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1、第二单元 钢铁材料,主编,课题一 金属的晶体结构,一、金属的晶体结构 1.晶体与非晶体 自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。凡是内部原子或分子，按照一定几何规律作周期性的重复排列的物质称为晶体。绝大多数金属和合金固态下都属于晶体，如纯铝、纯铁、纯铜、钢等。凡是内部原子或分子呈无规则堆积的物质称为非晶体，如松香、玻璃、沥青等。,2.晶体的特点 (1)具有规则的外形 晶体在一般情况下具有规则的外形，如天然金刚石、水晶、食盐等。 (2)具有固定的熔点 任何一种晶体物质，当加热到一定温度，就会熔化。各种晶体物质都有各自的熔点。例如，铁的熔点为1538、铜的熔点为1084
2、.5、铝的熔点为660.4等。而非晶体没有固定的熔点。 (3)具有各向异性 同一种晶体物质在不同方向上具有不同的性能，称为各向异性。而非晶体是各向同性的。 (4)晶体与非晶体差异很大 晶体即使是由相同元素组成的，如果排列方式不同，即晶体结构不同，它们的性能往往也有很大差异。如金刚石和石墨，虽然都是由碳原子组成的，,3.金属的晶格类型 (1)金属的晶格 金属的晶格是指金属中原子排列的规律。如果把金属原子看做是一个直径一定的小球，则某金属中原子的排列情况如图2-1所示。为了更清楚地表示晶体中原子排列的规律，可将原子简化为一个质点，再用假想线段把它们连接起来，就形成了一个能反映原子排列规律的空间格架
3、，称为晶格，如图2-2a所示。,(2)常见的晶格类型 金属的晶格类型很多。在已知的八十多种金属元素中，有85以上的金属晶体都属于以下三种晶格，其结构特点见表2-1。,二、合金的晶体结构 纯金属虽然具有优良的物理、化学性能，如良好的导电、导热性，熔点高，耐腐蚀性好，但其强度、硬度偏低，而且种类有限，价格较高，制取困难，因此纯金属在工业上的应用受到限制。,1.合金的基本知识 (1)合金 由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质称为合金。,(2)组元 组成合金最基本的独立物质称为组元，简称元。组元通常是纯元素(金属元素或非金属元素)，也可以是稳定的化合物。
4、 (3)合金系 由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，称为合金系。 (4)相 合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分称为相。 (5)组织 用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分称为组织。,2.合金的组织 多数合金组元液态时都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，形成不同的组织。通常固态时合金中形成固溶体、金属化合物和机械混合物三类组织。 (1)固溶体 合金由液态结晶为固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的固相，称为固溶体。固溶体的晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同，而其他组元的晶格结构将要消失。能保持晶格结构的组元
5、称为溶剂，晶格结构消失的组元称为溶质。,(2)金属化合物 合金中各组元的原子按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，它的晶格类型和性能完全不同于任一组元，一般可用化学分子式表示，如Fe3C、TiC等。 金属化合物具有熔点高、硬度高、脆性大的特点。当合金中出现金属化合物时，可提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。金属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部分。 (3)混合物 合金中由不同的相组成的物质称为混合物，其性能主要取决于各组成相的性能及成分的分布状态。,三、金属的结晶 工业上使用的金属材料通常要经过液
6、态和固态的加工过程。例如制造汽车零件的钢材，要经过冶炼、铸锭、轧制、锻造、机械加工和热处理等工艺过程。 结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体(晶体)状态的过程，在结晶过程中会放出一定的热量，称为结晶潜热。,1.纯金属的结晶过程 金属的结晶必须在低于其理论结晶温度(熔点To)以下才能进行，理论结晶温度和实际结晶温度(T1)之间的温度差称为“过冷度”(T=To-T1)，如图2-6所示。金属结晶时，过冷度的大小与冷却速度有关，冷却越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度T也就越大。,2.晶粒大小及控制 (1)晶粒大小对金属性能的影响 金属结晶以后实际晶粒的大小对金属的力学性能有着重要的影响：金属的晶
7、粒越细小，其强度越高，塑性、韧性越好；反之，其强度、塑性、韧性越差。 (2)细化晶粒的方法 由金属的结晶过程可知，结晶后晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。形核率越高，长大速度越慢，则结晶后的晶粒越细小。因而在生产中一般通过提高形核率并控制晶粒长大速度的方法来细化晶粒。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以下几种方法：,3.合金的结晶 纯金属在结晶时，其结晶过程是在恒温下进行并完成的；另外在结晶进行时，只有一个液相和一个固相存在。合金的结晶过程是在过冷的情况下通过形核与长大来实现的，同样也遵循结晶的基本规律。但由于合金成分中会有两个或两个以上的组元，因此在结晶过程中，在不同温度区域共存相的数
8、目是变化的，而且各个相的成分有时也是不同的。因此，结晶不一定在恒温下进行，这会使合金的结晶过程比纯金属要复杂得多。,4.金属的同素异构转变 大多数金属的晶格类型是固定不变的，但是铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生变化。 在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异构转变。,课题二 铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能 在液态铁碳合金中，铁和碳可以无限互溶；在固态铁碳合金中，碳可溶于铁中形成固溶体，如铁素体和奥氏体；还可以形成由固溶体和化合物(渗碳体Fe3C)组成的混合物，如莱氏体和珠光体。铁素体、奥氏体和渗碳体均为铁碳合金的基本相。,1.
