2金属材料的性能分析

第2章金属材料的性能分析2.1金属及其合金的结构与结2.2铁碳合金相图知识点学习目标

通过本章的学习，了解金属材料的内部组织结构特点，掌握铁碳合金相图及其应用，掌握铁碳合金成分、组织、性能、用途之间的关系及变化规律。金属及其合金的结构与结晶、铁碳合金相图等。2.1金属及其合金的结构与晶体晶体

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、氯化钠、金属等。非晶体

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、玻璃等。2.1.1纯金属的结构

固态物质按其原子（分子）的聚集状态不同分为晶体与非晶体。晶体结构

晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。晶格

为了便于分析晶体中原子排列的规律，常将每个原子看成一个个点，并用假想的线条将各原子中心连接起来，形成一个空间格子，这样的空间格子称为晶格。晶胞

晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶胞。晶格常数

晶胞的三个棱边的长度a,b,c及三条棱边夹角α,β,γ。

晶格中直线的交点称为结点。2.1金属及其合金的结构与晶体一、常见金属晶体结构金属的晶格类型很多，常见的有三种：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。金属晶格类型不同，其原子排列的致密度（晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值）也不同。面心立方和密排六方晶格的致密度均为74%，体心立方晶格的致密度为68%。晶格类型发生变化，将引起金属体积和性能的变化。一、常见金属晶体结构体心立方晶格

常见的BCC金属有：钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、铬、铌、α-Fe等。

晶胞原子数—是指在一个晶胞中所含的原子数目。为1/8×8+1=2个；原子半径—BCC为：r=√3/4a；致密度—BCC为4/3πr3×2=0.68；配位数—是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。BCC为8个；空隙半径—BCC有两种空隙半径，四面体空隙半径0.29r，八面体空隙半径0.15r。一、常见金属晶体结构面心立方晶格

常见的面心立方晶格金属有：铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等。

晶胞原子数—FCC为4个。原子半径—FCC为√2/4a；致密度—FCC为74％；配位数—12个；空隙半径—四面体空隙半径0.225r；八面体空隙半径0.414r。一、常见金属晶体结构密排六方晶格

常见的密排六方晶格金属有：镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。

晶胞原子数—HCP为6个。原子半径—HCP为1/2a；致密度—HCP为74％；配位数—12个；空隙半径—四面体空隙半径0.225r，八面体空隙半径0.414r。二、金属的实际晶体结构多晶体结构晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体称为单晶体。单晶体具有各项异性的特征。实际使用的金属材料是由许多小晶体组成，如右图2.3。由许多小晶体组成的晶体称为多晶体，如右图2.4。图2.4金属多晶体结构二、金属的实际晶体结构这些小晶体称为晶粒，在每个晶粒的内部晶格位向是一致的，但各个晶粒之间位向不同，相差300-400。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。在多晶体材料中，虽然每个晶粒具有各项异性，但不同方向的金属性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶体材料表现为各项同性。钢铁材料的晶粒尺寸一般为10-3-10-1，只有在显微镜下才能观察到。这种在显微镜下观察到的各种晶粒的形态、大小和分布等情况，称为显微组织或金相组织。有色金属的晶粒尺寸一般比钢铁材料的晶粒大，有的用肉眼可以看到。二、实际金属晶体结构晶体缺陷实际使用的金属，由于原子热运动、结晶和加工等影响，使晶体中某些区域的原子规律排列受到干扰和破坏，这种区域称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何相态特点将其分为点缺陷，线缺陷和面缺陷，见下表。各种晶体缺陷处及其附近的晶格均处于畸变状态，会使金属的强度和硬度有所提高。二、实际金属晶体结构晶体缺陷①空位②间隙原子①刃型位错1.点缺陷三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。①空位；②间隙原子2.线缺陷二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。①刃型位错；②螺型位错3.面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。

①晶界；②亚晶界二、实际金属晶体结构实际金属晶体中的缺陷对材料性能的影响1.点缺陷造成局部晶格畸变,使金属的电阻率;屈服强度增加,密度发生变化。2.线缺陷形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。3.面缺陷晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑变的能力越大，塑性越好。2.1.2纯金属的结晶

凝固

液态L→固态S

S可以是非晶体。结晶

金属材料大部分都是经冶炼得到的，即金属由液态转变为固态的过程，通常称为结晶。

一次结晶：L→S晶态二次结晶：S→S晶态1、纯金属冷却曲线和过冷现象

过冷：纯金属实际结晶温度总是低于理论结晶温度，为什么？冷却速度越快，过冷度越大。冷却曲线上出现平台，为什么？

出现“平台”是由于纯金属结晶时会放出“结晶潜热”，抵消冷却时向外失散的热量。当结晶结束后，没有“结晶潜热”放出，纯金属将会以原来的冷却速度继续冷却下来。只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能开始进行—过冷是金属结晶的必要条件。过冷度ΔT=T0－T1二、纯金属的结晶过程

