金属材料的结构与组织 PPT课件

金属材料的结构与组织 材料科学与工程系山东电力高等专科学校 1纯金属的晶体结构 金属材料通常都是晶体材料 金属的晶体结构决定着材料的显微组织和材料的宏观性能 1 1晶体的基本概念 非晶体其内部原子杂乱无章地无规则堆积 如玻璃等 晶体指材料中的原子 离子或分子 在空间呈规则 周期性排列的物体 晶体结构晶体中原子 离子或分子 在空间规则排列的方式 在讨论晶体结构时 可以假设晶体内的原子 或离子 是一些静止不动的小球 则各种晶体结构就可以看成是由这些小球按一定几何方式紧密排列堆积而成的 原子 离子 排列刚球模型 晶格 为了表述晶体内部原子排列的细节 可把原子抽象为一个几何点 而把原子之间的相互作用假想为几何直线 这种用于描述原子在晶体中排列的三维空间几何点阵称为晶格 晶格中直线的交点称为结点 晶格 晶胞构成晶格的最基本单元 晶胞在三维空间的重复排列构成晶格 晶胞的基本特性即反映该晶体结构 晶格 的特点 晶胞 X Y Z 晶格常数a b c 若a b c 90 这种晶胞就称为简单立方晶胞 具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格 晶格参数晶胞的棱边长度a b c和棱间夹角 是衡量晶胞大小和形状的六个参数 称为晶格参数 晶格常数指棱边长度a b c 体心立方晶格 bcc 面心立方晶格 fcc 密排六方晶格 hcp 1 2三种常见的金属晶体结构 bcc fcc hcp 晶体的晶格共有14种 1 体心立方体晶格属于立方晶系 晶格参数为a b c 90 晶胞是一个正立方体 立方体八个角和体心处各有一个原子 晶胞的原子数为2个 1 8 8 1 属此晶格的金属有 铁 铬 钨 钼 钒 钛 铌等 体心立方晶胞示意图 致密度 0 68 即晶格中有68 的体积被原子占有 其余为空隙 2 面心立方体晶格也属于立方晶系 晶格参数为a b c 90 晶胞是一个正立方体 立方体的八个角和六个面的面心各有一个原子 晶胞原子数为4个 1 8 8 1 2 6 属此晶格的金属有 铁 铝 铜 镍 金 银 铅等 面心立方晶胞示意图 致密度0 74 3 密排六方晶格属于六方晶系 晶格参数a b c 120 每个晶胞是一个正六方柱体 六方晶胞的十二个角和上 下底面中心各有一个原子 上 下底面之间还均匀分布着三个原子 即晶胞中共有6个原子 属此晶格的金属有 镁 锌 铍 钛 镉等 密排六方晶胞示意图 致密度0 74 C 石墨 Mg Zn等 晶格常数底面边长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 致密度 0 74 晶格中原子的排列 密度对金属的塑性变形能力影响很大 如面心立方晶格的金属塑性好 密排六方晶格的金属塑性差 晶格中原子排列得越紧密 则相同数量原子所占空间体积越小 反之越大 由于面心立方晶格比体心立方晶格原子排列的紧密 当金属晶体结构由面心立方转变为体心立方晶格时 发生体积膨胀 所以钢在淬火时因相变会发生体积变化 此外 金属的其他性能如导电性 导磁性 力学性能等也与晶体结构有着密切的关系 具有确定的熔点纯金属进行缓慢加热时 达到一定的温度 固态金属会熔化成为液态金属 在熔化过程中 温度保持不变 其熔化温度 T0 称为熔点 而非晶体材料在加热时 由固态转变为液态时 其温度逐渐变化 金属晶体的特性 晶体和非晶体的熔化曲线 组成晶体的质点 原子 离子或分子 在三维空间按一定规律排列 故金属具有规则的几何形状 具有各向异性即晶体在不同方向上具有不同的性能 金属晶体的力学 物理和化学等方面的性能在不同的方向上是不一样的 但是对于实际使用的金属 由于其内部由许许多多个晶粒组成 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上的性能趋于相同 晶体的各向异性就显示不出来了 非晶体在各个方向上性能完全相同 这种性质叫非晶体的各向同性 1 3实际金属的晶体结构 实际金属的晶体结构与理想晶体的结构不同 实际金属是由很多结晶位向不同的小晶体 即晶粒 组成 晶粒内晶体的位向不同 一般金属都是多晶体 晶粒之间的分界面称为晶界 1Cr17不锈钢的多晶体 单晶体 内部晶格位向完全一致的晶体 理想晶体 如单晶Si半导体 多晶体 由许多位向不同的晶粒构成的晶体 多晶体的晶粒与晶界示意图 