《金属工艺学基础》-《金属工艺学基础》-项目2

项目二金属材料组织结构的认知任务２－１金属材料晶体结构的认知任务２－２铁碳合金状态图的应用返回任务２－１金属材料晶体结构的认知常温下，固态的金属大多数是晶体结构，不同的金属材料具有不同的力学性能，不同的力学性能取决于金属材料的内部组织结构，而内部组织结构是由金属材料的化学成分组成和加工工艺所决定。因此，研究金属材料首先就应从晶体结构开始，了解金属内部结构对金属性能的影响，做到合理选择和加工金属材料。一、金属的晶体结构与结晶（一）晶体的基本概念１.晶体与非晶体自然界固态物质按组成质点（原子、分子和离子）的空间排列位置，可分为晶体和非晶体两大类。下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知在物质内部，凡是原子（分子或离子）按一定秩序有规则排列的物质称为晶体，如固态的金属、金刚石、合金等。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征。原子（分子或离子）呈无序堆积状况排列的物质称为非晶体，如玻璃、松香、石蜡等。非晶体没有固定的熔点，且各向同性。自然界中绝大多数的固体是晶体，由于各原子间的相互吸引力与排斥力相平衡，使晶体具有规则的、规律性原子排列形式。有时能见到某些物质的外形也具有规则的轮廓，如水晶、食盐及黄铁矿等，而金属晶体一般看不到这样规则的外形。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知２.晶格、晶胞、晶格常数不同的晶体，其内部的原子可按不同方式规则地排列。通常把晶体中原子规则排列的方式称为晶体结构。图２.２所示为简单的金属晶体的结构示意。为形象地描述各种晶体中的原子排列规律，可将晶体中的原子看成一个个小圆球，如图２.２（ａ）所示。通过原子中心用一些假想直线把它们连接起来，并将每个原子视为一个质点，这样就构成了有明显规律性的空间格子，如图２.２（ｂ）所示。这种构成有明显规律性的空间格架，称为晶格。空间格架中各连线的交点称为“结点”，结点上的小圆圈（或质点）表示原子的中心。如图２.２（ｃ）所示，在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元进行分析，便能确定原子排列的规律，这个最小几何单元称为晶胞。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知晶胞的几何特征可用晶格常数来表示，即晶胞的三条棱边长度ａ、ｂ、ｃ和三条棱边之间的夹α、β、γ六个参数来表示。当晶格常数ａ＝ｂ＝ｃ，晶轴间夹角α＝β＝γ＝９０°时，称这种晶胞为立方体晶胞。具有立方体晶胞的晶格称为立方晶格。立方晶格只需要用一个晶格常数（ａ）就可以表示晶胞的大小和形状。（二）三种常见的晶体结构金属的晶格类型很多，但绝大多数金属属于体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种典型的晶体结构。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知（三）金属晶体结构缺陷工程上实际使用的金属材料一般是多晶体结构。绝大部分并非是理想的单晶体材料，而是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。这些金属材料在相同条件下具有相同的晶体结构，但晶体晶格的位向是不同的。只有通过专门的加工，才能获得晶格的位向完全一致的晶体，即单晶体。由于受到各种因素的影响，使得实际金属原有规律的原子排列方式受到干扰，这种原子排列不规则的部位和区域称为金属的晶体缺陷。晶体缺陷根据几何特征，分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知二、合金的基本概念和基本结构（一）合金的基本概念由于纯金属的力学性能较低而成本较高，为此应用受到限制。而合金可以按不同需要配制成力学性能和物理、化学性能不同的材料，因而得到广泛的应用。常用的合金材料有碳素钢、铸铁、合金钢、青铜等１.合金合金是由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素），通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。如普通黄铜是由铜和锌（均为金属元素）两种元素组成的合金；碳钢和铸铁则是由铁和碳（金属元素与非金属元素）两种元素组成的合金。