第七讲-钢铁中的合金相.ppt

1、合金相与相变 易丹青 教授 材料科学与工程学院 ,纯铁及钢简介 碳钢中的相及组织 合金钢中的相,第七讲 钢铁中的相,Fe是元素周期表中第26号元素，分子量56、密度7.8g/cm3、熔点1538。 Fe有三种不同的晶型，随温度的变化会发生同素异晶转变。同素异晶转变也称同素异构转变或重结晶，是一种固态相变。,纯铁的基本性质,纯铁及钢简介,纯铁同素异构转变 912 1394 -Fe -Fe -Fe BCC FCC BCC 金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。,纯铁的同素异构转变,纯铁同素异构转变,纯铁及钢简介,钢铁是铁基合金（黑色金属）

2、的总称，是现代工业中应用最广泛的材料。铁和碳是钢铁材料两个最基本的组元。将碳的质量分数在0.0218%Wc2.11%范围的铁基合金称为钢，若2.11%Wc 6.69%，则称为铸铁。,钢铁,铁碳二元相图,纯铁及钢简介,钢铁中的相及组织,铁碳合金中的 Fe 和 C 可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）三个基本相。这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld）组织。 铁碳合金中的固态相：铁素体，渗碳体，奥氏体 室温组织组成物：铁素体，渗碳体，珠光体，莱氏体,2.碳钢中的相及组织,铁素体 ：即-Fe铁中溶入碳元素构成的间隙固溶体，用符号 F或 表示。它仍保持溶剂-

3、Fe的的体心立方晶格结构。 由于-Fe内原子间的空隙比较小，仅有0.072nm，远小于碳原子的直径（0.154nm）。所以，碳在-Fe中的溶解度很小。室温时溶解度Wc0.00080。最大溶解度在727，Wc0.0218。,铁素体结构示意图,铁素体（ferrite）,2. 碳钢中的相及组织,力学性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。 =30%50%， =70%80% ，AK=128160J b=180280MPa， 0.2=100170MPa，HBS=5080HBS。 铁素体是在室温时的重要相，常作为基体相存在。,铁素体（ferrite）,2.碳钢中的相及组织,在1394以上有一个铁素体相。它是碳固

4、溶到- Fe中形成的一种间隙固溶体高温相，在1495时有最大的溶解度Wc0.09。,高温铁素体（铁素体）,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。,铁素体形貌,铁素体组织,2.碳钢中的相及组织,铁素体组织,2.碳钢中的相及组织,铁素体形貌,奥氏体（Austenite ）,奥氏体：即-Fe中溶入碳元素构成的间隙固溶体，用符号 A 或 表示。它仍保持- Fe的晶体结构，为面心立方。其间隙的直径较大，最大间隙直径为0.104nm，接近于碳原子直径

5、。所以碳原子在-Fe中的溶解度大于在-Fe中的溶解度，在727时，Wc0.77，在1148时，最大溶解度Wc2.11。,奥氏体结构示意图,2.碳钢中的相及组织,力学性能：具有一定的强度，塑性很好，易锻压成形。 b=400MPa，HBS=170-220，=40%-50%。 奥氏体是一种强度不高，塑性很好的高温相，是热变形加工所需要的相，一般情况奥氏体不存在于室温, 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。,奥氏体（Austenite ）,2.碳钢中的相及组织,奥氏体的形貌与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。,奥氏体组织,奥

6、氏体形貌,2.碳钢中的相及组织,奥氏体组织,奥氏体形貌,2.碳钢中的相及组织,渗碳体 :化学式为Fe3C的间隙金属化合物。 渗碳体中碳的质量分数为6.69%, 熔点为1227, 晶格结构复杂。渗碳体属于正交晶系，点阵常数为: a = 0.4524nm，b = 0.5089 nm， c=0.6743nm, 渗碳体晶胞内含有12个铁原子和4个碳原子，符合FeC = 31的关系。,渗碳体（Cementite）,渗碳体晶格,2.碳钢中的相及组织,质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，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、