1 单晶体与多晶体 金 镍合金中的晶粒 晶粒指金属中晶格位向基本一致且有边界与邻区分开的区域 晶粒是些形状不规则的多面体 相邻晶粒间晶格的位向有明显差别 2 晶粒和亚晶粒 亚晶粒指晶粒内晶格位向差小于2 的更小的晶块 亚晶粒内的位向完全相同 晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒组成 金 镍合金中的亚晶粒 3 晶体缺陷 点缺陷 空位 间隙原子 置换原子线缺陷 位错面缺陷 晶界与亚晶界 晶体缺陷指晶体中局部原子排列不规则的区域 根据晶体缺陷的几何形态和原子对排列不规则性的影响范围 可分为三大类 晶体内部一般都存在缺陷 所谓缺陷即实际金属晶体结构与理想结构的偏离 点缺陷 指在三维尺度上都很小 不超过几个原子直径的缺陷 包括晶格空位 间隙原子 置换原子三种 间隙原子位于晶格间隙处的原子 晶格空位晶格中缺少原子的结点 置换原子出现在晶格结点处的异类原子 a 间隙原子和晶格空位b 大原子置换原子c 小原子置换原子 晶体中的点缺陷都处在不断的变化和运动中 其位置随时在变 这是金属原子扩散的一种主要方式 也是金属在固态下 相变 和化学热处理工艺的基础 空位的存在有利于金属内部原子的迁移 即扩散 点缺陷造成局部晶格畸变 撑开或靠拢 使金属的电阻率 屈服强度增加 密度发生变化 线缺陷 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷 其主要形式是位错 位错是指晶体中某一列或若干列原子发生有规律的错排现象 由晶体中原子平面的错动引起 位错有两种 刃型位错和螺型位错 刃型位错在金属晶体中 由于某种原因 晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面 这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片 刀片的刃口线即为位错线 这种线缺陷称刃型位错 半原子面在上面 半原子面在下面 螺型位错晶体右边上部点相对于下部点向后错动一个原子间距 即右边上部相对于下部沿晶面发生错动 若将错动区的原子用线连接起来 则具有螺旋型特征 这种线缺陷称螺型位错 位错能够在金属的结晶 塑性变形和相变等过程中形成 位错的多少可用位错密度表示 位错密度指单位体积内位错线的总长度 量纲为 cm 2 晶体中的位错由于原子错排 晶格畸变而产生应力场 使外力作用下金属晶体的塑性变形变得困难 从而提高强度 位错的存在极大地影响金属的力学性能 当金属为理想晶体或仅含极少量位错时 金属的屈服强度 s很高 当含有一定量的位错时 强度降低 当进行形变加工时 位错密度增加 s将会增高 金属的强度与位错密度的关系 面缺陷 在两个方向上尺寸很大呈面状分布的缺陷 金属晶体的面缺陷主要有两种 晶界和亚晶界 晶界晶粒之间原子排列不规则的区域 它实际上是晶格位向不同的相邻晶粒在原子排列上的过渡区 晶界结构示意图 晶界在空间中呈网状 面缺陷处的晶格畸变较大 界面处能量高 影响范围也较大 因此 晶界具有与晶粒内部不同的特性 亚晶界亚晶粒之间的边界 过渡区 也称小角度晶界 它也是一种原子排列不太规则的区域 亚晶界 亚晶界是位错规则排列的结构 例如 亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成 晶界是具有一定厚度 原子无规则排列的过渡带 在腐蚀环境中 晶界容易被腐蚀 晶界熔点较晶内低 晶界处能量高 杂质多 金属相变时优先形成晶核 晶界处的硬度 强度高于晶内 晶界的特性 晶界和亚晶界均可提高金属的强度 晶粒越细 晶界越多 金属的强度越高 塑性越好 2金属的结晶与固态相变 2 1金属结晶的概念 物质从液体状态转变为固态时的凝固过程 即晶体结构的形成过程称为结晶 从原子排列情况讲 结晶是原子从不规则排列 液态 过渡到规则排列 晶态 的过程 冷却曲线中出现水平线段 是因为结晶时放出大量的结晶潜热 补偿了金属向周围散失的热量 平衡结晶温度与实际结晶温度之差 T称为过冷度 冷却速度越快 则开始结晶温度越低 过冷度越大 纯金属冷却曲线 液态金属只有冷却到低于其平衡结晶温度T0 熔点 才能结晶 在T0下 液态金属与其晶体处于平衡状态 从宏观上看既不结晶也不熔化 纯金属结晶的条件 2 2金属结晶过程 