合金及铁碳合金

1、2022-5-71合金的结构与结晶第三章第三章 合金与铁碳合金合金与铁碳合金要点：要点：1 了解合金在固态下的基本了解合金在固态下的基本相结构相结构2 掌握、分析掌握、分析铁碳合金相图铁碳合金相图2022-5-72合金的结构与结晶第一节第一节 合金的基本概念和结构合金的基本概念和结构合金（合金（alloy）组元（元组元（元 ） （element）相（相（phase）显微组织（显微组织（microscopic structure）以一种金属为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经以一种金属为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合而成的具有金属特性的物质。过熔合而成的具有金属特性的物质。组成

2、合金的元素，或独立的基本单元。组成合金的元素，或独立的基本单元。二元合金二元合金 钢铁钢铁 Fe-C 黄铜黄铜 Cu-Zn三元合金三元合金 硬铝硬铝 Al-Cu-Mg 多元合金多元合金 保险丝保险丝 Sn-Bi-Cd-Pb 注意注意 合金系合金系 某一合金某一合金 合金中具有相同成分和相同结构（聚集状态）并以相界面分合金中具有相同成分和相同结构（聚集状态）并以相界面分开的均匀部分。（不管形貌）开的均匀部分。（不管形貌）在金相显微镜下所观察到的具有某种形貌的部分称为组织。在金相显微镜下所观察到的具有某种形貌的部分称为组织。注意：合金的组织可由单相或多相所构成注意：合金的组织可由单相或多相所构成

3、2022-5-73二种或二种以上的组元在固态下互相溶二种或二种以上的组元在固态下互相溶解形成的单一均匀的解形成的单一均匀的新相新相 合金的结构与结晶固溶体固溶体 (solid solution )金属化合物金属化合物 ( metallic compound )机械混合物机械混合物液态下组元完全互溶的合金凝固之后，液态下组元完全互溶的合金凝固之后，根据各组元相互作用的不同，固态根据各组元相互作用的不同，固态合金的基本结构有分。合金的基本结构有分。一、固溶体一、固溶体 （solid solution ）组成及结构组成及结构溶剂溶剂+溶质溶质 =固溶体固溶体fccbccbcc特点：特点： （铁素体（

4、铁素体 ） 体心体心 六方六方 体心体心FCFe2022-5-74合金的结构与结晶1）溶质原子在固溶体中的位置划分）溶质原子在固溶体中的位置划分1 固溶体的分类固溶体的分类溶质原子溶质原子溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子溶剂原子溶剂原子置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体2022-5-75无限固溶体无限固溶体 有限固溶体有限固溶体 合金的结构与结晶间隙间隙有限固溶体有限固溶体置换置换无限固溶体无限固溶体2）溶质在固溶体中的溶解度划分）溶质在固溶体中的溶解度划分2022-5-762 固溶体的性能固溶体的性能合金的结构与结晶溶质原子对晶格畸变的影响溶质原子对晶格畸变的影响2022-5-77 由

5、于溶质原子的加入，将引起溶剂的晶由于溶质原子的加入，将引起溶剂的晶格发生不同程度的格发生不同程度的畸变畸变，导致固溶体的，导致固溶体的强强度、硬度提高度、硬度提高（塑韧性稍微下降）（塑韧性稍微下降）的现象。的现象。合金的结构与结晶固溶强化固溶强化 ( solution strength )固溶强化固溶强化是一种极为优异的强化方是一种极为优异的强化方式，几乎所有对综合机械性能要求式，几乎所有对综合机械性能要求较高的结构材料都以固溶体作为最较高的结构材料都以固溶体作为最基本的组成相。基本的组成相。溶质溶质%晶格畸变晶格畸变固溶强化效果固溶强化效果2022-5-78合金的结构与结晶二、金属化合物二、

6、金属化合物（intermetallic compound）二种或二种以上的元素按一定的结合方式形成具二种或二种以上的元素按一定的结合方式形成具有有金属特性的新相金属特性的新相。1 金属化合物的结构特点金属化合物的结构特点1）可用一个）可用一个化学分子式化学分子式表示表示 如如Fe3C2）独特的晶体结构独特的晶体结构3）熔点高、硬度高、脆性大（）熔点高、硬度高、脆性大（作为合金的强化相）作为合金的强化相）例例：Fe3C HB 800 斜方斜方C HB 3 六方六方Fe HB 80 体心体心2022-5-79金属化合物的特性金属化合物的特性合金的结构与结晶一般具有高熔点、高硬度和高脆性一般具有高熔

7、点、高硬度和高脆性塑性几乎为零塑性几乎为零 合金中出现少量金属化合物，可以提高合金的强度、合金中出现少量金属化合物，可以提高合金的强度、 硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。 2022-5-7103 金属化合物与固溶体的区别金属化合物与固溶体的区别1）化学成份）化学成份固溶体的成份可变固溶体的成份可变 随随T变化则在一定范围内变化变化则在一定范围内变化金属化合物成份不变金属化合物成份不变 是按一定的原子数化合是按一定的原子数化合2）晶体结构）晶体结构 固溶体固溶体保持溶剂的晶体结构保持溶剂的晶体结构 化合物化合物具有独特的晶体结构具有独特的晶体结构3）性能）性能

