教学材料工程材料-第三章

第一节合金的组织合金是指由两种或两种以上元素（一种合金元素和另一种其他元素或几种其他元素）组成的具有金属特性的物质，如黄铜就是铜和锌的合金。组元是指组成合金的最基本的单元，其可以是合金元素、非金属元素或稳定化合物。工程上常用的铁碳合金就是二元合金，也就是由两个组元Ｆｅ和Ｃ组成的合金。合金的力学性能、物理性能和化学性能都具有一定的优势，因此被广泛应用。而相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。液相是指液态物质，固相是指固态物质。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。固溶体固溶体是指合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相。下一页返回第一节合金的组织溶剂是指在合金中含量较多，并与固溶体晶格相同的组元。溶质是指含量较少、与固溶体晶格不同的组元。习惯以α、β、γ表示。如黄铜就是铜和锌的合金，即在锌中溶入铜形成的固溶体，用α或Ｃｕ（Ｚｎ）来表示。固溶体是合金的重要组成相，实际合金大都是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。固溶体按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。１.置换固溶体置换固溶体是指溶质原子占据溶剂晶格某些节点位置所形成的固溶体，可分为无序固溶体和有序固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体（图３－１）。上一页下一页返回第一节合金的组织２.间隙固溶体间隙固溶体是指溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如Ｃ、Ｎ、Ｂ等，而溶剂元素一般是过渡族元素。而且形成间隙固溶体的一般规律为ｒ质／ｒ剂＜０.５９。间隙固溶体都是无序固溶体。固溶体的溶解度是指溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。而间隙固溶体都是有限固溶体。上一页下一页返回第一节合金的组织固溶强化是指随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。固溶体与纯金属相比，其强度、硬度高，塑性、韧性低；但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。金属化合物金属化合物是指合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成，如铁碳合金中的渗碳体Ｆｅ３Ｃ（图３－２）。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。上一页返回第二节铁碳合金的基本组织铁碳合金包括碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为０.０２１８％～２.１１％的铁碳合金称为钢，而含碳量为２.１１％～６.６９％的铁碳合金称为铸铁。含碳量大于Ｆｅ３Ｃ成分（６.６９％）时，合金太脆，已无实用价值。铁碳合金的组元铁是过渡元素，密度为７.８７ｇ／ｃｍ３，熔点为１５３８℃，纯铁从液态结晶出固态高温铁素体后，继续冷却到１３９４℃，结晶出奥氏体，再继续冷却到９１２℃，结晶出铁素体，即发生两次同素异构转变，详见第二章第三节。下一页返回第二节铁碳合金的基本组织工业纯铁的力学性能：抗拉强度σｂ为１８０～２３０ＭＰａ，条件屈服强度σ０.２为１００～１７０ＭＰａ，硬度为５０～８０ＨＢ，伸长率δ为３０％～５０％，断面收缩率ψ为７０％～８０％，冲击韧度ａｋ为１６００～２０００ｋＪ／ｍ２。Ｆｅ３Ｃ称渗碳体，含碳６.６９％，也可用Ｃｍ表示，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格（图３－３）。Ｆｅ３Ｃ是一个亚稳相，在高温等一定条件下可发生分解反应：Ｆｅ３Ｃ→３Ｆｅ＋Ｃ（石墨），该反应对铸铁有着重要意义。但碳在α－Ｆｅ中的溶解度很小，因此常温下碳在铁碳合金中主要是以Ｆｅ３Ｃ或石墨的形式存在。上一页下一页返回第二节铁碳合金的基本组织渗碳体的硬度高，强度低，脆性大，塑性几乎为零。其力学性能具体如下：抗拉强度σｂ为３０ＭＰａ，硬度为８００ＨＢ，伸长率δ为０，断面收缩率ψ为０，冲击韧度ａｋ为０。铁碳合金的相１.铁素体碳原子半径较小，可在α－Ｆｅ或δ－Ｆｅ中进入铁原子的间隙而形成间隙固溶体。α铁素体是指碳在α－Ｆｅ中的固溶体，用Ｆ或α表示。但铁素体的碳的溶解能力很低，在７２７℃时最大溶解度为０.０２１８％，室温下仅为０.０００８％。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似（图３－４）。上一页下一页返回第二节铁碳合金的基本组织δ铁素体又称为高温铁素体，是指碳在δ－Ｆｅ中的固溶体，用δ表示。两者都是体心立方间隙固溶体。２.γ相γ相称为奥氏体，碳在γ－Ｆｅ中的面心立方间隙固溶体，可用γ或Ａ这两种符号来表示。γ－Ｆｅ的原子间隙比α－Ｆｅ大，因此奥氏体的溶碳能力比铁素体大，１１４８℃时最大溶解度为２.１１％。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直（图３－５）。其力学性能强度低、塑性好，钢材热加工都在γ区进行。碳钢室温组织中没有奥氏体。３.Ｆｅ３Ｃ相上一页下一页返回第二节铁碳合金的基本组织Ｆｅ３Ｃ相是一个化合物相，可根据不同的生成条件产生片状、粒状、网状等形态（图３－６），对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体静态结构非常复杂，属于正交晶系。渗碳体具有高硬度、低塑性的特点，塑性几乎为零。但它被塑性优良的基体包围，在三向压应力作用下，还是可以显示出一定的塑性。上一页返回第三节铁碳合金相图铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，也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，还是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。铁和碳可形成Ｆｅ３Ｃ、Ｆｅ２Ｃ、ＦｅＣ等化合物，因此Ｆｅ－Ｃ相图包括Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ、Ｆｅ３Ｃ－Ｆｅ２Ｃ、ＦｅＣ－Ｃ等几个部分，其中的Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ部分的实用性被人们深入研究，称为Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图（图３－７）。Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图的特征点Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图的特征见表３－１。Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图的特征线相图中的液相线为ＡＢＣＤ，固相线为ＡＨＪＥＣＦＤ。下一页返回第三节铁碳合金相图三条水平线包括：ＨＪＢ为包晶线，含碳量在０.０９％～０.５３％的铁碳合金在平衡结晶过程中均可发生包晶反应，其反应式为ＬＢ＋δＨ

