1、2022-3-221合金的結構與結晶第三章第三章 合金與鐵碳合金合金與鐵碳合金要點：要點：1 了解合金在固態下的基本了解合金在固態下的基本相結構相結構2 掌握、分析掌握、分析鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2022-3-222合金的結構與結晶第一節第一節 合金的基本概念和結構合金的基本概念和結構合金（合金（alloy）組元（元組元（元 ） （element）相（相（phase）顯微組織（顯微組織（microscopic structure）以一種金屬為基礎，加入其它金屬元素或非金屬元素，經以一種金屬為基礎，加入其它金屬元素或非金屬元素，經過熔合而成的具有金屬特性的物質。過熔合而成的具有金屬特性的物質。

2、組成合金的元素，或獨立的基本單元。組成合金的元素，或獨立的基本單元。二元合金二元合金 鋼鐵鋼鐵 Fe-C 黃銅黃銅 Cu-Zn三元合金三元合金 硬鋁硬鋁 Al-Cu-Mg 多元合金多元合金 保險絲保險絲 Sn-Bi-Cd-Pb 注意注意 合金系合金系 某一合金某一合金 合金中具有相同成分和相同結構（聚集狀態）并以相界面分合金中具有相同成分和相同結構（聚集狀態）并以相界面分開的均勻部分。（不管形貌）開的均勻部分。（不管形貌）在金相顯微鏡下所觀察到的具有某種形貌的部分稱為組織。在金相顯微鏡下所觀察到的具有某種形貌的部分稱為組織。注意：合金的組織可由單相或多相所構成注意：合金的組織可由單相或多相所構

3、成 2022-3-223二種或二種以上的組元在固態下互相溶二種或二種以上的組元在固態下互相溶解形成的單一均勻的解形成的單一均勻的新相新相 合金的結構與結晶固溶體固溶體 (solid solution )金屬化合物金屬化合物 ( metallic compound )機械混合物機械混合物液態下組元完全互溶的合金凝固之后，液態下組元完全互溶的合金凝固之后，根據各組元相互作用的不同，固態根據各組元相互作用的不同，固態合金的基本結構有分。合金的基本結構有分。一、固溶體一、固溶體 （solid solution ）組成及結構組成及結構溶劑溶劑+溶質溶質 =固溶體固溶體fccbccbcc特點：特點： （鐵

4、素體（鐵素體 ） 體心體心 六方六方 體心體心FCFe2022-3-224合金的結構與結晶1）溶質原子在固溶體中的位置劃分）溶質原子在固溶體中的位置劃分1 固溶體的分類固溶體的分類溶質原子溶質原子溶劑原子溶劑原子溶質原子溶質原子溶劑原子溶劑原子置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體2022-3-225無限固溶體無限固溶體 有限固溶體有限固溶體 合金的結構與結晶間隙間隙有限固溶體有限固溶體置換置換無限固溶體無限固溶體2）溶質在固溶體中的溶解度劃分）溶質在固溶體中的溶解度劃分2022-3-2262 固溶體的性能固溶體的性能合金的結構與結晶溶質原子對晶格畸變的影響溶質原子對晶格畸變的影響2022-

5、3-227 由于溶質原子的加入，將引起溶劑的晶由于溶質原子的加入，將引起溶劑的晶格發生不同程度的格發生不同程度的畸變畸變，導致固溶體的，導致固溶體的強強度、硬度提高度、硬度提高（塑韌性稍微下降）（塑韌性稍微下降）的現象。的現象。合金的結構與結晶固溶強化固溶強化 ( solution strength )固溶強化固溶強化是一種極為優異的強化方是一種極為優異的強化方式，幾乎所有對綜合機械性能要求式，幾乎所有對綜合機械性能要求較高的結構材料都以固溶體作為最較高的結構材料都以固溶體作為最基本的組成相。基本的組成相。溶質溶質%晶格畸變晶格畸變固溶強化效果固溶強化效果2022-3-228合金的結構與結晶二

6、、金屬化合物二、金屬化合物（intermetallic compound）二種或二種以上的元素按一定的結合方式形成具二種或二種以上的元素按一定的結合方式形成具有有金屬特性的新相金屬特性的新相。1 金屬化合物的結構特點金屬化合物的結構特點1）可用一個）可用一個化學分子式化學分子式表示表示 如如Fe3C2）獨特的晶體結構獨特的晶體結構3）熔點高、硬度高、脆性大（）熔點高、硬度高、脆性大（作為合金的強化相）作為合金的強化相）例例：Fe3C HB 800 斜方斜方C HB 3 六方六方Fe HB 80 體心體心2022-3-229金屬化合物的特性金屬化合物的特性合金的結構與結晶一般具有高熔點、高硬度和

