第4、5講合金鐵碳合金的基本組織和相圖

1、第4、5講 合金結(jié)構(gòu)、鐵碳合金的基本組織和相圖制作人：薄渝本節(jié)難點：本節(jié)難點：鐵碳合金狀態(tài)圖的理解；鐵碳合金狀態(tài)圖的理解； 鐵碳合金由于其資源廣泛、鐵碳合金由于其資源廣泛、冶煉方便、價格低廉、性能優(yōu)冶煉方便、價格低廉、性能優(yōu)越，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。越，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu) 純金屬雖然得到了一定的應(yīng)用，但純金屬雖然得到了一定的應(yīng)用，但是它的機械性能較差，而且價格昂貴。是它的機械性能較差，而且價格昂貴。因此在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的大都是合金。因此在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的大都是合金。合金定義：合金定義：由兩種或兩種以上的金屬元由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的、具有金素或

2、金屬與非金屬元素組成的、具有金屬特征的物質(zhì)稱為合金。屬特征的物質(zhì)稱為合金。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)組元組元：組成合金最基本的、獨立的單元稱為組元。：組成合金最基本的、獨立的單元稱為組元。根據(jù)組元數(shù)目的多少，可將合金分為二元合金、三根據(jù)組元數(shù)目的多少，可將合金分為二元合金、三元合金等。元合金等。相相：合金中的相是指有相同的結(jié)構(gòu)，相同的物理、：合金中的相是指有相同的結(jié)構(gòu)，相同的物理、化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)中其余部分有明顯界面分開化學(xué)性能，并與該系統(tǒng)中其余部分有明顯界面分開的均勻部分。例如：水和冰雖然化學(xué)成分相同，但的均勻部分。例如：水和冰雖然化學(xué)成分相同，但物力性能不同，則為兩個相。固態(tài)下只有一個相的物

3、力性能不同，則為兩個相。固態(tài)下只有一個相的合金稱為單相合金；由兩個或兩個以上相組成的合合金稱為單相合金；由兩個或兩個以上相組成的合金稱為多相合金。金稱為多相合金。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合合金的結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的組元之間在結(jié)晶時的相互作用，合金的組元之間在結(jié)晶時的相互作用，合金可以形成：固溶體、金屬化合物和機金可以形成：固溶體、金屬化合物和機械混合物三種。械混合物三種。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)（1）固溶體 固溶體：固態(tài)下合金中的組元間相互溶解形成的均勻相稱為固溶體。固溶體中晶格保持不變的組元稱為溶劑，因此固溶體的晶格與溶劑的晶格相同；其它組元稱為溶質(zhì)。 分

4、類：根據(jù)溶質(zhì)原子在晶格中占據(jù)位置的不同，分為置換固溶體和間隙固溶體兩類。見下圖合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)置換固溶體置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)晶格的正常結(jié)點，這些：溶質(zhì)原子占據(jù)晶格的正常結(jié)點，這些結(jié)點上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所替換，當合金中的結(jié)點上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所替換，當合金中的二組元的原子半徑相近時，更易形成這種置換固溶二組元的原子半徑相近時，更易形成這種置換固溶體。有些置換固溶體的溶解度有限，稱有限固溶體，體。有些置換固溶體的溶解度有限，稱有限固溶體，但當溶劑與溶質(zhì)原但當溶劑與溶質(zhì)原子的半徑相當，并子的半徑相當，并具有相同的晶格類具有相同的晶格類型時，它們可以按型時，它們可以按任意比例溶解，這任

5、意比例溶解，這種置換固溶體稱為種置換固溶體稱為無限固溶體。無限固溶體。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)間隙固溶體間隙固溶體：溶質(zhì)原子：溶質(zhì)原子不占據(jù)正常的晶格結(jié)點，不占據(jù)正常的晶格結(jié)點，而是嵌入晶格間隙中，而是嵌入晶格間隙中，由于溶劑的間隙尺寸和由于溶劑的間隙尺寸和數(shù)量有限，所以只有原數(shù)量有限，所以只有原子半徑較小的溶質(zhì)（如子半徑較小的溶質(zhì)（如碳、氮、硼等非金屬元碳、氮、硼等非金屬元素）才能溶入溶劑中形素）才能溶入溶劑中形成間隙固溶體，且這種成間隙固溶體，且這種固溶體的溶解度有限。固溶體的溶解度有限。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)固溶體的性能固溶體的性能：固溶體與純金屬相比，不僅具有：固溶體與純金屬相比，不僅具有高