液态金属向固态转变经历形成晶核和晶核长大两个过程 首先在液态金属中形成极小的晶体 晶核作为结晶中心 此后 已形成的晶核不断长大 同时又不断产生新的晶核并长大 直至液相完全消失 每个晶核长大成为一个晶粒 结晶过程示意图 第一批晶核形成后 成核与长大两个过程同时进行 直至每个晶核长大到互相接触 每个长大的晶核就成为一个晶粒 晶核形成有两种情况 一是在液体中一定过冷度条件下自然形成的晶核 称为自发晶核 二是在液体中依附外来的固态粒子的表面上形成晶核 称为非自发晶核 根据第二种特性可细化晶粒 如在钢液中加入细化晶粒的金属元素颗粒 Al V等 可形成大量的非自发晶核 因而得到细晶粒组织 晶体长大有两种方式 平面长大和树枝状长大 分别发生在冷速较慢和较快时 平面长大的规则形状晶体 树枝状长大的树枝状晶体 2 3金属的同素异构转变 同素异构转变是金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的现象 可发生这种转变的金属有 Fe Co Mn Ti Sn等 Fe在结晶之后随着温度的变化 有两次晶格转变 金属的同素异构转变通过原子的重新排列完成 与液相结晶时原子重新排列过程类似 实际上也是一个结晶过程 它遵循结晶的一般规律 即一定的转变温度 转变是需要过冷 或过热 通过形核和长大两个过程完成 纯铁的同素异构转变 相指合金中化学成分相同 晶体结构相同 并以界面互相分开的各个均匀区域 液态物质为液相 固态物质为固相 显微组织在显微镜下看到的相和晶粒的形态 大小与分布 3 1基本概念 3合金的晶体 相 结构 合金指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素溶合在一起 形成的一种具有金属特性的新物质 如钢是Fe与C的合金 二元合金 组元组成合金的最基本的 独立存在的物质 合金中有几种组元就称为几元合金 合金的相结构分为固溶体和金属化合物两大类 3 2合金的相结构 1 固溶体合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀 且结构与组元之一相同的固相 称为固溶体 与固溶体晶格相同的组元为溶剂 一般在合金中含量较多 另一组元为溶质 含量较少 合金在固态下溶质原子溶入溶剂而形成的一种与溶剂有相同晶格的相 称为固溶体 固溶体的重要标志是它仍保持溶剂晶格 固溶体用 等符号表示 置换固溶体 间隙固溶体 固溶体可分为间隙固溶体 如铁素体和奥氏体 和置换固溶体 如黄铜 两类 按溶质原子在溶剂晶格中的位置分类 间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙中所形成的固溶体 溶质在间隙固溶体的溶解是有限的 故都是有限固溶体 间隙固溶体中 溶质原子的排列是无序的 所以也都是无序固溶体 间隙固溶体一般都是由原子半径较小的非金属元素 如C N B O等 溶入过渡族金属形成的 因晶格间隙通常都很小 如钢中的奥氏体就是C原子溶到 Fe晶格的间隙中形成的固溶体 溶质原子 溶剂原子 置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置而形成的固溶体 置换固溶体又可分为两类 无限固溶体指固溶体的溶解是无限的 组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂 如金 银合金系就是一种单相的无限置换固溶体合金 置换固溶体中溶质原子的分布一般也是无序分布的 通常也都是无序固溶体 但在一定条件下也会出现有序分布 这种固溶体称为有序固溶体 也称超结构 溶质原子有规则分布的为有序固溶体 无规则分布的为无序固溶体 固溶强化 固溶体的晶格畸变 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变 晶格畸变增大位错运动的阻力 使金属的滑移变形变得更加困难 从而提高合金的强度和硬度 这种通过溶入溶质形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化 当然仅靠固溶强化来提高金属材料的强度和硬度还是很有限的 但是可以在固溶强化的基础上再适当配合其它强化手段 就会使金属材料获得所需的各种强韧性 固溶强化是金属强化的一种重要形式 在溶质含量适当时 