ＡＪ。ＥＣＦ为共晶线，含碳量为２.１１％～６.６９％的铁碳合金在平衡结晶过程中均可发生共晶反应，其反应式为ＬＣ

ＡＥ＋Ｆｅ３Ｃ；共晶产物是γ与Ｆｅ３Ｃ的机械混合物，称作莱氏体，用Ｌｅ或Ｌｄ表示，结构为蜂窝状，以Ｆｅ３Ｃ为基，性能硬而脆（图３－８）。ＰＳＫ为共析线，亦称为Ａ１线，含碳量为０.０２１８％～６.６９％的铁碳合金在平衡结晶过程中均可发生共析反应，其反应式为ＡＳ

ＦＰ＋Ｆｅ３Ｃ；共析转变的产物是α与Ｆｅ３Ｃ的机械混合物，称作珠光体，用Ｐ表示，珠光体的组织特点是α相与Ｆｅ３Ｃ相呈片层相间分布，性能介于两相之间（图３－９）。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图ＧＳ线、ＧＰ线为α

γ固溶体转变线，ＧＳ线又称Ａ３线。ＨＮ线、ＪＮ线为γ

δ固溶体转变线。ＥＳ线为碳在γ－Ｆｅ中的固溶线，又称Ａｃｍ线，铁碳合金在１１４８℃时含碳量为２.１１％，而在７２７℃时只有０.７７％，因此含碳量大于０.７７％的铁碳合金从１１４８℃冷却到７２７℃的过程中就会析出二次渗碳体。ＰＱ线为碳在α－Ｆｅ中的固溶线，铁碳合金在７２７℃时含碳量为０.０２１８％，而在室温时只有０.０００８％，因此含碳量大于０.０００８％的铁碳合金从７２７℃冷却至室温的过程中会析出三次渗碳体。Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图的相区Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图包括五个单相区：Ｌ、Ｆ、Ａ、δ、Ｆｅ３Ｃ，七个两相区：Ｌ＋δ、Ｌ＋Ａ、Ｌ＋Ｆｅ３Ｃ、δ＋Ａ、Ａ＋Ｆｅ３Ｃ、Ａ＋Ｆ、Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图三个相区：ＨＪＢ（Ｌ＋δ＋Ａ）、ＥＣＦ（Ｌ＋Ａ＋Ｆｅ３Ｃ）、ＰＳＫ（Ａ＋Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ）三条水平线。典型合金的平衡结晶过程铁碳相图中的合金，按成分可分为三类：工业纯铁、碳钢和白口铸铁。工业纯铁含碳量＜０.０２１８％，其组织为单相铁素体；碳钢含碳量０.０２１８％～2.11％，其高温组织为单相γ，又可分为：亚共析钢（碳含量为０.０２１８％～０.77％）、共析钢（碳含量为０.77％）、过共析钢（碳含量为０.７７％～2.11％）；白口铸铁含碳量２.１１％～６.６９％，其铸造性能好，硬而脆，又可分为：亚共晶白口铸铁（碳含量为２.１１％～４.３％）、共晶白口铸铁（碳含量为４.３％）、过共晶白口铸铁（碳含量为４.３％～６.６９％）。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图１.工业纯铁的结晶过程如图３－１０所示，合金液体Ｌ在１～２点间匀晶转变为δ，３～４点间发生固溶体的同素异构转变δ→Ａ，奥氏体的晶核一般首先在δ相的晶界上形成并长大。５～６点间又发生固溶体的同素异构转变Ａ→Ｆ，同样铁素体也是在奥氏体的晶界上开始形核再长大。到７点，碳在铁素体中的溶解量达到饱和，因此当铁素体冷却到７点以下，从α中析出以不连续网状或片状分布于晶界的Ｆｅ３ＣⅢ。因Ｆｅ３ＣⅢ太少，可忽略不计，工业纯铁的室温组织则为Ｆ。２.共析钢的结晶过程如图３－１１所示，合金液体Ｌ在１～２点间发生匀晶转变结晶出Ａ。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图到３点（Ｓ点）在恒温下发生共析转变：Ａｓ