6、的強度和硬度，還有良好的塑性與韌性。一般合高的強度和硬度，還有良好的塑性與韌性。一般合金都是以固溶體作為基體相。金都是以固溶體作為基體相。 固溶強化固溶強化：無論形成哪種固溶體，都將破壞原子：無論形成哪種固溶體，都將破壞原子的規(guī)則排列，使晶格發(fā)生畸變，隨著溶質(zhì)原子數(shù)的規(guī)則排列，使晶格發(fā)生畸變，隨著溶質(zhì)原子數(shù)量的增加，晶格畸變增大。晶格畸變導(dǎo)致變形抗量的增加，晶格畸變增大。晶格畸變導(dǎo)致變形抗力增加，使固溶體的強度增加，所以獲得固溶體力增加，使固溶體的強度增加，所以獲得固溶體可提高合金的強度、硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強可提高合金的強度、硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是提高金屬材料性能的重要途徑

7、之化。固溶強化是提高金屬材料性能的重要途徑之一。一。 合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)固溶體中的晶格疇變合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)（2）金屬化合物）金屬化合物 金屬化合物金屬化合物：是合金中各組元間發(fā)生相互作用而形成：是合金中各組元間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的一種新相，其晶體結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，的具有金屬特性的一種新相，其晶體結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，而且不同于任一組成元素的晶體類型。它的組成一般可用而且不同于任一組成元素的晶體類型。它的組成一般可用分子式來表示，如鐵碳合金中的分子式來表示，如鐵碳合金中的Fe3C（滲碳體）。（滲碳體）。 金屬化合物性能金屬化合物性能：一般熔點高，性能硬而脆。當它呈細：一般熔點高，

8、性能硬而脆。當它呈細小顆粒均勻分布于固溶體基體上時，能使合金的強度、硬小顆粒均勻分布于固溶體基體上時，能使合金的強度、硬度、耐磨性等提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化，因此，合金度、耐磨性等提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化，因此，合金中的金屬化合物是不可缺少的強化相；但由于金屬化合物中的金屬化合物是不可缺少的強化相；但由于金屬化合物的塑性、韌性差，當合金中的金屬化合物數(shù)量多或呈粗大、的塑性、韌性差，當合金中的金屬化合物數(shù)量多或呈粗大、不均勻分布時，會降低合金的力學(xué)性能。不均勻分布時，會降低合金的力學(xué)性能。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)合金的組織可以是單相固溶體，但由于其強合金的組織可以是單相固溶體，但由于其強度不夠高

9、，其應(yīng)用具有局限性；絕大多數(shù)合度不夠高，其應(yīng)用具有局限性；絕大多數(shù)合金的組織是固溶體與少量金屬化合物組成的金的組織是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物。通過調(diào)整固溶體中溶質(zhì)原子的含量，混合物。通過調(diào)整固溶體中溶質(zhì)原子的含量，以及控制金屬化合物的數(shù)量、形態(tài)、分布狀以及控制金屬化合物的數(shù)量、形態(tài)、分布狀況，可以改變合金的力學(xué)性能，況，可以改變合金的力學(xué)性能， 以滿足不同以滿足不同的需要。的需要。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)（3）機械混合物）機械混合物 機械混合物機械混合物是指合金中，兩種相或兩種以是指合金中，兩種相或兩種以上的相相互均勻混合形成的混合組織，其中上的相相互均勻混合形成的混合組織，其中各個相仍