7、高脆性一般具有高熔點、高硬度和高脆性塑性幾乎為零塑性幾乎為零 合金中出現少量金屬化合物，可以提高合金的強度、合金中出現少量金屬化合物，可以提高合金的強度、 硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。 2022-3-22103 金屬化合物與固溶體的區別金屬化合物與固溶體的區別1）化學成份）化學成份固溶體的成份可變固溶體的成份可變 隨隨T變化則在一定范圍內變化變化則在一定范圍內變化金屬化合物成份不變金屬化合物成份不變 是按一定的原子數化合是按一定的原子數化合2）晶體結構）晶體結構 固溶體固溶體保持溶劑的晶體結構保持溶劑的晶體結構 化合物化合物具有獨特的晶體結構具有獨特的晶

8、體結構3）性能）性能 固溶體的硬度金屬化合物固溶體的硬度金屬化合物 固溶體的塑性金屬化合物固溶體的塑性金屬化合物合金的結構與結晶2022-3-2211合金的結構與結晶三、機械混合物三、機械混合物由由多相多相構成（構成（機械混合物機械混合物） 固溶體固溶體+金屬化合物金屬化合物 （F+Fe3C）機械混合物的特點：機械混合物的特點：結構結構 有明顯的相界面有明顯的相界面成分成分 介于組成相之間（不是平均值）介于組成相之間（不是平均值）性能性能 取決于組成相的大小、數量及分取決于組成相的大小、數量及分布布2022-3-2212合金的結構與結晶合金中的各組成相是如何形成的合金中的各組成相是如何形成的?

9、合金中各相的數量以及分布規律如何合金中各相的數量以及分布規律如何?合金的成份合金的成份組織組織性能之間的關系性能之間的關系?2022-3-2213合金的結構與結晶第三節第三節 二元合金相圖二元合金相圖 一、概念一、概念1 相圖相圖 ( phase diagram ) 在在極其緩慢地冷卻極其緩慢地冷卻條件下，所測定的合金條件下，所測定的合金其其成份、溫度和組織成份、溫度和組織之間關系的圖形。之間關系的圖形。 1）純金屬的相圖）純金屬的相圖 可用一個可用一個溫度軸溫度軸表達表達 2）二元合金的組織）二元合金的組織狀態狀態 ),(CTf2 相圖表達法：相圖表達法：別稱：平衡圖、狀態圖等別稱：平衡圖、

10、狀態圖等2022-3-2214合金的結構與結晶二、相圖的建立二、相圖的建立（以（以Cu-Ni合金為例）合金為例）組元組元CuNi晶格類型晶格類型fccfcc熔點熔點10831455合金合金10%100%合金合金220%80%合金合金340%60%合金合金460%40%合金合金580%20%合金合金6100%0%1 配制不同成分的配制不同成分的Cu-Ni合金合金2022-3-2215合金的結構與結晶2 熱分析法建立相圖熱分析法建立相圖時間時間溫溫度度溫溫度度CuNiNi%60402080100%Ni40%Ni60%Ni80%Ni100%Cu20%Ni2022-3-2216 二組元在液態和固態下均

11、無限互溶時所二組元在液態和固態下均無限互溶時所構成的相圖。構成的相圖。合金的結構與結晶三、二元相圖的基本類型三、二元相圖的基本類型1 勻晶相圖勻晶相圖溫溫度度CuNiABCu-Ni二元合金相圖二元合金相圖1）圖形分析）圖形分析兩個點兩個點兩條線兩條線三個相區三個相區液相線液相線固相線固相線液相區液相區 L固相區固相區兩相平衡共存區兩相平衡共存區 L+2022-3-2217合金的結構與結晶2 共晶相圖共晶相圖二組元在液態下無限互溶，在固態下只能有限溶二組元在液態下無限互溶，在固態下只能有限溶解并發生共晶反應的相圖（解并發生共晶反應的相圖（Pb-Sb合金）合金）700600500400300200

12、100PbSbCEBFDGALLaLSb%3共析相圖4包晶相圖2022-3-2221合金的結構與結晶鐵碳合金的基本相結構與性能鐵碳合金的基本相結構與性能 1）鐵素體）鐵素體 FC原子原子 R=0.077nm間間 隙隙 R=0.0182nm（3）性能）性能 和純鐵性能相近（軟相）和純鐵性能相近（軟相） C在在-Fe中的有限固溶體中的有限固溶體(間隙間隙)（bcc）（1）結構）結構（2）成份）成份 Max C%727的的P點點 0.0218%C Min C%室溫的室溫的Q點點 0.0008%C TC%（有溶解度變化）（有溶解度變化）2022-3-2223合金的結構與結晶2）奧氏體）奧氏體 AC原子