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知２.组元组成合金最基本的、能独立存在的物质称为组元，简称“元”。在大多数情况下，组元是合金的组成元素或是某些稳定的化合物。由二个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的合金称为三元合金，依次类推。如黄铜是由二个组元即铜和锌元素组成的二元合金。３.合金系由两个或两个以上给定的组元，按不同比例配制出一系列成分不同、性能不同的系列合金，这一系列合金构成了一个合金系统，简称为合金系，如铸造铝合金中的铝硅系、铝镁系等。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知４.相在金属或合金中，凡化学成分、晶体结构相同并与其他部分有明显界面分开的均匀组成部分称为相。例如，均匀的液态合金是一个相，称之为液相；结晶后的纯金属也是一个相，称之为固相；而正在结晶的纯金属，则是液相和固相同时存在，称为两相共存。固态下的合金，其结构要比纯金属复杂得多，它们可以是单相的，也可以是多相的。若合金是由化学成分、晶体结构都相同的同一种晶粒构成，则属于单相组成的合金；若合金是由化学成分、晶体结构互不相同的几种晶粒构成，则它们属于不同的几种相组成的合金。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知５.组织金属及其合金的内部微观形貌特征称为“显微组织”。通常借助金相显微镜、电子显微镜观测金属及其合金的内部微观形貌并进行观察和分析，以了解其内部组成相的大小、方向、形态、分布和相对数量等组成关系的构造情况，从而进一步了解材料的性能及其变化规律。（二）固态合金的基本结构当合金由液态结晶为固态时，由于组成合金的各组元之间相互作用（溶解、化合或混合）不同，在固态合金中可能出现固溶体、金属化合物和机械混合物三种基本结构。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知三、纯金属的结晶大多数金属制品都是经过熔化、浇注、凝固而成。金属材料由液态变成固态的凝固（结晶）过程，是原子由不规则排列的液态逐步过渡到原子规则排列的固态的过程。由于金属材料的各种性能取决于结晶所形成的组织，因此了解金属结晶的过程及规律，有利于控制晶体材料内部组织和性能。（一）纯金属的冷却曲线及过冷度纯金属的结晶过程通常采用热分析法进行研究。先将纯金属加热并熔化成液体，然后缓慢地冷却下来。在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度－时间坐标图中，便可获得纯金属的冷却曲线，如图２.７（ａ）所示。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知由冷却曲线可见，液态金属随着时间的推移，由于热量不断向外散失，温度随之不断下降。当冷却至ａ点时，液态金属开始形核。在核长大的过程中，由于不断释放出结晶的潜热，以此补偿散失在空气中的热量，使结晶过程中的温度不会随着时间的延长而下降，直至ｂ点结晶结束后，温度才继续下降。ａ—ｂ两点间的水平线段称为结晶阶段，所对应的温度是纯金属的结晶温度。理论上金属结晶温度（凝固点）与熔化温度二者应是同一温度，即金属的理论结晶温度（Ｔ０）。实际上，液态金属总是冷却到理论结晶温度（Ｔ０）以下才开始形核结晶，如图２.６（ｂ）所示。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知实际结晶温度（Ｔ１）低于理论结晶温度（Ｔ０）的现象称为“过冷现象”，理论结晶温度和实际结晶温度之差，称为过冷度（ΔＴ＝Ｔ０－Ｔ１）。金属结晶时过冷度并不是一个恒定值，过冷度的大小与冷却速度、金属的性质及纯度有关。冷却速度越快，过冷度就越大，金属的实际结晶温度就越低，结晶过程越滞后。在实际生产中，金属都是在过冷条件下结晶，以过冷是金属结晶的必要条件。（二）纯金属的结晶过程在过冷的条件下，金属液冷却到结晶温度时，首先从液体中形成一些微小而稳定的固体质点，这些固体质点称为晶核。随着时间的推移，晶核不断长大的同时陆续有很多新的晶核形成、长大直至它们互相接触，金属液全部凝固为止。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知最后形成了许多互相接触、外形不规则而内部原子排列规则的晶体，这些晶体称为晶粒。