相对质量分数由杠杆定律确定。 相图的形状与合金的性能之间存在一定的对应关系。铁碳合金的性能与成分的关系如图10所示。 图10铁碳合金的成分-组织-性能的对应关系 由图10可知： 硬度主要决定于组织组成相或组成物的硬度和相对数量，而受它们的形态影响较小，随着碳质量分数的增加，硬度高的Fe3C增多，硬度低的F减少，故合金硬度呈直线关系增大。 强度对于组织形态很敏感的性能。随碳质量分数的增加，亚共析钢中的P增多而F减少。P的强度较高，其大小与细密程度有关。组织越细密，强度值越高。故亚共析钢的强度随碳质量分数增加而增加，但当碳质量分数超过共析钢后，由于强度很低的Fe3C出现，合金强度增加变慢，碳质量分数约为0.9%时，Fe3C沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。 塑性Fe3C是铁碳合金中极脆的相，没有塑性。合金塑性变形全部由F提供，故随着碳质量分数增加，合金的塑性连续下降。白口铸铁时，塑性几乎为零。 碳钢的硬度、强度、塑性和碳质量分数的共析如图11。应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织做如下估算： 硬度80（F）+180（P）或硬度80（F）+800（Fe3C）HB强度230（F）+770（P）MPa延伸率50（F）+20（P） 图11碳钢的硬度、强度、塑性和碳质量分数的共析 5铁碳相图的应用钢铁材料的选用 建筑结构和各种型钢需塑性、韧性好的材料，因此选用碳质量分数较低的钢材。各种机械零件需要强度、塑性、韧性都较好的材料，应选用中碳钢。 各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选用高碳钢。 纯铁的强度低，不宜做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料 根据相图确定浇注温度，一般在液相线以上50100。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，不能锻造，但耐磨性好，铸造性能优良，适于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。 在铸造工艺方面的应用 从相图上看，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们凝固区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可获得致密的铸件。 铸钢生产中，碳质量分数在0.15%0.6%之间碳钢结晶温度区间较小，铸造性能较好。 在热锻、热轧工艺方面应用 钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性，因此锻造或轧制选在单项奥氏体区内进行。 热处理方面应用 退火、淬火、正火的加热温度都依据铁碳相图确定的。金属的塑性变形 1.单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的基本方式滑移和孪生（1）滑移如图1所示，在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。 滑移的特点： 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿滑移面作整体的滑动。 图1滑移示意图 滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目，材料塑性；滑移方向，材料塑性。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，金属塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。 滑移时晶体伴随有转动，如图2所示。 图2滑移中的转动 （2）孪生 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。如图3所示。 图3孪生 金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生。 2多晶体的塑性变形 多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。 细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。 强化原理： 晶界原子排列较不规则缺陷多滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。 晶粒越细小，单位体积晶粒多变形分散减少应力集中，晶粒越细小，晶界多不利于裂纹的传播断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。 3塑性变形对金属组织和性能的影响 （1）塑性变形对金属组织的影响 形成纤维组织晶粒变形，沿变形方向被拉长为细条状，形成纤维组织。 形成亚结构 产生形变织构当金属塑性变形到很大的程度时，晶粒转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，此有序化的结构称为形变织构。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率，如图4所示。图4形变形变织构与制耳示意图 纯铁在塑性变形前后的显微组织变化如图5所示。 图5纯铁塑性变形前后组织对比 （2）塑性变形对金属性能的影响产生加工硬化金属发生塑性变形,随变形度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板冷拔钢丝等。其原因主要有随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。随变形量增加，亚结构细化，另外随变形量增加,空位密度增加。由于加工硬化,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形。没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向。 使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。易变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度。 塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化金属经冷变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。如图1所示。 图1金属的回复、再结晶和晶粒长大示意图 1.回复 变形后的金属在较低温度进行加热，发生回复过程。T回复=（0.250.3）T熔点。 （1）变化因加热温度不高，原子扩散能力不大，只是晶粒内部位错、空位。间隙原子等缺陷通过移动复合消失大大减少，而晶粒仍保持变形后状态。回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性增高，但残余应力大大降低。 （2）应用工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。 2.再结晶 变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶。 T再=（0.350.4）T熔点应用变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。 工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。以利于后面的变形加工。 影响再结晶温度的因素为： （1）金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。当变形度达到一定值