可显著提高材料的强度和硬度 而塑性和韧性没有明显降低 其它强化方法要还有 细晶强化 第二相弥散强化 热处理相变强化 加工硬化等 2 金属化合物 指组成合金的组元按一定原子数量比相互化合而形成的完全不同于原组元晶格的新相 且具有金属特性的固体合金 金属化合物 如Fe3C Fe4N 一般都具有复杂的晶格结构 较高的硬度和较大的脆性 合金中含有金属化合物时 强度 硬度和耐磨性提高 而塑性和韧性降低 金属化合物在合金中以细小的粒状均匀分布在固溶体基体上时 合金的强度 硬度将进一步提高 这种现象称为第二相弥散强化 根据金属化合物的相结构及其性质上的差异 可分为正常价化合物 电子化合物 间隙化合物 金属化合物的种类 正常价化合物严格遵守化合价规律的化合物 它们由元素周期表中相距较远 电负性相差较大的两元素组成 可用确定的化学式表示 这类化合物性能的特点是硬度高 脆性大 电子化合物不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度 化合物中价电子数与原子数之比 的化合物 电子化合物主要以金属键结合 具有明显的金属特性 可以导电 它们的熔点和硬度较高 塑性较差 在许多有色金属中为重要的强化相 间隙化合物由过渡族金属元素与碳 氮 氢 硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物 尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置 尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中 根据结构特点 间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种 间隙相当非金属原子直径与金属原子直径比值小于0 59时 形成简单晶格的间隙化合物 称为间隙相 间隙相具有金属特性 有极高的熔点和硬度 非常稳定 它们的合理存在 可有效地提高钢的强度 热强性 红硬性和耐磨性 是高合金钢和硬质合金中的重要组成相 间隙相都可以写成固定原子比的化学式形式 M4X M2X MX MX2 M代表过渡族金属元素 X代表非金属元素C N H 间隙相中除MX型的氮化物是体心立方体晶格 WC MoN是简单六方晶格及M2X型多是密排六方晶格 其余都是面心立方晶格 Ti原子处于面心立方体的结点上 而C原子处于晶格的间隙中 间隙相碳化钛及其缺位固溶体的晶格 复杂结构的间隙化合物当非金属原子直径与金晶原子直径之比大于0 59时 形成具有复杂晶格结构的间隙化合物 钢中Fe3C Cr23C6 Cr7C3 FeB Fe2B等均属此类化合物 Fe3C是铁碳合金的重要组成相 具有复杂的斜方晶格 其中铁原子可以部分地被锰 铬 钼 钨等金属原子所置换 形成以间隙化合物为基的固溶体 如 Fe Mn 3C Fe Cr 3C等 复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度 但比间隙相稍低些 在钢中也起强化相作用 Fe3C晶格结构由碳原子组成的正交晶格 90 a b c 每个碳原子周围配有六个铁原子 并组成一个八面体 八面体内只有一个碳原子 而八面体上的每个铁原子只有一半属于这个八面体 所以保证了Fe与C的原子数比为3 1 复杂结构的间隙化合物Fe3C 复杂结构化合物中的金属原子和非金属原子都可以被别的原子所置换 形成以复杂结构化合物为基的置换固溶体 例如 Mn或Cr置换渗碳体Fe3C中的部分Fe原子 则形成 Fe Mn 3C Fe Cr 3C等合金渗碳体 再如N或B置换部分C原子 则形成Fe3 C N Fe3 C B 等合金渗碳体 复杂结构化合物置换固溶体与相应的复杂结构化合物的性能相似 都是又硬又脆高熔点 形成间隙化合物的过渡族元素的d层电子数愈少与碳的亲合力就愈强 形成的化合物也愈稳定 其中间隙相更稳定 熔点和硬度也更高 间隙相TiC的硬度最高 可达2850HV左右 复杂结构的间隙化合物Fe3C硬度最小 约为860HV左右 过渡族中钴 镍等元素d层电子较多 不生成碳化物 4 1组织的概念将一小块金属用金相砂纸磨光后进行抛光 然后用侵蚀剂侵蚀 即获得一块金相样品 在金相显微镜下观察 可以看到金属材料内部的微观形貌 这种微观形貌称做显微组织 