二元合金相图工程材料及其热处理

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1、工程材料及其热处理 2 1 第2章金属与合金的晶体结构和二元合金相图 教学基本要求1 弄清晶体结构 熟悉典型晶体结构特点及示2 掌握常见晶体缺陷特征及对性能的影响 3 理解相结构概念 熟记相的类型与主要性4 熟悉杠杆定律 熟练应用杠杆定律计算组织分的质量分数 5 默画铁碳相图及基本特性点 线 组织要素 6 能分析铁碳合金在室温下力学性能 工程材料及其热处理 2 2 一 晶体的概念定义 原子按一定几何形状作有规律的重复排列的固体物质 称晶体 非晶体则反之 特点 晶体 有熔点 具有各向异性如 食盐 冰 金刚石 金属等 非晶体 无熔点 各向同性 如 玻璃 松香 沥青等 1金属的晶体结构 工程材料及其

2、热处理 2 3 1 晶格为便于研究金属晶体内部原子排列的规律及几何形状 人为的将原子假想为一个几何结点 用直线连接起来 形成空间格子 定义晶格 2 晶胞由于晶体中原子排列规律有周期性变化的特点 因此在研究晶体结构时 通常只从晶格中取一个能够完全反映晶格特征的 最小的最小几何 工程材料及其热处理 2 4 单元 来分析晶体中原子排列的规律 这个最小的几何单元称为晶胞 实际上晶格就是晶胞在空间的重复排列堆积而成的 3 晶格参数在晶体学中规定 用晶格参数来描述晶胞大小与形状的几何参数 晶格参数有晶胞的三个棱边长度a b c和三个棱边夹角 二 常见的金属晶格 工程材料及其热处理 2 5 1 体心立方晶格

3、body centeredcubiclattice bcc 8个原子处于立方体的顶角上 并未相邻8各晶胞所共有 中心的1个原子 bcc中原子数为 8 1 8 1 2 个 晶格参数 a b c 90 晶胞中包含的原子数所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度 致密度越大 原子排列紧密程度越大 bcc致密度为0 68 68 912 Fe Fe 钼 钨 钒等金属 工程材料及其热处理 2 6 特点 Rm 强度 较好 如 912 Fe Cr Mo V等 2 面心立方晶格face centeredcubiclattice fcc 原子数为 8 1 8 6 1 2 4 个 致密度 0 74 74 具有这种晶格

4、的金属有A1 Cu Ni Au Ag Fe 912 1394 等 特点 A Z 塑性 较好 工程材料及其热处理 2 7 3 密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice hcp 特点 硬度高 脆性大 如 锌 Zn 镁 Mg 镉 Cd 等金属 三 实际晶体结构1 单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶体称为单晶体 工业上使用的金属结构都包含着许多小晶体 每个小晶粒内的晶格是一样的 但各个小晶体之间彼此方位不同 工程材料及其热处理 2 8 有多晶粒组成的晶体结构称为多晶体 由于多晶体是由若干具有外形不规则的小晶体构成的 故称这些小晶体称为晶粒 晶粒与晶粒之间不规则的界面称为晶界

5、2 晶体缺陷在实际的金属中 常常存在晶体缺陷 如点缺陷 线缺陷和面缺陷等 它们使晶体中的某些原子偏离正常位置 造成晶格畸变 点缺陷 工程材料及其热处理 2 9 点缺陷是指在晶体空间三维方向上尺寸都很小的缺陷 常见的有晶格空位 置换原子和间隙原子 可促使周围的原子发生靠拢或撑开的现象 造成金属晶格发生畸变 从而使金属的强度 硬度升高 电阻增大 线缺陷线缺陷是指晶体中呈线状分布的缺陷 属于这一类线缺陷的是位错 有刃型位错和螺型位错两种形式 工程材料及其热处理 2 10 面缺陷面缺陷是指在三维空间一维方向上尺寸很小 另两维方向上尺寸较大的缺陷 通常指晶界和亚晶界两种 亚晶界和晶界都能提高金属的强度及