10、然保持其各自相的結(jié)構(gòu)特征，但是各個相仍然保持其各自相的結(jié)構(gòu)特征，但是它們相互間僅僅發(fā)生了機械均勻的混合而已。它們相互間僅僅發(fā)生了機械均勻的混合而已。機械混合物的性能決定于組成混合物各部分機械混合物的性能決定于組成混合物各部分的性能、數(shù)量、大小和形態(tài)。的性能、數(shù)量、大小和形態(tài)。合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)構(gòu)合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶過程也是在過冷的條件下形成晶合金的結(jié)晶過程也是在過冷的條件下形成晶核和晶核長大的過程。但合金的結(jié)晶過程較核和晶核長大的過程。但合金的結(jié)晶過程較為復(fù)雜為復(fù)雜, 通常運用合金相圖來分析合金的結(jié)通常運用合金相圖來分析合金的結(jié)晶過程。我們將在下面以鐵碳合金為例進行晶過程。我們將在下

11、面以鐵碳合金為例進行詳細分析和講解詳細分析和講解一、鐵碳合金的基本組織及其性能一、鐵碳合金的基本組織及其性能 以鐵和碳為基本組元組成的合金以鐵和碳為基本組元組成的合金, ,鋼鋼和鑄鐵的總稱和鑄鐵的總稱1. 1. 鐵素體：鐵素體： 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的間隙固溶體稱中形成的間隙固溶體稱鐵素體，用鐵素體，用F F或或 表示。表示。 鐵素體的鐵素體的溶碳能力很低溶碳能力很低，在，在727727時最大為時最大為0.0218%0.0218%，室溫下僅為，室溫下僅為0.0008%0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。其鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。其強度強度、硬度

12、低硬度低, ,塑性塑性、韌性好韌性好. .鐵素體鐵素體2 2 奧氏體奧氏體: :碳溶于碳溶于 -Fe-Fe中形成的間隙固溶體稱中形成的間隙固溶體稱奧氏體奧氏體。用。用 A A 或或 表示。表示。是是面心立方晶格的間隙固溶體面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，。溶碳能力比鐵素體大，11481148時最大為時最大為2.11%2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。較直。強度強度、硬度低、塑性硬度低、塑性、韌性韌性好好，鋼材熱加工都在，鋼材熱加工都在 區(qū)進行。區(qū)進行。碳鋼室溫組織中無奧氏體。碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體奧氏體3. 3. 滲碳體滲碳體 是鐵

13、與碳的金屬化合物是鐵與碳的金屬化合物, , 含碳含碳6.69%6.69%，用，用FeFe3 3C C表示。表示。 FeFe3 3C C具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu), ,硬度很高、脆性大硬度很高、脆性大，塑性、韌性塑性、韌性幾幾乎乎為零為零, ,不能單獨使用不能單獨使用. .是鋼中的主要強化相是鋼中的主要強化相. . 在一定條件下可發(fā)生分解：在一定條件下可發(fā)生分解：FeFe3 3C3Fe+CC3Fe+C（石墨），該反應(yīng)對（石墨），該反應(yīng)對鑄鐵有重要意義。鑄鐵有重要意義。 由于碳在由于碳在 -Fe-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以主

14、要以FeFe3 3C C 或石或石 墨的形式存在。墨的形式存在。 4.4.珠光體：珠光體： 鐵素體鐵素體和和滲碳體滲碳體的機械混合物稱為的機械混合物稱為珠光體珠光體, ,用符號用符號P P表示表示. .鐵素體和滲碳體呈片狀交替排列鐵素體和滲碳體呈片狀交替排列,W,WC C=0.77=0.77,力學(xué)性能介于鐵力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間素體和滲碳體之間, 強度強度、硬度較高硬度較高,有一定的塑性有一定的塑性、韌性韌性. 奧氏體奧氏體和和滲碳體滲碳體組成的機械混合物稱組成的機械混合物稱萊氏體萊氏體, ,用符號用符號 L Ld d 表示表示W(wǎng) WC C=4.3=4.3, , 其性能與滲碳體相似其性