7、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。,渗碳体形貌,2.碳钢中的相及组织,过共析钢中网状渗碳体,莱氏体中渗碳体基体,渗碳体（Cementite）的性能,渗碳体是具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性的相，硬度很高 (HV=950-1050)， 而塑性极差。 b30MPa，HBS=800，0，0 在铁碳合金中起强化作用。常作为钢的第二相弥散强化的强化相，是亚稳定化合物，条件适当时，会分解成单质状态的石墨C 。,2.碳钢中的相及组织,莱氏体 : 铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体(或其转变产物)与渗碳体组成的共晶组织，属于机械混合物，其碳的质量分数为4.3%。 莱氏体通常在

8、高温下由奥氏体和渗碳体组成，727以下由珠光体和渗碳体组成, 分别用符号Ld和Ld表示。 力学性能：与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。,莱氏体(金相组织),2.碳钢中的相及组织,莱氏体形貌,珠光体转变是过冷奥氏体在A1以下比较高的温度范围内进行的，共析钢约在A1550之间发生，所以又称高温转变。 珠光体转变是奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的过程，铁、碳原子都进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。,珠光体(金相组织),2.碳钢中的相及组织,过冷奥氏体等温转变曲线,珠光体是由铁素体和渗碳体以层片状结构组成的机械混合物，是钢中的重要组织。平均含碳量为0.77%，在珠光体中铁素体占88%，渗

9、碳体占12%，由于铁素体的数量大大多于渗碳体，所以铁素体层片要比渗碳体厚得多。 在球化退火条件下，珠光体中的渗碳体也可呈粒状，这样的珠光体称为粒状珠光体。 力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好(b= 750 900MPa 、 HBS=180 280HBS 、=20%35%、AK=2432J)。,珠光体,2.碳钢中的相及组织,2.碳钢中的相及组织,珠光体类别,珠光体(P) :形成于A1650，转变产物为粗片状铁素体+粗片状渗碳体，硬度为HRC1522。S0大约为450150nm，光学显微镜下能明显分辩出； 索氏体(S):形成于650600，转变产物为层片较薄的铁素体

10、和渗碳体交替而成的珠光体，硬度为HRC2227。S0大约为15080nm，高倍光学显微镜才能分辩出； 屈氏体(T):形成于600550 ，转变产物为层片极薄的铁素体和渗碳体交替而成的珠光体，硬度为HRC2743。S0大约为8030nm， 只有在电子显微镜下才能分辨。,珠光体,索氏体,屈氏体,2.碳钢中的相及组织,珠光体形貌,经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织。当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体；当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线；而当放大倍数继续降低或珠光体变细时，珠光体的层片状结构就不能分辨

11、了，此时珠光体呈黑色的一团。,珠光体中片状渗碳体,粒状珠光体中渗碳体,片状珠光体形貌,2.碳钢中的相及组织,珠光体形貌,2.碳钢中的相及组织,贝氏体(金相组织),贝氏体转变是介于珠光体转变和马氏体转变之间的一种转变，又称中温转变。它兼具有珠光体转变和马氏体转变的某些特征，转变产物 贝氏体是碳含量过饱和的铁素体和碳化物组成的机械混合物。 根据形成温度不同，贝氏体主要分为上贝氏体和下贝氏体。 贝氏体转变发生于珠光体与马氏体转变之间的中温区，铁和合金原子难于扩散，但碳原子还有一定扩散能力。与珠光体转变相似，贝氏体转变过程中发生了碳在铁素体中的扩散；与马氏体转变相似，奥氏体向铁素体的晶格改组是通过共格