简称组织 组织由数量 形态 大小和分布方式不同的各种相组成 金属组织可以由单相组成 也可以由多相组成 4 金属的组织 纯铁室温平衡组织为铁素体 由颗粒状单相 相 铁素体相 组成 碳含量0 77 的铁碳合金的室温平衡组织为珠光体 由粗片状的 相和细片状的Fe3C相混合而成 即F Fe3C a 0 01 C铁素体500 b 0 45 C铁素体 珠光体500 c 0 77 C珠光体500 d 1 2 C珠光体 二次渗碳体500 4 2铁碳合金相图 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础 对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义 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 Fe Fe3C相图的组元为Fe和Fe3C Fe Fe3C相图 重要点 J C S重要线 HJB ECF PSK GS ES PQ L Fe3C 五种相 A1 Acm A3 铁碳合金 Fe Fe3C 相图 L L A A F A F F P P P Fe3CII P Fe3CII Ld A Fe3CII A Fe3CII Ld Ld Ld L Fe3CI Ld Fe3CI Ld Fe3CI WC T Fe Fe3C相图中存在五种相 液相L液相L是铁与碳的液溶体 相又称高温铁素体 是碳在 Fe中的间隙固溶体 呈体心立方晶格 在1394 以上存在 最大溶碳量为0 09 1495 铁碳合金中的相 相也称铁素体 用符号F或 表示 是碳在 Fe中的间隙固溶体 呈体心立方晶格 铁素体中碳的固溶度极小 最大溶碳量为0 0218 727 P点 铁素体的性能特点 强度低 硬度低 塑性好 相常称奥氏体 用符号A或 表示 是碳在 Fe中的间隙固溶体 呈面心立方晶格 奥氏体中碳的固溶度较大 在1148 时溶碳量最大达2 11 奥氏体的强度较低 硬度不高 易于塑性变形 Fe3C相Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物 通常称为渗碳体 用Cm表示 渗碳体的力学性能特点 硬而脆 渗碳体根据生成条件不同有条状 网状 片状 粒状等形态 对铁碳合金力学性能有很大影响 57 4 3铁碳合金分类 几种碳钢的钢号和碳含量 4 4铁碳合金的平衡组织 纯铁室温平衡组织 F Fe3CIII F呈白色块状 Fe3CIII 从F晶界析出 量极少 呈小白片状分布于F晶界处 若忽略Fe3CIII 则组织全为F 纯铁的室温平衡组织 F Fe3CIII 共析钢 C 0 77 的室温组织 层片状P P 粗片F 细片Fe3C 铁素体和渗碳体的机械混合物 亚共析钢室温组织 F P F呈白色块状 P呈层片状 放大倍数不高时呈黑色块状 碳含量大于0 6 的亚共析钢 室温平衡组织中的F常呈白色网状 包围在P周围 45钢的室温平衡组织 F P F P 亚共析钢 亚共析钢室温组织P F 过共析钢平衡组织 Fe3CII P 在显微镜下 Fe3CII呈网状分布在层片状P周围 原奥氏体晶界 T12钢的室温平衡组织 过共析钢室温组织 P Fe3C网 共晶白口铸铁 C 4 3 室温平衡组织 低温莱氏体Le P Fe3CII Fe3C 由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成 注 组织组成物全部为Le 而组成相还是F和Fe3C 共晶白口铸铁室温平衡组织130 共晶白口铁 亚共晶白口铸铁 2 11 C 4 3 室温平衡组织 P Fe3CII Le 网状Fe3CII分布在粗大块状P的周围 Le 则由条状或粒状P和Fe3C基体组成 亚共晶白口铸铁室温平衡组织130 亚共晶白口铸铁的组成相为F和Fe3C 组织组成物为P Fe3CII和Le 过共晶白口铸铁 4 3 C 6 69 室温平衡组织 Fe3CI Le Fe3CI呈长条状 Le 由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成 过共晶白口铸铁室温平衡组织130 过共晶白口铁 标注组织的Fe Fe3C相图 Le P Fe3CII Fe3C P 粗片F 细片Fe3C 4 5铁碳合金的成分 组织 性能关系 