8、 固溶体的硬度金属化合物固溶体的硬度金属化合物 固溶体的塑性金属化合物固溶体的塑性金属化合物合金的结构与结晶2022-5-711合金的结构与结晶三、机械混合物三、机械混合物由由多相多相构成（构成（机械混合物机械混合物） 固溶体固溶体+金属化合物金属化合物 （F+Fe3C）机械混合物的特点：机械混合物的特点：结构结构 有明显的相界面有明显的相界面成分成分 介于组成相之间（不是平均值）介于组成相之间（不是平均值）性能性能 取决于组成相的大小、数量及分取决于组成相的大小、数量及分布布2022-5-712合金的结构与结晶合金中的各组成相是如何形成的合金中的各组成相是如何形成的?合金中各相的数量以及分布

9、规律如何合金中各相的数量以及分布规律如何?合金的成份合金的成份组织组织性能之间的关系性能之间的关系?2022-5-713合金的结构与结晶第三节第三节 二元合金相图二元合金相图 一、概念一、概念1 相图相图 ( phase diagram ) 在在极其缓慢地冷却极其缓慢地冷却条件下，所测定的合金条件下，所测定的合金其其成份、温度和组织成份、温度和组织之间关系的图形。之间关系的图形。 1）纯金属的相图）纯金属的相图 可用一个可用一个温度轴温度轴表达表达 2）二元合金的组织）二元合金的组织状态状态 ),(CTf2 相图表达法：相图表达法：别称：平衡图、状态图等别称：平衡图、状态图等2022-5-71

10、4合金的结构与结晶二、相图的建立二、相图的建立（以（以Cu-Ni合金为例）合金为例）组元组元CuNi晶格类型晶格类型fccfcc熔点熔点10831455合金合金10%100%合金合金220%80%合金合金340%60%合金合金460%40%合金合金580%20%合金合金6100%0%1 配制不同成分的配制不同成分的Cu-Ni合金合金2022-5-715合金的结构与结晶2 热分析法建立相图热分析法建立相图时间时间温温度度温温度度CuNiNi%60402080100%Ni40%Ni60%Ni80%Ni100%Cu20%Ni2022-5-716 二组元在液态和固态下均无限互溶时所二组元在液态和固态下

11、均无限互溶时所构成的相图。构成的相图。合金的结构与结晶三、二元相图的基本类型三、二元相图的基本类型1 匀晶相图匀晶相图温温度度CuNiABCu-Ni二元合金相图二元合金相图1）图形分析）图形分析两个点两个点两条线两条线三个相区三个相区液相线液相线固相线固相线液相区液相区 L固相区固相区两相平衡共存区两相平衡共存区 L+2022-5-717合金的结构与结晶2 共晶相图共晶相图二组元在液态下无限互溶，在固态下只能有限溶二组元在液态下无限互溶，在固态下只能有限溶解并发生共晶反应的相图（解并发生共晶反应的相图（Pb-Sb合金）合金）700600500400300200100PbSbCEBFDGALLa

12、LSb%3共析相图4包晶相图2022-5-721合金的结构与结晶铁碳合金的基本相结构与性能铁碳合金的基本相结构与性能 1）铁素体）铁素体 FC原子原子 R=0.077nm间间 隙隙 R=0.0182nm（3）性能）性能 和纯铁性能相近（软相）和纯铁性能相近（软相） C在在-Fe中的有限固溶体中的有限固溶体(间隙间隙)（bcc）（1）结构）结构（2）成份）成份 Max C%727的的P点点 0.0218%C Min C%室温的室温的Q点点 0.0008%C TC%（有溶解度变化）（有溶解度变化）2022-5-723合金的结构与结晶2）奥氏体）奥氏体 AC原子原子 R=0.077nm间间 隙隙 R

13、=0.0535nm （2）成份）成份 max C%1148 的的E点点 2.11%C 727为为0.77%C S点点 TC%（有溶解度变化）（有溶解度变化）C在在-Fe中的有限中的有限(间隙）固溶体（间隙）固溶体（fcc）（1）结构）结构（3）性能）性能 在在Fe-C合金中属于高温相合金中属于高温相、HB锻造性锻造性2022-5-725合金的结构与结晶3）渗碳体）渗碳体 Fe3C（金属化合物）（金属化合物）（1）结构）结构金相形态：金相形态： 根据形成条件不同有五种根据形成条件不同有五种一次渗碳体一次渗碳体 Fe3C 条状条状 二次渗碳体二次渗碳体 Fe3C 网状网状三次渗碳体三次渗碳体 Fe

