第2章 第1、2节.ppt

制制作作：周周宗宗明明第二章 铁 碳 合 金第二章第二章 铁铁 碳碳 合合 金金金属材料通常分为有色金属和黑色金属两大金属材料通常分为有色金属和黑色金属两大类类：1 1、黑色金属、黑色金属 包括铁、铬、锰三种。但后两包括铁、铬、锰三种。但后两种实际生产中很少用，故黑色金属泛指铁或以铁为种实际生产中很少用，故黑色金属泛指铁或以铁为主而形成的铁碳合金。如钢和铁主而形成的铁碳合金。如钢和铁。2、有色金属、有色金属 除黑色金属以外其它金属称为有除黑色金属以外其它金属称为有色金属，如铜、铝和镁等色金属，如铜、铝和镁等。本章主要内容：本章主要内容：金属的晶体结构与铁碳合金性能及用途。金属的晶体结构与铁碳合金性能及用途。制制作作：周周宗宗明明 其原因是改变了金属内部的结构。因此，只有了解金属其原因是改变了金属内部的结构。因此，只有了解金属内部结构的变化规律，才能掌握金属材料性能的变化规律。内部结构的变化规律，才能掌握金属材料性能的变化规律。不同化学元素成份的材料具有不同的机械性能，即使不同化学元素成份的材料具有不同的机械性能，即使是同一成份的材料，采用不同的加工工艺和热处理工艺也会是同一成份的材料，采用不同的加工工艺和热处理工艺也会有不同的性能。有不同的性能。第一节第一节 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶一、金属的结构与结晶一、金属的结构与结晶 固态物质可分为，固态物质可分为，晶体晶体和和非晶体非晶体两类。两类。原子呈无规律原子呈无规律堆积的固态物质，称为非晶体堆积的固态物质，称为非晶体。原子呈有规律堆积的固态物原子呈有规律堆积的固态物质，称为晶体质，称为晶体。1.晶体晶体与与非晶体非晶体 晶体与非晶体的差异主要有晶体与非晶体的差异主要有:晶体具有规则的几何外形晶体具有规则的几何外形,而非晶体则不然而非晶体则不然;晶体具有固定的熔点晶体具有固定的熔点,而非晶体是不定的而非晶体是不定的;晶体具有各向异性晶体具有各向异性,而非晶体则各向同性而非晶体则各向同性.第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明2.2.晶体结构的概念晶体结构的概念1)1)晶格与晶胞晶格与晶胞 2)2)晶格常数晶格常数 晶格晶格是由许多大小、形状相同的几何单元反复堆积而形是由许多大小、形状相同的几何单元反复堆积而形成的空间格架。而能完整反映晶格特征的最小几何单元就成的空间格架。而能完整反映晶格特征的最小几何单元就叫做叫做晶胞。晶胞。不同的金属原子晶胞大小和形状是不一样的。晶胞大小不同的金属原子晶胞大小和形状是不一样的。晶胞大小可用品胞的棱边长度表示，则晶胞的形状可用棱边间夹角来可用品胞的棱边长度表示，则晶胞的形状可用棱边间夹角来表示。它们统称为表示。它们统称为晶格常数晶格常数。第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明二、常见金属的晶体结构二、常见金属的晶体结构1、体心立方晶格；、体心立方晶格；2、面心立方晶格；、面心立方晶格；3、密排立方晶格、密排立方晶格第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明三、金属的实际晶体结构三、金属的实际晶体结构1、金属的多晶体结构、金属的多晶体结构第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明2、金属的晶体缺陷、金属的晶体缺陷 实际金属不仅是多晶体，而且存在各种各样的晶体缺陷。实际金属不仅是多晶体，而且存在各种各样的晶体缺陷。一般分成：一般分成：1）点缺陷（）点缺陷（如如图图2-4所示）所示）2）线缺陷（）线缺陷（如如图图2-5所示）所示）3）面缺陷（是晶粒与晶粒之间的交界面）面缺陷（是晶粒与晶粒之间的交界面）由于在金属晶体内部存在着空位、间隙原子、位错、晶由于在金属晶体内部存在着空位、间隙原子、位错、晶界和亚晶界等缺陷，都会造成晶格畸形，引起塑性变形抗力界和亚晶界等缺陷，都会造成晶格畸形，引起塑性变形抗力增加，从而使金属强度增加。增加，从而使金属强度增加。四、金属的结晶四、金属的结晶 物物质质从从液液态态到到固固态态的的转转变变过过程程称称为为凝凝固固。如如凝凝固固后后能能形形成成晶晶体体结结构构，则则称称为为结结晶晶。结结晶晶所所形形成成的的组组织织，影影响响各各种种工工艺艺处处理理后后材材料料的的性性能能。在在机机械械制制造造中中控控制制结结晶晶过过程程是是提提高高金金属性能的一个重要手段。属性能的一个重要手段。第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明图中：图中：T T0 0理论结晶温度；理论结晶温度；T T1 1 实际结晶温度；实际结晶温度；T T过冷度过冷度1冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度T0T1T温度（温度（）t 时间时间0图图2-6 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明2 2 金属的结晶过程金属的结晶过程 金属的结晶过程就是由晶核的形成和晶粒的长大两个金属的结晶过程就是由晶核的形成和晶粒的长大两个基本过程组成的。