6、改善塑性 韧性 称为细晶强化 2 金属的结晶与同素异晶转变 1 结晶由液态转变为固体晶体的过程 工程材料及其热处理 2 11 或 原子由不规则 无序 排列到有 序 规则排列过程 或 晶体结构形成的过程 如水 冰2 冷却曲线用热分析法测定时描述金属结晶过程的曲线 从冷却曲线可到 纯金属液体在理论结晶温度T0时 虚线 不会结晶 由于释放出结晶潜热 而补偿了向外界散失的热量 使温度回升到略低于T0 从而使冷却曲线出现了 平台 现象 工程材料及其热处理 2 12 曲线上另一段水平虚线 是实际结晶温度Tn 实线是结晶平台 是结晶时放出的热 潜热 造成的 3 过冷度 T T0 Tn实际结晶温度低于理论结晶

7、温度 此称 过冷 过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关冷却速度越快 结晶温度越低 过冷度越大 反之冷却速度慢 过冷度则小 工程材料及其热处理 2 13 下图是金属结晶过程示意图主要结论 1 结晶过程实质 形核 成长 大 两者相继又并存 2 结晶终了 得多晶粒组织 晶界多 犬牙交错 晶粒愈细愈好 控制细晶措施有 工程材料及其热处理 2 14 1 增大过冷度 2 变质处理 3 机械振动 4 热处理或压力加工 三 纯铁的同素异构转变在固态下随温度发生变化 其晶格类型发生转变的现象 同素异构 晶 转变 广义上说同素异构转变也是结晶过程 遵循生核与长大两规律 工程材料及其热处理 2 15 也需要一定的

8、过冷度 有结晶热效应 又称 重结晶 二次结晶 由于晶格结构的转变 金属随之有体积的涨缩 金属内部产生应变 降温时 体积膨胀 体积收缩 工程材料及其热处理 2 16 3合金与合金的相结构 1 合金alloy由两种或两种以上金属元素或者金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质 如 青铜 铸铁 铝合金等 2 组元constituent组成合金的最基本的独立的物质称组元 简称 元 如 黄铜Cu Zn 硬铝Al Cu等为二元合金 工程材料及其热处理 2 17 3 相phase指同一化学成分 同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分 如固相 液相等 4 组织structure借助于放大镜 显微镜下观察到

9、具有某种形态 形貌特征的组成部分 常见的合金的相结构有 固溶体 金属化合物和机械混合物三类型 工程材料及其热处理 2 18 一 固溶体solidsolution 定义 溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体 如 糖水水 溶剂 糖 溶质 保持溶剂晶格 固溶体属于单相组织 分类 按溶质原子在溶剂中分布情况不同 分置换固溶体和间隙固溶体两类 工程材料及其热处理 2 19 1 置换固溶体 溶质原子替换晶格上的原子 2 间隙固溶体 溶质原子溶入晶格原子间隙特征 晶格类型不变 化学成分有限 性能发生变化 结果 造成晶格畸变 强度 硬度上升 这种现象称固溶强化 工程中广泛应用 如锰钢 16Mn现称Q34

10、5 便为固溶结果 弱强化相 工程材料及其热处理 2 20 碳可以溶入 Fe Fe等形成不同的固溶体 1 铁素体F铁素体是 铁中溶入一种或多种溶质元素构成的固溶体 727 时Wc 0 0218 室温时Wc 0 008 特点 塑性 韧性好 强度 硬度低 近似纯铁 其显微组织特征 工程材料及其热处理 2 21 正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色 在钢中的形态多为不规则的多边形块 在接近共析成分的钢中 往往呈网状或断续网状 2 奥氏体 A austenite英国金相学家 奥氏体是 铁中溶入碳和 或 其他元素构成的固溶体 其强度和硬度比铁素体高 塑性 韧性也好 因此 钢材多数加热到奥氏体状态进行锻造 工程材料

11、及其热处理 2 22 在1148 时Wc 2 11 在727 时Wc 0 77 高温显微镜下 727 以上 才能观察到奥氏体组织 其晶粒呈多边形 且晶界较铁素体平直 二 金属化合物compound 合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属性质的新相 如Fe与C Fe3C 渗碳体 是晶体结构属于正交系 化学式为Fe3C的金属化合物 是钢和铸铁中 工程材料及其热处理 2 23 常见的固相 其硬度很高 800HBW 塑性 韧性很差 脆性很大 渗碳体在钢和铸铁中可呈片状 球状和网状分布 主要起强化作用 它的形态 大小 数量和分布对钢和铸铁的性能有很大影响 相对固溶体 Fe3C属于强强化相 Fe3C