15、能與滲碳體相似, ,硬度很高，塑性韌性硬度很高，塑性韌性極差。極差。5.5.萊氏體：萊氏體：二、鐵碳合金狀態(tài)圖及其應(yīng)用二、鐵碳合金狀態(tài)圖及其應(yīng)用1.1.鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵碳合金狀態(tài)圖是表示緩慢冷卻鐵碳合金狀態(tài)圖是表示緩慢冷卻( (加熱加熱) )條件下條件下, ,不同成分不同成分的鋼和鑄鐵在不同溫度下所具有的組織或狀態(tài)的一種圖形的鋼和鑄鐵在不同溫度下所具有的組織或狀態(tài)的一種圖形. .多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素，但對于既不發(fā)生分解、多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素，但對于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元，如又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元，如Fe-CFe-

16、C合合金中的金中的FeFe3 3C C。相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù)根據(jù)組元數(shù), , 分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。Fe-C二元相圖二元相圖三元相圖三元相圖 幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。相圖的建立相圖的建立：純銅：純銅 ：75%Cu+25%Ni 75%Cu+25%Ni III III：50

17、%Cu+50%Ni 50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni25%Cu+75%Ni ：純：純NiNi 二元相圖的建立：二元相圖的建立： 以以Cu-NiCu-Ni合金合金( (白銅白銅) )為例為例 1 1) )、配制不同成分的合金，測出、配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點（停歇點或轉(zhuǎn)折點）。的臨界點（停歇點或轉(zhuǎn)折點）。2)2)、在溫度、在溫度- -成分坐標中做成分成分坐標中做成分垂線，將臨界點標在成分垂線上。垂線，將臨界點標在成分垂線上。3 3）、將垂線上相同意義的點連）、將垂線上相同意義的點連接起來，并標上相應(yīng)的數(shù)字接起來，并標上

18、相應(yīng)的數(shù)字和字母。和字母。 相圖中，結(jié)晶開始點的連相圖中，結(jié)晶開始點的連線叫線叫液相線液相線。結(jié)晶終了點的。結(jié)晶終了點的連線叫連線叫固相線。固相線。 鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖1) 1) 特征點特征點1) 1) 特征點特征點共晶：指一定成分的液體合金，在一定溫度共晶：指一定成分的液體合金，在一定溫度下，同時結(jié)晶出成分和晶格均不相同的兩種下，同時結(jié)晶出成分和晶格均不相同的兩種晶體。晶體。共析：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定共析：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相結(jié)構(gòu)的固相 2 2）、）、特征線特征線 液相線液

19、相線ABCD(ACD) 固相線固相線AHJECF(AECF) 共晶線共晶線ECF, L LC C A A + Fe+ Fe3 3C C 共晶產(chǎn)物是共晶產(chǎn)物是 A A 與與FeFe3 3C C的機械混合物，的機械混合物， 稱作萊氏體，用稱作萊氏體，用LdLd表示。為蜂窩狀，表示。為蜂窩狀， 以以FeFe3 3C C為基，性能硬而脆。為基，性能硬而脆。萊氏體萊氏體 共析線共析線PSK S FP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是 F F 與與FeFe3 3C C的機械混合物，稱作的機械混合物，稱作珠光體珠光體，用用P P表示。其組織特點是兩相表示。其組織特點是兩相呈片層相間分布，性能介于兩呈

20、片層相間分布，性能介于兩相之間。相之間。 PSKPSK線又稱線又稱A A11線線 。 珠光體珠光體L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C 3 3） 其它相線其它相線GS,GPA F固溶體轉(zhuǎn)變線固溶體轉(zhuǎn)變線，GS又稱又稱 A A3 3 線。線。ES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶線溶線。又稱又稱Ac m線。線。PQ碳在碳在-Fe中的固中的固溶線。溶線。2 2、鐵碳合金的分類、鐵碳合金的分類鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類： 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵(0.0218% C) (L+A-A- L-L+A-A- A+P-PA+P-P相組成物：相組成物：F F和和FeFe3 3C C組織組成物組織組成物 ： P P 珠光體珠光體 亞共析鋼亞共析鋼 0.0218%C%0.77%0.0218%C%L+A-A-A+F-A+P+F-P