因此，纯金属的结晶过程是形核及晶核长大的过程，如图２.８所示。金属结晶时晶核先后形成、在不同时间内长大，所形成的晶粒大小、形状和位向各不相同。晶粒之间最后形成过渡的界面，称为晶界。晶粒的位向都相同的晶体称为单晶体，单晶体的性能是“各向异性”的。若结晶后晶体由许多晶粒组成，则称为多晶体。多晶体内各晶粒的位向互不相同，自身的“各向异性”彼此抵消，显示出“各向同性”。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知（三）晶粒大小对力学性能的影响金属的力学性能与晶粒大小有关。在室温下，金属的晶粒越细小，强度和韧度越高。因此，有效地控制金属结晶时晶粒的长大，就可以提高金属的力学性能。由金属结晶过程可知，金属晶粒大小取决于结晶时的形核率Ｎ（单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速度Ｖ。形核率Ｎ越大，结晶后的晶粒越多，晶粒也越细小。因此，控制结晶时的形核率Ｎ是细化晶粒的根本途径。常用的细化晶粒方法是以下几点：①提高过冷度，加快金属液的冷却速度。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知因为形核率（Ｎ）和核长大速度（Ｖ）都随过冷度（ΔＴ）增大而增大，但在很大的范围内形核率（Ｎ）比晶核长大速度（Ｖ）增长更快，因此，对于中、小型铸件，可以通过增加过冷度使晶粒细化，如降低浇注温度、采用水冷铸型等。②变质处理。液态金属在结晶前，往金属液中加入一定量的细小的形核剂（变质剂或孕育剂）作为人工晶核，使形核率明显提高的方法称为变质处理。如钢中加入钛、硼、铝等形核剂，铸铁中加入硅铁、硅钙等形核剂，都能起到细化晶粒的作用。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知③振动处理。在金属结晶过程中，采取对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，可以破碎正在长大的枝晶，得到更多的结晶核心，以此达到细化晶粒的目的。四、金属的同素异构转变有些金属在结晶成固态后继续冷却时，随着温度的变化晶格形式还会发生变化，在固态下存在两种以上的晶格形式。上一页下一页返回任务２－１金属材料晶体结构的认知金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体，称为该金属的同素异晶体，如图２.９所示。上一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用铁和碳的合金称为铁碳合金，如钢和铸铁都是铁碳合金。铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关系的重要图形，了解和掌握铁碳合金相图对制定钢铁的各种加工工艺都有着重要的作用。一、铁碳合金的基本知识一般来讲，铁从来不会是纯的，其中总会有杂质。工业纯铁中常含有０.１％～０.２％的杂质。这些杂质由碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等十几种元素所构成，其中碳占０.００６％～０.０２％。工业上得到广泛应用的是铁和碳所组成的合金，铁碳合金中最基本的相是铁素体、奥氏体和渗碳体，另外还有珠光体、莱氏体。下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用二、铁碳合金相图１.简化的铁碳合金相图铁碳合金相图是表示在极缓慢冷却（或加热）条件下，不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的组织或状态的一种图形。当碳含量超过溶解度以后，剩余的碳在铁碳合金中可能有两种存在方式：渗碳体Ｆｅ３Ｃ或石墨。碳含量高于６.６９％的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，所以我们只研究含碳量小于６.６９％的部分。含碳量等于６.６９％对应的正好全部是渗碳体，把它看作一个组元，实际上我们研究的铁碳合金相图是Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图。为了便于研究分析，将其简化，便得到了简化的Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图，如图２.１０所示。