9、铁素体(F) 铁素体是碳溶于-Fe中形成的固溶体，用符号“F”表示。-Fe溶碳能力很小，随温度的不同而变化。在室温时溶解度仅为0.008，在727时溶解度最大达到0.0218。铁素体是室温下铁碳合金的基本相。,2.奥氏体(A) 奥氏体是碳溶于-Fe中形成的固溶体，用符合“A”表示。-Fe中的溶碳能力较-Fe大，在1148时溶解度最大达到2.11。随温度下降，溶解度降低，至727时为0.77。奥氏体是铁碳合金的高温基本相，稳定地存在于727以上。,3.渗碳体(Fe3C) 渗碳体是铁和碳形成的化合物，分子式为“Fe3C”。渗碳体具有复杂的晶体结构，如图2-11所示。渗碳体中碳的质量分数wC=6.6
10、9，熔点在1227，属于硬脆相，具有很高的硬度(9501050 HV) ，而塑性极差(接近于零)。它的数量、形状、分布对钢的性能影响很大，是钢中的主要强化相。,4.珠光体(P) 由铁素体和渗碳体组成的片层状的混合物称为珠光体，用符号“P”表示，其显微组织如图2-12所示。其中白色为铁素体基体，黑色线条为渗碳体。在缓慢冷却的条件下，珠光体的wC=0.77%。由于珠光体是由软的铁素体和硬的渗碳体组成的混合物，因此其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。,5.莱氏体(Ld) 莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号“Ld”表示。它是wC=4.3的液态铁碳合金在1148时
11、的共晶产物。当温度降到727时，由于莱氏体中的奥氏体将转变为珠光图2-13 低温莱氏体的显微组织体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物称为低温莱氏体，符号“Ld”表示。图2-13所示为低温莱氏体的显微组织，由于莱氏体的基体是渗碳体，所以它的性能接近于渗碳体，硬度很高，塑性很差。,二、铁碳合金相图 铁碳合金相图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)条件下，不同成分铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础，它是研究铁碳合金的成分、温度和组织结构之间关系的图形。铁碳合金相图是人类经过长期实践并进行大量科学实验总结出来的。,1.铁碳合金相图的组成 在铁碳合金中，铁
12、和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。而生产中实际使用的铁碳合金，其碳的质量分数一般不超过5。因为含碳量更高的材料脆性太大，难以加工，没有实用价值，因此，只研究相图中碳的质量分数为06.69的部分。而这部分的铁碳化合物只有Fe3C，故铁碳合金相图也可以认为是Fe-Fe3C相图。,2. Fe-Fe3C相图中特性点、线的含义及各区城内的组织 Fe-Fe3C相图中有九个特性点及六条特性线，当了解了这些点、线的含义后，就可以把一个看似复杂的相图分割成不同的区域。当成分(含碳量)和温度变化时，按一定规律可分析出各区域产生的组织。 (1)主要特性点 Fe-Fe3C相图中的九个特性点及
13、其温度、含碳量和含义见表2-2。 (2)主要特性线 Fe-Fe3C相图中有若干条表示合金状态的分界线，它们是不同成分合金具有相同含义的临界点的连线。,三、铁碳合金的分类 按含碳量的不同，铁碳合金的室温组织可分为工业纯铁、钢和白口铸铁。 1.纯铁 碳的质量分数小于等于0.0218的铁碳合金称为纯铁，即wC0.0218。 2.钢 碳的质量分数大于0.0218而小于等于2.11的铁碳合金称为钢，即0.0218wC2.11。钢的特点是高温固态组织为奥氏体，根据其室温组织特点不同，钢又分为三种： 0.77wC2.11。 3.白口铸铁 把碳的质量分数大于2.11的铁碳合金称为白口铸铁，即：wC2.11%。
14、 白口铸铁的特点是高温发生共晶反应生成莱氏体，根据其室温组织特点不同，白口铸铁也分为三种：,四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系 分析铁碳合金的室温组织不难发现，随含碳量的不同，其组织顺序为FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+ LdLdLd+Fe3CI。其中的珠光体(P)和低温莱氏体(Ld)由铁素体和渗碳体组成，因此可认为铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体组成的，但含碳量不同时，铁素体和渗碳体的相对量会有所变化。含碳量越高，铁素体数量越少，而渗碳体数量越多，铁碳合金的成分不但对其组织有上述影响，对其性能也有影响。,课题三 碳素钢,碳素钢是指碳的质量分数wC2.11的铁碳合金。在钢铁材料中，
15、碳素钢具有冶炼方便、加工容易、价格低廉、工艺性能好、力学性能能够满足一般工程和机械制造的使用要求的特点，是工业中用量最大的金属材料。其中，在汽车工业的用材中，钢铁材料占整个用材总量的6570。,一、碳素钢的成分 常用的碳素钢，wC1.3。除Fe、C两个主要元素外，碳素钢在冶炼过程中还会带入一些杂质，如Mn、Si、S、P等常存元素。这些杂质对钢的质量有很大影响，尤其是S、P，必须严格控制在要求的范围内。 1.锰(Mn) 锰是钢中的有益元素，是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，经常作为合金元素而特意加入钢中。锰具有很好的脱氧能力，能很大程度上减少钢中的FeO，还能与硫化合成MnS，减轻硫的有害作用。锰能溶解于铁素体和渗碳体中，形成合金固溶体和合金渗碳体，提高了钢的强度和硬度。当锰作为少量常存元素存在时，一般不应超过1.00。,2.硅(Si) 硅也是一种有益元素，也是作为脱氧剂而进入钢的。硅的脱氧能力比锰强，可有效清除FeO。硅在室温下大部分溶入铁素体，产生固溶强化，使铁素体的强度和硬度提高。硅作为杂质一般不应超过0.4。 3.硫(S) 硫是钢中的有害元素，是在冶炼时由矿石带入的，炼钢时很难除尽。硫在铁素体中几乎不能溶解，而是以FeS形式存在。