13、原子 R=0.077nm間間 隙隙 R=0.0535nm （2）成份）成份 max C%1148 的的E點點 2.11%C 727為為0.77%C S點點 TC%（有溶解度變化）（有溶解度變化）C在在-Fe中的有限中的有限(間隙）固溶體（間隙）固溶體（fcc）（1）結構）結構（3）性能）性能 在在Fe-C合金中屬于高溫相合金中屬于高溫相、HB鍛造性鍛造性2022-3-2225合金的結構與結晶3）滲碳體）滲碳體 Fe3C（金屬化合物）（金屬化合物）（1）結構）結構金相形態：金相形態： 根據形成條件不同有五種根據形成條件不同有五種一次滲碳體一次滲碳體 Fe3C 條狀條狀 二次滲碳體二次滲碳體 Fe

14、3C 網狀網狀三次滲碳體三次滲碳體 Fe3C 網狀網狀共晶滲碳體共晶滲碳體 Fe3C 基體基體共析滲碳體共析滲碳體 Fe3C 片狀片狀 （2）成分）成分化學成份一定化學成份一定 6.69%C（3）性能）性能高熔點、高硬度、高脆性（三高）高熔點、高硬度、高脆性（三高） 其形態、大小及分布對合金的性能產生重大影響其形態、大小及分布對合金的性能產生重大影響復雜的復雜的鈄方晶格鈄方晶格2022-3-22274）珠光體）珠光體P鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。合金的結構與結晶2022-3-22285）萊氏體萊氏體 ( Ld )奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。奧氏體和滲碳體

15、組成的機械混合物。合金的結構與結晶2022-3-2230 普通的碳鋼和鑄鐵均屬于鐵碳合金，普通的碳鋼和鑄鐵均屬于鐵碳合金，合金鋼和合金鑄鐵也是在鐵碳合金的基礎合金鋼和合金鑄鐵也是在鐵碳合金的基礎上，有意的加進某些合金元素而得到的，上，有意的加進某些合金元素而得到的，因此因此鐵鐵和和碳碳是組成鋼鐵材料的最基本的二是組成鋼鐵材料的最基本的二個組元。個組元。 由鐵和碳二個組元構成的相圖由鐵和碳二個組元構成的相圖鐵碳鐵碳合金相圖合金相圖。 合金的結構與結晶Fe3CFe2CFeC溫度溫度FeCC%6.692022-3-2231合金的結構與結晶研究研究Fe-Fe3C相圖的意義相圖的意義 1 了解并掌握鐵碳

16、合金在了解并掌握鐵碳合金在平衡狀態平衡狀態下下隨溫度變化，隨溫度變化，組織轉變的一般規律組織轉變的一般規律。2 了解鐵碳合金的了解鐵碳合金的成份成份組織組織性能性能之間的關系。之間的關系。鐵碳合金中的基本相編輯鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金的基本組元也應該是純鐵和Fe3C。鐵存在著同素異晶轉變，即在固態下有不同的結構。不同結構的鐵與碳可以形成不同的固溶體，FeFe3C相圖上的固溶體都是間隙固溶體。由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特點不同，因而兩者的溶碳能力也不同。1,鐵素體(ferrite)鐵素體是碳在-Fe中的間隙固溶體,用符號F(或)表示,體心立方晶格;雖然BCC的間隙總體

17、積較大,但單個間隙體積較小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727時),室溫時幾乎為0,因此鐵素體的性能與純鐵相似,硬度低而塑性高,并有鐵磁性.=30%50%,AKU=128160J b=180280MPa,5080HBS.鐵素體的顯微組織與純鐵相同,用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈現明亮的多邊形等軸晶粒,在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布,但當含碳量接近共析成分時,鐵素體因量少而呈斷續的網狀分布在珠光體的周圍.2,奧氏體(Austenite )奧氏體是碳在-Fe中的間隙固溶體,用符號A(或)表示,面心立方晶格;雖然FCC的間隙總體積較小,但單個間隙體積較大,所以它的溶碳量較大