12、切变方式进行的。,上贝氏体的金相组织500,电子显微组织 4000 ,上贝氏体形成于贝氏体转变较高温度区，中高碳钢大约在305-550之间。形态为成束分布、平行排列的铁素体和夹于其间的断续的条状渗碳体混合物。,上贝氏体,2.碳钢中的相及组织,下贝氏体形成于贝氏体转变区较低温度区，中高碳钢约为350 Ms之间。典型下贝氏体是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。,下贝氏体,2.碳钢中的相及组织,下贝氏体金相组织 100 ,电子显微组织1000 ,2.碳钢中的相及组织,马氏体(金相组织),钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度（Ms点）下发生的转变为马氏体转变

13、。转变产物为马氏体，它是碳在铁素体中的过饱和固溶体，具有较高的强度和硬度。 马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段，马氏体转变过程中的Fe的晶格改组是通过切变方式完成的，因此马氏体转变是典型的非扩散型转变。,低碳钢的板条马氏体组织,高碳钢的片状马氏体组织,2.碳钢中的相及组织,板条马氏体,板条马氏体是低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢等合金中形成的一种典型马氏体。板条马氏体的亚结构主要是高密度的位错，位错密度高达(0.30.9)1012cm-2，故又称位错马氏体。这些位错分布不均，相互缠结，形成胞状亚结构，称位错胞。,板条马氏体中的位错胞 36000,片状马氏体,2.碳钢中的相及组织,片状马氏体是

14、在中、高碳钢及WNi29的Fe-Ni合金中形成的。片状马氏体的亚结构主要是孪晶。孪晶间距约为5-10nm，因此片状马氏体又称孪晶马氏体。但孪晶仅存在马氏体的中部，在片的边缘为复杂的位错网络。,片状马氏体透射电镜照片,片状马氏体中脊面 500 （密度很高的微细孪晶区）,石墨,石墨是Fe-C合金中游离存在的碳，代号G。它以简单六方晶格结构存在。石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键，故熔沸点很高。所以，石墨称为混合型晶体。强度、塑性、硬度都很低。,单层石墨的结构,石墨的六方晶胞,2.碳钢中的相及组织,在钢中通常是不允许它

15、存在，否则会降低钢的力学性能。但是在铸铁材料中为了增加铸铁的切削加工性和降低铸铁的脆性并能保证一定的强度和韧性，常采用一些工艺措施使大多数的化合碳转变成游离碳的石墨，使铸铁由白口变成灰口，成为有用的工程材料。,石墨,石墨的层间移动,用隧道扫描显微镜放大后的石墨层状结构,2.碳钢中的相及组织,3.合金钢中的相,碳化物,碳化物属间隙化合物。过渡金属钛、钒、铌、锆、钽、钨、钼、铬、锰、和铁都可与碳形成二元碳化物。 当过渡性金属原子半径（rM）和碳的原子半径（rC）的比值0.59时形成复杂结构的碳化物。复杂立方的M23C6型碳化物有Cr23C6 和Mn23C6 ，复杂六方M7C3与Mn3C。 特征：高

16、硬度、弹性模量和熔点，高的生成热并具有导电性。,M23C6的晶体结构,VC的晶体结构,3.合金钢中的相,碳化物的晶体结构,氮化物,合金元素除溶解在固溶体中形成碳化物外，一些比较活泼的元素，又极易与钢中氮化合，形成氮化物，属间隙化合物。 由于当rN/rM均小于0.59，具有简单密排结构。属于面心立方点阵的有TiN、VN、NbN、W2N、Mo2N、CrN、MnN、-Fe4N ；属于六方点阵的有TaN、Nb2N、MoN、WN、Cr2N、Mn2N、Fe23N。 氮化物与碳化物之间也可以相互溶解，形成碳氮化合物，例如(Cr，Fe)23(C，N)6、 V(C，N)、 Nb(C，N)。 氮化物具有高硬度、弹