12、在一定条件下可以分解 形成石墨 反应式 Fe3C3Fe C石墨 工程材料及其热处理 2 24 三 机械混合物 两相按固定比例构成的组织 复合相 称机械混合物 各相保持自己的晶格类型 性能特点 如 混凝土 强度 硬度适中 目前钢铁材料中大部分是这种组织 如铁碳合金中珠光体 P 莱氏体 Ld 1 珠光体Ppearlite是F与Fe3C机械混合物 WC 0 77 工程材料及其热处理 2 25 珠光体是铁素体薄层 片 与碳化物 包括渗碳体 薄层 片 交替重叠组成的共析组织 记住 层片相间 其性能介于铁素体和渗碳体之间 强度较高 硬度适中 有一定的塑性 2 莱氏体Ld分高温莱氏体和低温莱氏体A与Fe3C

13、的机械混合物称高温莱氏体 用符号 Ld表示 工程材料及其热处理 2 26 高温莱氏体冷却到727 以下时 转变为 P Fe3C称低温莱氏体 珠光体和渗碳体的复合物 又称 变态莱氏体 Ld 其力学性能与渗碳体相近 极为脆硬 平均含碳量为4 3 组织特征 白亮的渗碳体为基体 上面分布着许多粒状 条状或不规则形状的黑色珠光体 工程材料及其热处理 2 27 3铁碳合金状态图 铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的多 含碳量不同的铁碳合金结晶过程差别很大 用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化 然后 使之极其缓慢的冷却 测出各成分的合金的冷却曲线 在横 成分 纵 温度 坐标图上连点描线 可得铁碳合金状态图 铁碳

14、合金状态图的作用 工程材料及其热处理 2 28 1 表达铁碳合金不同成分 温度下的组织状态 2 研究钢铁成分 组织和性能之间关系的工具 3 制定铸造 锻造 焊接和热处理工艺的依据 由于含碳大于6 69 的铁碳合金在工业上没有实用价值 又由于Fe3C的含碳量6 69 是一个稳定的化合物 视为一个组元 我们重点讨论的是 Fe Fe3C简化状态图 工程材料及其热处理 2 29 工程材料及其热处理 2 30 二 铁碳合金状态图的分析 1 四个基本相是指铁碳合金状态图中 液相 L 奥氏体相 A 铁素体相 F 渗碳体相 Fe3C 2 特性点在铁碳合金状态图中用字母标出的点都有其特定的意义 3 特性线 工程

15、材料及其热处理 2 31 1 ACD线 液相相 液体到此开始结晶 2 AECF线 固相线 合金至此全部结晶为固体 在液 固两线之间为液 固两相区 在C点产生共晶反应 其反应式 LcLd A Fe3C 3 GS线 自A中析出F线 以 A3线表示 4 ES线 C在A中的溶解度曲线 以 Acm表示 1148 工程材料及其热处理 2 32 5 PSK线 共析反应线 常以 A1表示 6 PQ线 碳在铁素体中溶解度曲线 产生Fe3C 按含碳量不同 将铁碳合金分为 钢和铸铁两类钢 含碳量小于2 11 的铁碳合金 按室温组织又分为 亚共析钢 含碳量0 77 工程材料及其热处理 2 33 铸铁 指生铁 白口生铁

16、 含碳量为2 11 6 69 又分 亚共晶白口生铁 含碳量4 3 三 钢在结晶过程中的组织转变 下面以共析钢为例 分析铁碳合金在缓慢冷却过程中的组织转变规律 工程材料及其热处理 2 34 A E G P Q S Fe L A L A F F A F P P P Fe3C A Fe3C 0 77 2 11 共析钢 1 2 3 P 亚共析钢 1 2 3 4 1 2 3 4 4 L L A A F A A P P 冷却曲线 过共析钢 工程材料及其热处理 2 35 1 碳 C 作用碳对碳钢的组织和性能影响很大 如图示总趋势是 状态图中自左向右 含碳量增加 Fe3C增加 硬度直线上升 塑韧性急速下降 强度先升后降 2 锰 Mn 作用脱氧 FeO还原Fe 与S作用 MnS降低热脆性 提高强度 硬度 属有益元素 3 硅 Si 作用 工程材料及其热处理 2 36 与钢液中FeO生成炉渣 提高钢质量 溶于F中 固溶强化 有益元素 4 硫S作用 形成FeS 熔点1190 在晶界处 在1100 1200 时 压力加工 产生脆裂 热脆 有害元素 5 磷P作用 全部溶于F中 固溶强化 Rm HB 在低温下引起脆