形核①自发形核②非自发形核长大①平面长大②树枝状长大当温度下降到结晶温度时，原子的活动能力减弱，在液态金属中某些部位，首先有规则地排列成小晶体，形成结晶的核心（称为晶核，也称为自发晶核）晶核周围的原子按晶体的固有规律向这些晶核聚集长大，与此同时，又有新晶核产生、长大，直到全部结晶完毕。3、金属晶粒大小及控制

晶粒大小如何衡量？为什么要对晶粒尺寸进行控制？影响晶粒尺寸的因素有哪些？如何控制晶粒的尺寸？晶粒度

单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)。晶粒大小对材料性能的影响（细晶强化）

晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。因此细化晶粒是提高金属力学性能的有效途径。影响晶粒度的因素

过冷度ΔT提高，N提高、G提高

过冷ΔT太高，N降低、G降低3、金属晶粒大小及控制

结晶后，得到多晶体金属，其晶粒大小用晶粒度来表示。晶粒大小的控制

②变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。①增加过冷度

随着过冷度的增加，液态金属结晶时的形核率和长大速度都会增加。在实际生产的过冷条件下，形核率增加比长大速率增加要快，产生的晶核显著增加。因此增加过冷度，可使晶粒细化。

③附加振动、搅拌等。3、金属晶粒大小及控制

2.1.3合金的结构与结晶

合金的基本概念合金的基本相合金的结晶1、合金的基本概念

合金

由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属特性的物质。

普通黄铜：Cu+Zn

45钢:铁碳合金

合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、强磁性、耐蚀性等。组元

组元是组成合金的独立的，最基本的单元。通常组元就是指组成合金的元素。如：普通黄铜的组元是铜和锌；铁碳合金中的Fe3C也可以视为一个组元。按组元数目，合金可以分为二元合金，三元合金和多元合金。

合金系：若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。1、合金的基本概念

在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。固态白铜(铜与镍二元合金)是单相的。合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。相

在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。1、合金的基本概念

一、基本概念

合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。不同组织具有不同的性能。由不同组织构成的材料具有不同的性能。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。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。并获得不同的性能。组织

组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌。2、合金的基本相固溶体

在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相；在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的元素（组元）—溶质。

按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，可将固溶体分两类：置换固溶体和间隙固溶体。固溶体

在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相；在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的元素（组元）—溶质。

按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，可将固溶体分两类：置换固溶体和间隙固溶体。固溶体的性能

固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。固溶强化的原因：

由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。2、合金的基本相金属化合物

在合金相中，各组元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且具有一定金属特性的新相，称为金属化合物。金属化合物的性能

金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。金属间化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色金属的重要组成相。当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将显著提高合金的强度、硬度和耐磨性(此现象称为弥散强化)。2、合金的基本相机械混合物

工业合金中其组织仅由化合物单相组成的情况是不存在的。因为化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，无法应用。固溶体组成的合金，往往由于强度、硬度等不够高，使用受到一定限制。绝大多数的工业合金，其组织均为固溶体与少量化合物(一种或几种)所构成的机械混合物。合金的性能取决于其形态、大小、数量、种类等。2、合金的基本相

合金的结晶与纯金属相似，都遵循形核与核长大的规律，结晶过程有潜热放出。不同的是纯金属结晶是在某一恒温下进行，而合金通常是在某一范围内进行，如图2.9。

此外，合金结晶过程中各组成相成分还发生变化。3、合金的结晶2.2铁碳合金相图

铁碳合金的基本组织铁碳相图的分析铁碳合金相图的应用纯铁的同素异构转变

金属的同素异构转变

金属在固态下随温度的变化，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异构转变（同素异晶转变）。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。纯铁的同素异构转变

α-Feγ-Feδ-Fe912℃

1394℃

铁碳合金的基本组织

铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体铁碳合金的基本组织

铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体铁碳合金的基本组织

铁素体F

铁素体是碳溶解于α-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方结构，用“F”表示。碳在α-Fe中的溶解度度很小，最大溶解度在727℃时为0.0218%，室温时为0.0008%。由于铁素体的含碳量低，所以铁素体具有良好的塑性和韧性，强度和硬度较低，性能与纯铁相近。奥氏体A

奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体，呈面心立方结构，用“A”表示。碳在γ-Fe中的溶解度较大，727℃时为0.77%，1148℃达到最大溶碳量2.11%。奥氏体的强度、硬度不高，且具有良好的塑性。因此，生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造。渗碳体Fe3C

渗碳体是铁和碳组成的金属化合物，含碳量为6.69%，分子式Fe3C，熔点为1227℃，渗碳体硬度很高，塑性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织，是钢铁中的强化相。

铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体铁碳合金的基本组织

珠光体P

珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，含碳量0.77%，用“P”表示。珠光体强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。高温莱氏体Ld

高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用Ld或（A+Fe3C）表示。由于奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存在于727℃以上。低温莱氏体Ld’