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用２.Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图分析Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中各特性点的温度、成分及其含义如表２.２所示。３.主要特性线①ＡＣ线：液体向奥氏体转变的开始线，即Ｌ→Ａ。②ＣＤ线：液体向渗碳体转变的开始线，结晶出一次渗碳体，用Ｆｅ３ＣⅠ表示，即Ｌ→Ｆｅ３ＣⅠ。ＡＣＤ线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号Ｌ表示。③ＡＥ线：液体向奥氏体转变的终了线。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用④ＥＣＦ水平线：共晶线。ＡＥＣＦ线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。⑤ＥＳ线：又称Ａｃｍ线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线，即Ｌ→Ｆｅ３ＣⅡ。⑥ＧＳ线：又称Ａ３线。碳含量小于０.７７％的铁碳合金冷却到此线时，将从奥氏体中析出铁素体。⑦ＧＰ线：奥氏体向铁素体转变的终了线。⑧ＰＳＫ水平线：共析线（７２７℃），又称Ａ１线。在这条线上固态奥氏体将发生共析转变Ａ０.７７％→Ｐ（Ｆ０.０２１８％＋Ｆｅ３Ｃ）而形成珠光体组织。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用所谓共析反应，即自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的转变过程。⑨ＰＱ线：碳在铁素体中的溶解度曲线。铁素体从７２３℃冷却下来时将会析出渗碳体，称为三次渗碳体，用符号Ｆｅ３ＣⅢ表示。４.铁碳合金分类如果用“组织”来描述Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图的话，铁碳合金按其含碳量和组织的不同，分成下列三类：①工业纯铁（ｗＣ＜０.０２１８％）；②钢（ｗＣ＝０.０２１８～２.１１％）；包括亚共析钢（ｗＣ＜０.７７％）、共析钢（ｗＣ＝０.７７％）和过共析钢（ｗＣ＞０.７７％）；上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用③白口铸铁（ｗＣ＝２.１１％～６.６９％）；包括亚共晶白口铸铁（ｗＣ＜４.３％）、共晶白口铸铁（ｗＣ＝４.３％）和过共晶白口铸铁（ｗＣ＞４.３％）。三、典型铁碳合金的结晶过程分析１.共析钢如图２.１１所示，过ｗＣ＝０.７７％的点作一条垂直于横轴的垂线Ｉ，与相图分别交于１、２、３点，以这三点的温度为界分析其冷却过程，其结晶过程如图２.１２所示。当金属液冷却到和ＡＣ线相交的１点时，开始从液相（Ｌ）中结晶出奥氏体（Ａ），到２点时金属液相全部结晶为奥氏体；上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用在２点到３点间，组织不发生变化，为单一奥氏体；当合金冷却到３点（７２７℃）时，奥氏体发生共析转变，析出铁素体和渗碳体，即珠光体，其共析转变式为Ａ０.７７％→Ｐ（Ｆ０.０２１８％＋Ｆｅ３Ｃ）温度继续下降至室温，珠光体不再发生组织变化。所以，共析钢室温时的平衡组织为珠光体。２.亚共析钢图２.１１中合金Ⅱ是碳的质量分数为０.４５％的亚共析钢，其结晶过程如图２.１３所示。金属液在３点以上的冷却过程与共析钢在３点以上相似，组织为单相奥氏体，当冷却到与ＧＳ线相交的３点时，从奥氏体中开始析出铁素体。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用随着温度下降，析出的铁素体量增多，剩余的奥氏体量减小，而奥氏体的碳的质量分数沿ＧＳ线增加（图２.１１）。当温度降至与ＰＳＫ线相交的４点时，奥氏体的碳的质量分数达到０.７７％，此时剩余奥氏体发生共析转变，转变成珠光体；４点以下至室温，合金组织不再发生变化（图２.１１）。亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组成，随碳的质量分数的增加，珠光体增多，铁素体量减少。３.过共析钢图２.１１中合金Ⅲ是碳的质量分数为１.２％的过共析钢，其结晶过程如图２.１４所示。金属液在３点以上的冷却过程与共析钢在３点以上相似，组织为单相奥氏体。