14、3C 网状网状共晶渗碳体共晶渗碳体 Fe3C 基体基体共析渗碳体共析渗碳体 Fe3C 片状片状 （2）成分）成分化学成份一定化学成份一定 6.69%C（3）性能）性能高熔点、高硬度、高脆性（三高）高熔点、高硬度、高脆性（三高） 其形态、大小及分布对合金的性能产生重大影响其形态、大小及分布对合金的性能产生重大影响复杂的复杂的钭方晶格钭方晶格2022-5-7274）珠光体）珠光体P铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。合金的结构与结晶2022-5-7285）莱氏体莱氏体 ( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。合金的结构与结晶2022-

15、5-730 普通的碳钢和铸铁均属于铁碳合金，普通的碳钢和铸铁均属于铁碳合金，合金钢和合金铸铁也是在铁碳合金的基础合金钢和合金铸铁也是在铁碳合金的基础上，有意的加进某些合金元素而得到的，上，有意的加进某些合金元素而得到的，因此因此铁铁和和碳碳是组成钢铁材料的最基本的二是组成钢铁材料的最基本的二个组元。个组元。 由铁和碳二个组元构成的相图由铁和碳二个组元构成的相图铁碳铁碳合金相图合金相图。 合金的结构与结晶Fe3CFe2CFeC温度温度FeCC%6.692022-5-731合金的结构与结晶研究研究Fe-Fe3C相图的意义相图的意义 1 了解并掌握铁碳合金在了解并掌握铁碳合金在平衡状态平衡状态下下随

16、温度变化，随温度变化，组织转变的一般规律组织转变的一般规律。2 了解铁碳合金的了解铁碳合金的成份成份组织组织性能性能之间的关系。之间的关系。铁碳合金中的基本相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，FeFe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。1,铁素体(ferrite)铁素体是碳在-Fe中的间隙固溶体,用符号F(或)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,

17、最多只有0.0218%(727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.=30%50%,AKU=128160J 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(Austenite )奥氏体是碳在-Fe中的间隙固溶体,用符号A(或)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%(1148时),727时为0.

18、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7271394,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.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(Cementite)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1227,质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,

19、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Fe3

20、C.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FeFe3C相图.2022-5-736一、相图分析一、相图分析ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%Fe3CFeF+ Fe3C4.30.772.116.69二条水平线二条水平线构成合金中的所有组织构成合金中的所有组织四个基本相四个基本相共晶相图共晶相图共析相图共析相图2022-5-7372 相图中重要的点和线相图中重要的点和线ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%Fe3CFeF+ Fe3C4.30.77

21、2.116.691）二条水平线）二条水平线dCLCFeAL)(311. 211483 . 40PCFeFAC)(30218. 072777. 00 2）三条钭线）三条钭线TA C% AFe3CT 1148727C 0.77C%6.69C% TF C% FFe3C T 727室温室温 C Q点点6.69C%忽略不计忽略不计T AF另：另： DC线线 LFe3C莱氏体莱氏体珠光体珠光体2022-5-738A+FL+ Fe3C合金的结构与结晶ACDG1148727LAL+AFA+ Fe3CKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.693 填相区及合金分类填相区及合金分类钢钢白口铸铁白

22、口铸铁S亚亚共共析析钢钢过过共共析析钢钢共共析析钢钢亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁共共晶晶白白口口铁铁0.0218Fe3C差差“1”法法相区接触法相区接触法合金的分类合金的分类2022-5-741132二、结晶过程分析二、结晶过程分析ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69Fe3C1 共析钢共析钢(eutectoid steel) 3123LLLAAALAPPPCFeFA)(302. 077. 0时间时间P2022-5-743142 亚共析钢亚共析钢(hypoeutectoid ste

23、el ) ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69Fe3C123时间时间2344LLAAALPCFeFA)(302. 077. 0PP+ Fe3CIIIFAFFAAFF+PPF+P2022-5-744ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69Fe3CF+P143 过共析钢过共析钢(hypereutectoid steel ) 123时间时间2344LLAAALPCFeFA)(302. 077. 0Fe3CPAAPA

24、Fe3CP+Fe3CPFe3CFe3C2022-5-745（P+Fe3C +Fe3C）LdLdLAFe3CLd1LA+ Fe3CACDGS1148727AL+AL+ Fe3CFA+FKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69F+PPP+Fe3CFe3C14 共晶白口铁共晶白口铁(eutectoid white iron ) L时间时间212L（A+Fe3C）2LLdLdFe3CAAFe3C网网AFe3CFe3CA（F+Fe3C)PAPFe3CFe3CP+Fe3C+LdLd +Fe3C组织组成物填相区？组织组成物填相区？A+Fe3CA+Fe3C+LdLd+Fe3CLd2022-5-746Fe3CPFFe3C合金的结构与结晶三、含碳量对组织组成物、相组成物的三、含碳量对组织组成物、相组成物的相对量的影响相对量的影响FLdFe3C相组成物相组成物组织组成物组织组成物0.0218A+FG727AFA+ Fe3CKPQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69SFe3C2022-5-747四、含碳量对钢的力学性能的影响四、含碳量对钢的力学性能的影响合金的结构与结晶Fe3CPFFe3CFLdFe3C相组成物相组成物组织组成物组织组成物C%1.4性性能能0bHBka成分成分-组织组织-性能的关系性能的