基本过程组成的。1 1）形核）形核 2 2）长大）长大第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明3 3金属结晶后的晶粒大小金属结晶后的晶粒大小 金金属属的的晶晶粒粒大大小小对对其其力力学学性性能能影影响响很很大大。一一般般情情况况下下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。因因为为晶晶粒粒越越细细小小，则则晶晶界界越越多多，越越曲曲折折，晶晶粒粒与与晶晶粒粒之之间间相相互互咬咬合合的的机机会会就就越越多多，越越不不利利于于裂裂纹纹的的传传播播和和扩扩展展。增增强强了了彼彼此此之之间间结结合合力力。不不仅仅使使金金属属的的强强度度、硬硬度度提提高高，而而且且塑塑性性、韧韧性性也也越越好好。晶晶粒粒大大小小对对纯纯铁铁力力学学性性能能的的影影响响如如下下表表所示所示抗拉屈服收缩率强度强度第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明 因此，在实际生产中，要设法控制晶粒大小以获得不同因此，在实际生产中，要设法控制晶粒大小以获得不同性能的金属材料。而实际生产中，常采用控制冷却速度来得性能的金属材料。而实际生产中，常采用控制冷却速度来得到较细晶粒的方法是很多的。到较细晶粒的方法是很多的。1 1）增大过冷度）增大过冷度 2 2）变质处理）变质处理 3 3）附加振动）附加振动 五、五、金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 实实验验证证明明，在在不不同同的的温温度度区区间间，金金属属的的晶晶体体结结构构具具有有不不同的晶格类型，称为同的晶格类型，称为同素异晶转变同素异晶转变。第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明 同素异晶转变，同素异晶转变，是金属的一个重要是金属的一个重要性能。凡是具有同性能。凡是具有同素异晶转变的金属素异晶转变的金属及其合金。都可以及其合金。都可以用热处理的方法改用热处理的方法改变其性能。同素异变其性能。同素异晶转变是钢铁能够晶转变是钢铁能够进行热处理的内因进行热处理的内因和根据，也是钢铁和根据，也是钢铁材料能多种多样、材料能多种多样、用途广泛的主要原用途广泛的主要原因之一。因之一。第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明第二节第二节 合金的晶体结构与二元合金状态图合金的晶体结构与二元合金状态图 纯金属虽然具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光纯金属虽然具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽，在工业上有一定使用价值。但泽，在工业上有一定使用价值。但因纯金属的强度不高，冶因纯金属的强度不高，冶炼困难，价格成本较高。在实际生产中应用不多。而大量使炼困难，价格成本较高。在实际生产中应用不多。而大量使用的金属材料主要是用的金属材料主要是合金合金。一、基本概念一、基本概念 合金合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成是由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的。的。组成合金的独立的、最基本的单元称为组成合金的独立的、最基本的单元称为组元组元。因此有二。因此有二元合金、三元合和多元合金。元合金、三元合和多元合金。合金中聚集状态，成分和晶体结构相同的均匀部分称为合金中聚集状态，成分和晶体结构相同的均匀部分称为相相。相与相之间具有明显的界面，通常把合金中相的结构称。相与相之间具有明显的界面，通常把合金中相的结构称为为相结构相结构，而把金相显微镜下面看到的具有某种形态或形貌，而把金相显微镜下面看到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为特征的组成部分总称为组织组织。用肉眼和放大镜观察到的组织。用肉眼和放大镜观察到的组织称为称为宏观组织宏观组织。在显微镜下观察到的组织称为。在显微镜下观察到的组织称为显微组织显微组织。第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明 若合金是由成份、结构都相同的同一种晶粒所组成的，若合金是由成份、结构都相同的同一种晶粒所组成的，则该合金中只有一个相，称为则该合金中只有一个相，称为单相组织单相组织。若合金是由成份、。若合金是由成份、结构不同的几种晶粒构成，则它们将属于不同的几种相，结构不同的几种晶粒构成，则它们将属于不同的几种相，称为称为多相组织多相组织。二、合金的相二、合金的相 合金的性能由组织决定，而组织由相组成。所以，在合金的性能由组织决定，而组织由相组成。所以，在研究合金的组织、性能之前，必须先了解合金的相。根据研究合金的组织、性能之前，必须先了解合金的相。根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两大类。