17、性模量和熔点，高的生成热并具有导电性。 氮在钢中和钒形成氮化钒来细化奥氏体晶粒。在渗氮钢中氮和铝、铬形成氮化物以增加钢的耐磨性和耐蚀性，延长了模具、刀具、齿轮和轴等使用寿命。,3.合金钢中的相,氧化物,钢液中免不了和大气接触，另外，在炼钢工艺中有氧化过程以降低钢中的碳含量。因此，钢总会有一定的氧。为此在熔炼的后期应加脱氧剂造渣除氧。主要脱氧剂有锰铁、硅铁、铝等。除氧后，钢中仍会有一些氧的化合物以夹杂形式存在于钢中，也有极少量氧固溶到F中。 主要氧化物有Fe3O4、FeO、MnO、Mn3O4、SiO2、Al2O3等。 钢中氧化物及其它化合物夹杂的存在会降低钢中的力学性能，尤其是会严重降低钢的疲劳

18、强度。,3.合金钢中的相,3.合金钢中的相,硫化物,杂质硫主要来源于矿石和燃料。 S几乎不溶于铁，而于铁形成FeS化合物作为夹杂物存留钢中。FeS熔点为1190，而FeS有能于Fe形成共晶体。（F+FeS）共晶体的熔点低于钢的热变形加工温度（10001200），易使钢在热变形加工中开裂，使钢的“热脆”性增加。 锰的存在可使硫形成MnS。它的熔点可高达1620，从而可消除由S引起钢的热脆性。MnS在铸态钢中是呈粒状分布于铁素体晶粒内或晶界上。由于MnS有一定的塑性，在轧时被轧成条状，这种带状组织会使热轧也出现各向异性，进行淬火处理易引起工件开裂。,TCP相,合金元素含量较高时，有的元素和铁或钢中

19、过渡元素之间也会形成拓扑密堆相，其中主要有相和Laves相。 拓扑密堆相是由两种大小不同的金属原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适当的配合构成空间利用率和配位数都很高的复杂结构。由于这类结构具有拓扑特征，故称这些相为拓扑密堆相，简称TCP相。 同种类的等直径原子球堆垛，配位数最大为12，最大致密度为0.74。如果都是金属原子(性质接近)，尺寸尽管有一定的相差，以大小原子的一定比例搭配(固定的原子比)，形成的新相配位数大于12，或致密度大于0.74，称为拓扑密堆结构相。,3.合金钢中的相,拓扑密堆相中的配位多面体,TCP相结构特点,(1)由配位数为12，14，15，16的配位多面体堆垛而成

20、。所谓配位多面体是以某一原子为中心，将其周围紧密相邻的各原子中心用一些直线连接起来所构成的多面体，每个面都是三角形。,3.合金钢中的相,原子密排层系由三角形、正方形或六角形组合起来的网格结构。网格结构通常可用一定的符号加以表示：取网格中的任一原子，依次写出围绕着它的多边形类型。,原子密排层的网格结构 (a)36型 (b)63型 (c)3636型 (d)32434型,TCP相结构特点,(2)呈层状结构：原子半径小的原子构成密排面，其中嵌镶有原子半径大的原子，由这些密排层按一定顺序堆垛而成，从而构成空间利用率很高，只有四面体间隙的密排结构。,3.合金钢中的相,相,相：属拓扑密排相(TCP)， 相具有复杂的四方结构，正方晶系，其轴比c/a0.52，每个晶胞中有30个原子。 相分子式可写作AB或AxBy，如FeCr，FeV，FeMo，MoCrNi，WCrNi，(Cr,Mo,W)x(Fe,Co,Ni)y 等。尽管相可用化学式表示，但其成分是在一定范围内变化，即也是以化合物为基的固溶体。 通常在铬不锈钢中出现铁铬相，在Fe-Cr-Mn、Fe-Cr和Cr-Mn系中均可出现相。,相的晶体结构,3.合金钢中的相,相,锰加入不锈钢中促进相形成。许多合金元素都使铁铬相稳定温度范围增高。铁铬相在低于820稳定。硅