高温莱氏体冷却到727℃以下，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物（P+Fe3C），称低温莱氏体，用Ld’表示。莱氏体含碳量为4.3％。由于莱氏体含有的渗碳体较多，故性能与渗碳体相近，即极为硬脆。2.2.2铁碳合金相图分析铁碳合金相图是指在平衡条件下，不同成分的铁碳合金在不同温度下所处状态或组织的图形。1.特性点符号温度,℃碳质量分数ω(C)%含义A15380纯铁的熔点C11484.30

共晶点Lc

→

AE+Fe3C

D12276.69Fe3C的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120

α-Fe→

γ-Fe同素异构转变点K7276.69Fe3C的成分P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点(A1)AS→FP+Fe3CQ6000.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度2.特性线特征线含义ACD液相线AECF固相线GS(又称A3)铁素体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出）的温度；奥氏体转变为铁素体的开始线ES(又称Acm)二次渗碳体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出）的温度；碳在奥氏体中的溶解度曲线ECF共晶转变线GP奥氏体转变为铁素体的终了线PQ碳在铁素体中的溶解度线PSK(又称A1)共析转变线3.相区单相区简化的Fe-Fe3C状态图中有F、A、L和Fe3C四个单相区。两相区简化的Fe-Fe3C状态图中有五个相区：L+A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F两相区、F+Fe3C两相区。三相区共晶线ECF是L、A、Fe3C三相共存线；共析线PSK是A、F、Fe3C三相共存线。4.铁碳合金的分类钢0.0218%<Wc<2.11%亚共析钢0.0218%<Wc<0.77%珠光体+铁素体

共析钢0.77%室温组织珠光体过共析钢0.77%<Wc<=2.11%珠光体+二次渗碳体铸铁2.11%<Wc<6.69%亚共晶白口铸铁2.11%<Wc<4.3%低温莱氏体+珠光体+二次渗碳体

共晶白口铸铁4.3%低温莱氏体过共晶白口铸铁4.3%<Wc<6.69%低温莱氏体+一次渗碳体

工业纯铁

Wc<=0.0218%的铁碳合金，其室温组织为铁素体。

根据铁碳合金含量和室温组织的不同，铁碳合金可分为三类：工业纯铁，钢和白口铸铁。5.典型合金结晶过程分析合金I：共析钢合金II：亚共析钢合金III：过共析钢5.典型合金结晶过程分析合金I：共析钢温度1点以上全部为液体L冷到1点时，开始从液体中结晶出奥氏体L+A冷却到2点时，全部为奥氏体A2-3点之间奥氏体A组织不变冷却到3点时，奥氏体在恒温下发生共析转变，析出成分为P点的F和成分为K点的Fe3C，形成F与Fe3C层片相间的珠光体P。室温时组织组成物P，含量100%。相组成物：F+Fe3C5.典型合金结晶过程分析珠光体显微组织一般为层片状，当放大倍数较低时，只能看到白色基体的铁素体和黑色条状的渗碳体，如下图2.12a；放大倍数较高时，可看到渗碳体是有黑色边缘围绕着的白色条状，见图2.12b。图2.12b8000x图2.12a500x5.典型合金结晶过程分析合金II

：亚共析钢所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P；相组成物：F+P亚共析钢在1点到3点温度间的结晶过程与共析钢相似。当冷却到3点时，从奥氏体中析出铁素体。3-4点之间组织为奥氏体和铁素体。冷却到4点时，剩余奥氏体的成分为共析成分，析出珠光体。5.典型合金结晶过程分析亚共析钢在室温下的显微组织都是铁素体+珠光体。但随着含碳量的增加，组织中铁素体的数量减少，珠光体的数量增加，见图2.13。图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体。图2.13亚共析钢的显微组织（铁素体+珠光体）5.典型合金结晶过程分析合金III

：过共析钢室温组织为二次渗碳体和珠光体。相组成物：F+Fe3CII过共析钢在1点到3点温度间的结晶过程与共析钢相似。当冷却到3点时，奥氏体中含碳量达到饱和，开始从奥氏体的晶界处析出网状Fe3CII；3-4点之间组织为奥氏体和Fe3CII。冷却到4点时，剩余奥氏体的成分为共析成分，析出珠光体。对组织的影响5.碳质量分数对组织和性能的影响对性能的影响5.碳质量分数对组织和性能的影响wc<0.9%时，随着碳的质量分数增加，钢的强度和硬度直线上升，而塑性和韧性不断下降。这是由于随碳的质量分数的增加，钢中渗碳体量增多，铁素体量减少所造成的;当钢的wc>0.9%以后，二次渗碳体沿晶界形成较完整的网，钢的强度开始明显下降，硬度仍在增高，塑性和韧性继续降低。钢中碳的质量分数一般不超过1.3%。

wc>2.11%的白口铸铁，硬度高，塑性和韧性极差，既难以切削加工，又不能用锻压方法加工，故机械工程上很少直接应用。2.2.3铁碳合金相图的应用在选材方面的应用

要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用碳的质量分数低的钢Wc<0.25%;承受冲击载