两大类。1.固溶体固溶体 合合金金在在固固态态时时，合合金金组组元元互互相相溶溶解解，即即在在某某组组元元的的晶晶格中含有其它组元的原子，这种新相称为固溶体格中含有其它组元的原子，这种新相称为固溶体。在固溶体中含较多且保留住晶格的组元，称为在固溶体中含较多且保留住晶格的组元，称为溶剂溶剂；含量较少并失去晶格的组元称为含量较少并失去晶格的组元称为溶质溶质。根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同可将固溶体根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同可将固溶体分为分为置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明(1(1）置换固溶体）置换固溶体 (2 2）间隙固溶体间隙固溶体 间隙固溶体间隙固溶体溶剂溶剂置置换换固固溶溶体体1)固溶体的类型固溶体的类型2)固溶体的性能固溶体的性能 溶质原子溶入溶剂晶格溶质原子溶入溶剂晶格,将使将使 晶格发生晶格发生畸变畸变,如图如图2-11所示所示,晶格畸变对金属的性能有重大影响晶格畸变对金属的性能有重大影响,它将使合金的强它将使合金的强度、硬度提高。这种畸变称为固溶强化。这是提高金属材度、硬度提高。这种畸变称为固溶强化。这是提高金属材料力学性能的重要途径。料力学性能的重要途径。第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明2金金属属化化合合物物（如图（如图 2-12所示）所示）金属化合物一般具金属化合物一般具有较复杂的晶体结构，有较复杂的晶体结构，熔点高，性能硬而脆。熔点高，性能硬而脆。塑性、韧性几乎为零，塑性、韧性几乎为零，所以很少单独使用。所以很少单独使用。当合金中含有金属化当合金中含有金属化合物时，将使合金强度、合物时，将使合金强度、硬度和耐磨性提高硬度和耐磨性提高，而，而塑性降低。因此，化合塑性降低。因此，化合物是许多合金材料的重物是许多合金材料的重要强化相，与固溶体适要强化相，与固溶体适当配合，可提高金属的当配合，可提高金属的综合力学性能。综合力学性能。常常见见的的化化合合物物按按形形成成条条件可分为三类：件可分为三类：1）正常价化合物。）正常价化合物。2）电子价化合物。）电子价化合物。3）间隙化合物）间隙化合物。第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明3.3.机械混合物机械混合物 在合金中，由两或两种以上的相按一定的质量分数组在合金中，由两或两种以上的相按一定的质量分数组成的物质叫做成的物质叫做机械混合物机械混合物。机械混合的性能主要取决于各组成部分的性能，以及机械混合的性能主要取决于各组成部分的性能，以及它们的形态、大小及数量。它们的形态、大小及数量。三、合金的结晶三、合金的结晶 合金的结晶与纯金属的结晶有相似之处。纯金属的结晶合金的结晶与纯金属的结晶有相似之处。纯金属的结晶过程可以用冷却曲线来表示。如图过程可以用冷却曲线来表示。如图2-62-6所示。合金的结晶过所示。合金的结晶过程比纯金属复杂。因此必须建立合金相图才能表示清楚。程比纯金属复杂。因此必须建立合金相图才能表示清楚。合金相图就是表示合金结晶过程的简明图解。它是研究合金相图就是表示合金结晶过程的简明图解。它是研究合金成份、温度和结晶组织结构之间变化规律的重要工具。合金成份、温度和结晶组织结构之间变化规律的重要工具。也是正确制定热加工工艺参数的重要依据。也是正确制定热加工工艺参数的重要依据。1.1.合金相图的建立合金相图的建立第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明 首先是在极缓慢的冷却条件下。作出该合金系中一系首先是在极缓慢的冷却条件下。作出该合金系中一系列不同成份合金的冷却曲线，并确定冷却曲线上的结晶转列不同成份合金的冷却曲线，并确定冷却曲线上的结晶转变温度（临界点），然后把这些临界点标在温度变温度（临界点），然后把这些临界点标在温度成份成份坐标上，最后把坐标图上的各相应点连接起来，即可得该坐标上，最后把坐标图上的各相应点连接起来，即可得该合金相图。合金相图。T第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明2.二元合金结晶过程分析二元合金结晶过程分析 1)1)匀晶合金匀晶合金 2)2)共晶合金共晶合金第二章 铁 碳 合 金TDG完。再见！完。再见！制制作作：周周宗宗明明T0T1T温度（温度（）t 时间时间0图图2-6 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线返 回第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明返 回第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明返 回第二章 铁 碳 合 金制制作作：周周宗宗明明 本次课内容完毕。本次课内容完毕。谢谢大家！谢谢大家！制作：周宗明制作：周宗明 老师老师 第二章 铁 碳 合 金