按照铁碳相图 铁碳合金在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成 随碳含量的增加 F的量逐渐变少 Fe3C的量则逐渐增多 在室温下 碳含量不同时 不仅F和Fe3C的相对重量变化 而且两相相互组合的形态即合金的组织也在变化 随碳含量增大 组织按下列顺序变化 F F P P P Fe3CII P Fe3CII Le Le Le Fe3CI 碳质量分数小于0 0218 的合金的组织全部为F 0 77 C时全部为P 4 3 C时全部为Le 6 69 C时全部为Fe3C 在上述碳含量之间 则为相应组织组成物的混合物 室温下铁碳合金基本组织的力学性能 HB 铁碳合金的成分一组织一性能的对应关系 硬度 随碳含量的增加 硬度高的Fe3C增多 硬度低的F减少 合金的硬度呈直线关系增大 碳含量继续增加 过共析钢 强度很低的Fe3CII沿晶界出现 强度迅速降低 到2 11 C后 合金中出现Le时 强度已降到很低的值 再增加碳含量时 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C 强度变化不大且值很低 趋于Fe3C的强度 约20MPa 30MPa 强度 随碳含量的增加 亚共析钢中P增多而F减少 P的强度比较高 F的强度较低 故亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大 塑性 铁碳合金中Fe3C是极脆的相 没有塑性 合金的塑性变形全部由F提供 所以碳含量增大 F量不断减少时 合金的塑性连续下降 到合金成为白口铸铁时 塑性就降到近于零值 铁碳合金室温下相组成物与组织组成物随wc变化示意图 硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数 随碳含量的增加 由于硬度高的Fe3C增多 硬度低的F减少 合金的硬度呈直线关系增大 由全部为F的硬度约80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB 强度是一个对组织形态很敏感的性能 随碳含量的增加 亚共析钢中P增多而F减少 P的强度比较高 其大小与细密程度有关 组织越细密 则强度值越高 F的强度较低 所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大 但当碳质量分数超过共析成分之后 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现 合金强度的增高变慢 到约0 9 C时 Fe3CII沿晶界形成完整的网 强度迅速降低 随着碳质量分数的进一步增加 强度不断下降 到2 11 C后 合金中出现Le时 强度已降到很低的值 再增加碳含量时 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C 强度变化不大且值很低 趋于Fe3C的强度 约20MPa 30MPa 塑性铁碳合金中Fe3C是极脆的相 没有塑性 合金的塑性变形全部由F提供 所以随碳含量的增大 F量不断减少时 合金的塑性连续下降 到合金成为白口铸铁时 塑性就降到近于零值了 金属的组织结构由材料的成分 工艺所决定 金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定 不同组织结构的材料具有不同的性能 铁碳合金相图是在平衡状态下 即加热和冷却速度极为缓慢 并在要求的温度范围内保持相当长的时间后所得的相图 实际生产中 加热和冷却十分迅速 达不到平衡状态 钢常常经受各种速度的冷却 因而出现非平衡组织 如贝氏体 马氏体等 工业生产中常利用奥氏体等温转变图 即C曲线来分析过冷奥氏体在不同冷却速度下发生的组织转变 共析钢的C曲线 TTT曲线 5钢的冷却转变组织 大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上 获得全部或部分奥氏体组织 即进行奥氏体化 当温度在A1以上时 奥氏体是稳定的 当温度降到A1以下后 奥氏体即处于过冷状态 这种奥氏体称为过冷奥氏体 过冷A是不稳定的 会转变为其它的组织 钢在冷却时的转变 实质上是过冷A的转变 加热和冷却时相变温度 加热 冷却 转变条件加热时 