18、,最多有2.11%(1148時),727時為0.77%.在一般情況下, 奧氏體是一種高溫組織,穩定存在的溫度范圍為7271394,故奧氏體的硬度低,塑性較高,通常在對鋼鐵材料進行熱變形加工,如鍛造,熱軋等時,都應將其加熱成奧氏體狀態,所謂趁熱打鐵正是這個意思.b=400MPa,170220HBS,=40%50%.另外奧氏體還有一個重要的性能,就是它具有順磁性,可用于要求不受磁場的零件或部件.奧氏體的組織與鐵素體相似,但晶界較為平直,且常有孿晶存在.3,滲碳體(Cementite)滲碳體是鐵和碳形成的具有復雜結構的金屬化合物,用化學分子式Fe3C表示.它的碳質量分數Wc=6.69%,熔點為122

19、7,質硬而脆,耐腐蝕.用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蝕,滲碳體呈暗黑色.滲碳體是鋼中的強化相,根據生成條件不同滲碳體有條狀,網狀,片狀,粒狀等形態,它們的大小,數量,分布對鐵碳合金性能有很大影響.總結總結:在鐵碳合金中一共有三個相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體一般僅存在于高溫下,所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個相,就是鐵素體和滲碳體.由于鐵素體中的含碳量非常少,所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中.這一點是十分重要的.鐵和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有實用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常稱其為 F

20、e-Fe3C相圖, 此時相圖的組元為Fe和Fe3C.由于實際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分軸從06.69%.所謂的鐵碳合金相圖實際上就是FeFe3C相圖.2022-3-2236一、相圖分析一、相圖分析ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%Fe3CFeF+ Fe3C4.30.772.116.69二條水平線二條水平線構成合金中的所有組織構成合金中的所有組織四個基本相四個基本相共晶相圖共晶相圖共析相圖共析相圖2022-3-22372 相圖中重要的點和線相圖中重要的點和線ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CK

21、EPFQC%Fe3CFeF+ Fe3C4.30.772.116.691）二條水平線）二條水平線dCLCFeAL)(311. 211483 . 40PCFeFAC)(30218. 072777. 00 2）三條鈄線）三條鈄線TA C% AFe3CT 1148727C 0.77C%6.69C% TF C% FFe3C T 727室溫室溫 C Q點點6.69C%忽略不計忽略不計T AF另：另： DC線線 LFe3C萊氏體萊氏體珠光體珠光體2022-3-2238A+FL+ Fe3C合金的結構與結晶ACDG1148727LAL+AFA+ Fe3CKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.

22、693 填相區及合金分類填相區及合金分類鋼鋼白口鑄鐵白口鑄鐵S亞亞共共析析鋼鋼過過共共析析鋼鋼共共析析鋼鋼亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵過共晶白口鐵共共晶晶白白口口鐵鐵0.0218Fe3C差差“1”法法相區接觸法相區接觸法合金的分類合金的分類2022-3-2241132二、結晶過程分析二、結晶過程分析ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69Fe3C1 共析鋼共析鋼(eutectoid steel) 3123LLLAAALAPPPCFeFA)(302. 077. 0時間時間P2022-3-22431

23、42 亞共析鋼亞共析鋼(hypoeutectoid steel ) ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69Fe3C123時間時間2344LLAAALPCFeFA)(302. 077. 0PP+ Fe3CIIIFAFFAAFF+PPF+P2022-3-2244ACDGS1148727LAL+AL+ Fe3CFA+FA+ Fe3CKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69Fe3CF+P143 過共析鋼過共析鋼(hypereutectoid steel ) 123時間時間2344LLAA

24、ALPCFeFA)(302. 077. 0Fe3CPAAPAFe3CP+Fe3CPFe3CFe3C2022-3-2245（P+Fe3C +Fe3C）LdLdLAFe3CLd1LA+ Fe3CACDGS1148727AL+AL+ Fe3CFA+FKEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69F+PPP+Fe3CFe3C14 共晶白口鐵共晶白口鐵(eutectoid white iron ) L時間時間212L（A+Fe3C）2LLdLdFe3CAAFe3C網網AFe3CFe3CA（F+Fe3C)PAPFe3CFe3CP+Fe3C+LdLd +Fe3C組織組成物填相區？組織組成物填相區？A+Fe3CA+Fe3C+LdLd+Fe3CLd2022-3-2246Fe3CPFFe3C合金的結構與結晶三、含碳量對組織組成物、相組成物的三、含碳量對組織組成物、相組成物的相對量的影響相對量的影響FLdFe3C相組成物相組成物組織組成物組織組成物0.0218A+FG727AFA+ Fe3CKPQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69SFe3C2022-3-2247四、含碳量對鋼的力學性能的影響四、含碳量對鋼的力學性能的影響合金的結構與結晶Fe3CPFFe3CFLdFe3C相組成物相組成物組織組成物組織組成物C%1.4性性能能0bHBka成分成分-組織組織-性能的關系