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用当合金冷却到与ＥＳ线相交的３点时，奥氏体中的碳的质量分数达到饱和，继续冷却，析出二次渗碳体，在奥氏体晶界呈网状分布。继续冷却时，析出的二次渗碳体的数量增多，剩余奥氏体中的碳的质量分数降低。随着温度下降，奥氏体中的碳的质量分数沿ＥＳ线变化。从４点以下至室温，合金组织不再发生变化。最后得到珠光体和网状二次渗碳体组织。所有过共析钢的结晶过程都和合金Ⅲ相似，它们的室温组织由于碳的质量分数不同，组织中的二次渗碳体和珠光体的相对量也不同。钢中碳的质量分数越大，二次渗碳体也越多。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用４.共晶白口铸铁图２.１１中合金Ⅳ是碳的质量分数为４.３％的共晶白口铸铁，其结晶过程如图２.１５所示。当金属液冷却到１点时发生共晶转变，从金属液中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即高温莱氏体。在１点到２点之间从奥氏体中不断析出二次渗碳体，但因它混合于基体之中而无法分辨。当冷却到２点时，剩余的奥氏体在恒温下发生共析反应，转变成珠光体。因此，共晶白口铸铁的平衡组织是由珠光体和渗碳体组成的低温莱氏体。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用５.亚共晶白口铸铁图２.１１中合金Ⅴ是碳的质量分数为３.０％的亚共晶白口铸铁，其结晶过程如图２.１６所示。其常温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。６.过共晶白口铸铁图２.１１中合金Ⅵ为碳的质量分数为５.０％的过共晶白口铸铁，其结晶过程如图２.１７所示。其常温组织为一次渗碳体和低温莱氏体。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用四、碳对碳钢组织和性能的影响１.含碳量对铁碳合金组织的影响根据对铁碳合金相图的分析知道，铁碳合金在室温的组织是由铁素体和渗碳体两相组成。随着碳的质量分数的增加，铁素体的量逐渐减少，而渗碳体的量则有所增加。随着碳的质量分数的变化，不仅铁素体和渗碳体的相对量有变化，而且相互组合的形态也发生变化。随着ｗＣ的增加，合金组织将按下列顺序发生变化：Ｆ→Ｆ＋Ｐ→Ｐ→Ｐ＋Ｆｅ３ＣⅡ→Ｐ＋Ｆｅ３ＣⅡ＋Ｌ′ｄ→Ｌ′ｄ→Ｆｅ３ＣＩ＋Ｌ′ｄ。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用２.含碳量对铁碳合金力学性能的影响铁素体是软、韧相，渗碳体是硬、脆相，当两者以层片状组成珠光体时，珠光体兼具两者的优点，即具有较高的硬度、强度和良好的塑性、韧性。铁碳合金中渗碳体是强化相，对于以铁素体为基体的钢来讲，渗碳体的数量越多，分布越均匀，其强度越高。但若Ｆｅ３Ｃ以网状分布于晶界上或呈粗大片状，尤其是作为基体时就使得铁碳合金的塑性、韧性大大下降，这就是过共析钢和白口铸铁脆性很高的原因。碳对铁碳合金性能的影响，也是通过对组织的影响来实现的。铁碳合金组织的变化，必然引起性能的变化。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用图２.１８所示为碳的质量分数对钢的力学性能的影响，由图可以知道，改变碳的质量分数可以在很大范围内改变钢的力学性能，随着含碳量的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量大于１.０％时，由于网状渗碳体的出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度和适当的塑性、韧性，其含碳量一般不超过１.３％～１.４％。含碳量大于２.１１％的铁碳合金，即白口铸铁，由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以切削加工，所以除少数耐磨件以外很少应用。上一页下一页返回任务２－２铁碳合金状态图的应用五、Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图在工业中的应用Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。这样就可以根据零件的工作条件和性能要求来合理地选择材料。若需要塑性、韧性好的材料