Ｆｐ＋Ｆｅ３Ｃ，Ａ全部转变为珠光体。珠光体在光镜下呈指纹状（图３－１２）。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。３点（Ｓ点）以下，在缓慢冷却条件下共析Ｆ中析出Ｆｅ３ＣⅢ，与共析Ｆｅ３Ｃ结合在显微镜下不易分辨，而且数量也非常少，对珠光体的组织和性能没有明显的影响。共析钢的室温组织为Ｐ。３.亚共析钢的结晶过程如图３－１３所示，含碳量为０.０９％～０.５３％的亚共析钢冷却时会发生包晶反应。以含碳量为０.４５％的钢为例，合金在结晶过程中，冷却到１～２点的温度区内发生匀晶转变而结晶出δ固溶体。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图当冷却到２点时，δ固溶体含碳量为０.０９％，液相Ｌ的含碳量为０.５３％，温度为１４９５℃，于是液相Ｌ和δ固溶体在恒温下发生包晶反应，形成奥氏体。但因亚共析钢含碳量０.４５％大于０.１７％，所以包晶转变终了后仍有液相Ｌ存在，这些剩余的液相Ｌ在２～３点间继续结晶出奥氏体，此时液相Ｌ的成分沿着ＡＢ线变化，奥氏体成分则沿着ＧＳ线变化。温度降到３点，合金全部由含碳量为０.４５％的奥氏体所组成。单相奥氏体继续冷却到４点，由奥氏体晶界上析出铁素体。随着温度下降，铁素体的数量不断增加，此时铁素体成分沿着ＧＰ线变化，而奥氏体成分沿着ＧＳ线变化。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图温度继续冷却到５点，与共析线相遇时，奥氏体的成分到达了Ｓ点，即含碳量为０.７７％，在恒温下奥氏体发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，共析铁素体和珠光体中的铁素体中都析出Ｆｅ３ＣⅢ，由于与共析Ｆｅ３Ｃ结合，且数量很少，可忽略不计。亚共析钢在室温下的组织为Ｆ＋Ｐ。铁碳合金的含碳量在０.０２１８％～０.７７％范围内时，珠光体的量随含碳量增加而增加（图３－１４）。４.过共析钢的结晶过程如图３－１５所示，合金在１～２点温度间按匀晶转变为奥氏体，当冷却到３点碰到ＥＳ线时，开始从奥氏体中析出Ｆｅ３ＣⅡ。从奥氏体中析出的称为二次渗碳体，其沿奥氏体晶界呈网状分布。温度下降，Ｆｅ３ＣⅡ

量增加。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图继续冷却到４点，奥氏体成分沿ＥＳ线变化到Ｓ点，即奥氏体的含碳量为０.７７％，在恒温下余下的奥氏体发生共析反应转变为珠光体。过共析钢室温组织为Ｐ＋Ｆｅ３ＣⅡ