需加热到临界温度以上 冷却时 需冷却到临界温度以下 5 1珠光体转变 高温转变 过冷奥氏体在A1 550 之间的转变产物 称珠光体型组织 珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物 渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上 转变温度越低 层间距越小 珠光体型组织按层间距大小可分为珠光体 P 索氏体 S 和屈氏体 T 奥氏体向珠光体的转变为扩散型的生核 长大过程 是通过碳 铁的扩散和晶体结构的重构来实现的 共析钢经球化退火后 还可得到球状珠光体 片状珠光体 球状珠光体 珠光体型组织 平衡组织 过冷奥氏体在550 Ms之间的转变产物称为贝氏体型组织 贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物 奥氏体向贝氏体的转变属于半扩散型转变 铁原子不扩散而碳原子有一定扩散能力 5 2贝氏体转变 中温转变 过冷奥代体在550 350 之间转变形成的产物称上贝氏体 上B 上B呈羽毛状 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间 a 光学显微照片1300 b 电子显微照片5000 上贝氏体形态 a 光学显微照片500 b 电子显微照片12000 下贝氏体形态 过冷奥氏体在350 Ms之间的转变产物称下贝氏体 下B 下B在光学显微镜下为黑色针状 在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物 Fe2 4C 颗粒 上贝氏体中铁素体片较宽 塑性变形抗力较低 同时渗碳体分布在铁素体片之间 容易引起脆断 因此强度和韧性都较差 下贝氏体中铁素体针细小 无方向性 碳的过饱和度大 位错密度高 且碳化物分布均匀 弥散度大 所以硬度高 韧性好 具有较好的综合力学性能 1 马氏体转变特点过冷A转变为马氏体是低温转变过程 转变温度在Ms Mf之间 过冷A转变为马氏体是一种非扩散型转变 铁和碳原子都不能进行扩散 铁原子沿奥氏体一定晶面 集体地 不改变相互位置关系 作一定距离的移动 不超过一个原子间距 使面心立方晶格改组为体心正方晶格 碳原子原地不动 过饱和地留在新组成的晶胞中 增大了其正方度c a 5 3马氏体转变 低温转变 马氏体就是碳在 Fe中的过饱和固溶体 过饱和碳使 Fe的晶格发生很大畸变 产生很强的固溶强化 马氏体的形成速度很快 奥氏体冷却到Ms点以下后 无孕育期 瞬时转变为马氏体 随着温度下降 过冷A不断转变为马氏体 是一个连续冷却的转变过程 马氏体转变是不彻底的 总要残留少量奥氏体 残余奥氏体的含量与MS Mf的位置有关 奥氏体中的碳含量越高 则MS Mf越低 残余A含量越高 只在碳含量少于0 6 时 残余A可忽略 马氏体形成时体积膨胀 在钢中造成很大的内应力 严重时导致开裂 含碳量在0 25 以下时 基本上是板条马氏体 亦称低碳马氏体 板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条 在高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构 所以也称位错马氏体 当碳含量大于1 0 时 大多数是针状马氏体 针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状 在空间形同铁饼 马氏体针之间形成一定角度 60 高倍透射电镜分析表明 针状马氏体内有大量孪晶 因此亦称孪晶马氏体 碳含量在0 25 1 0 之间时 为板条马氏体和针状马氏体的混和组织 2 马氏体的形态 低碳马氏体的组织形态 高碳马氏体的组织形态 2 马氏体的特点 a 硬度很高 b 马氏体的塑性和韧性与其碳含量 或形态 密切相关 高碳马氏体由于过饱和度大 内应力高和存在孪晶结构 所以硬而脆 塑性 韧性极差 但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性 而低碳马氏体 由于过饱和度小 内应力低和存在位错亚结构 则不仅强度高 塑性 韧性也较好 c 马氏体的比容比奥氏体大 当奥氏体转变为马氏体时 体积会膨胀 马氏体是铁磁相 而奥氏体为顺磁相