（图３－１６）。５.共晶白口铸铁的结晶过程如图３－１７所示，共晶白口铸铁的含碳量为４.３％，合金冷却到１点（Ｃ点）发生共晶反应全部转变为高温莱氏体（Ｌｅ）或（Ｌｄ），高温莱氏体是共晶奥氏体与共晶Ｆｅ３Ｃ的机械混合物，呈蜂窝状。当冷却温度继续下降，碳在奥氏体中的溶解度不断降低，因此从共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，但因它附在共晶渗碳体上析出并长大，所以不易分辨。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图当温度降到２点时，奥氏体成分含碳量达到０.７７％，在恒温下，共晶奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。２点以下，共晶体中珠光体的变化与共析钢相同。这种由珠光体与Ｆｅ３Ｃ组成的共晶体称为低温莱氏体，用Ｌ′ｅ或Ｌ′ｄ表示（图３－１８）。低温莱氏体保持了高温莱氏体的形态特征，但组成相发生了改变。６.亚共晶白口铸铁的结晶过程如图３－１９所示，合金在１～２点温度间按匀晶转变析出奥氏体。奥氏体成分沿着ＪＥ线变化，而液相线沿着ＢＣ线变化，当温度继续下降到２点，液相成分变到共晶点（Ｃ点），在恒温（共晶温度１１４８℃）下发生共晶反应转变为Ｌｅ（或Ｌｄ）。温度冷却到２～３点，从奥氏体中析出Ｆｅ３ＣⅡ。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图随着Ｆｅ３ＣⅡ

的不断析出，奥氏体的含碳量沿着ＥＳ线不断降低，当温度降到３点，奥氏体的成分也到达了Ｓ点，在恒温（共析温度）下发生共析反应全部转变为珠光体。亚共晶白口铁室温组织为Ｐ＋Ｆｅ３Ｃ＋Ｌ′ｅ。由初晶奥氏体析出的Ｆｅ３ＣⅡ与共晶Ｆｅ３Ｃ连成一片，不易分辨。７.过共晶白口铸铁的结晶过程如图３－２０所示，合金在１～２点间从液相Ｌ中析出Ｆｅ３Ｃ，这种渗碳体称为一次渗碳体，用Ｆｅ３ＣΙ表示，呈粗条片状。随着Ｆｅ３ＣΙ的增多，液相Ｌ成分沿着ＤＣ线变化。温度降到２点，余下的液相成分变到共晶点（Ｃ点），并在恒温（共晶温度）下发生共晶反应转变为Ｌｅ（或Ｌｄ）。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图２点以下，共晶奥氏体先析出Ｆｅ３ＣⅡ，然后在恒温（共析温度）下发生共析反应转变为珠光体。Ｆｅ３ＣΙ成分重量不再发生变化，室温组织为Ｆｅ３ＣΙ＋Ｌ′ｅ（图３－２１）。８.组织组成物在铁碳合金相图上的标注铁碳合金相图中主要有Ａ＋Ｆｅ３Ｃ和Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ两个相区，Ａ＋Ｆｅ３Ｃ相区中有４个组织组成物区，Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ相区中有４个组织组成物区（图３－２２）。９.含碳量对铁碳合金组织、性能的影响１）含碳量对组织的影响铁碳合金的室温组织随着含碳量的增加，组织的变化规律如下：上一页下一页返回第三节铁碳合金相图铁碳合金室温组织随着含碳量的增加，铁素体的相对量会减少，而渗碳体的相对量会增加。具体如下：对碳钢部分而言，随着含碳量的增加，亚共析钢中的铁素体减少，过共析钢的二次渗碳体反而增加；对铸铁部分来说，随着含碳量的增加，亚共晶白口铸铁珠光体和二次渗碳体减少，而高温莱氏体增加，过共晶白口铸铁中一次渗碳体增加而高温莱氏体减少（图３－２３）。２）含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，Ｐ量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降（图３－２４）。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图当含碳量为０.７７％时，组织为１００％Ｐ，钢的性能即Ｐ的性能。当含碳量大于０.９％时，Ｆｅ３ＣⅡ为晶界连续网状，强度下降，但硬度仍上升。当含碳量大于２.１１％时，组织中有以Ｆｅ３Ｃ为基的Ｌ′ｅ，合金太脆。１０.铁碳合金相图的应用铁碳合金相图在钢铁材料选择方面起指导作用，因为它反映了铁碳合金的组织随成分变化的规律，从而可判断钢铁材料的力学性能。铁碳合金相图在制定热加工工艺方面有一定的应用，具体如下。（１）铸造方面。上一页下一页返回第三节铁碳合金相图从铁碳合金相图可得知共晶成分的铁