材料性能及其加工第2章铁碳合金.ppt
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1、第2章 铁碳合金,本章知识点先导案例第一节金属的品体结构与结品第二节合金的品体结构、二元合金状态图第三节铁碳合金状态图第四节碳钢、铸铁知识扩展先导案例解决本章小结思考题,本章知识点,1掌握合金的结晶和铁碳合金状态图及其应用。2掌握金属的结晶及碳钢、铸铁的特点。3了解碳钢、铸铁的分类及应用情况。,返回,先导案例,试分析下面两张图片是什么零件?分别属于什么类型的钢材?各有什么不同性能?,下一页,返回,先导案例,金属材料通常分为有色金属和黑色金属两大类:(1)黑色金属。包括铁,铬,锰三种。但后两种在实际生产中很少单独使用,故黑色金属泛指铁或以铁为主而形成的物质,如钢和铁。(2)有色金属。除黑色金属以
2、外的其他金属称为有色金属,如铜,铝和镁等。,下一页,上一页,返回,先导案例,金属材料的化学成份不同,对外表现出来的性能是不同的。即使是同一种成份的金属材料,通过不同的加工处理工艺,改变材料内部的组织结构,也可以导致其性能发生极大的变化。这说明影响材料的使用性能不仅仅取决于化学成份,金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。由于纯金属的强度、硬度一般都较低,而且价格较高,因此在使用上受到很大的限制。目前工业生产上广泛使用的是合金。,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,一、金属的特性与金属键金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关,金属在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构
3、有关,因此,必须首先了解金属的晶体结构。1金属的特性固态金属的主要特性有:(1)良好的导电、导热性;(2)不透明,有金属光泽;,下一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,(3)具有较高的强度和良好的塑性;(4)具有正的电阻温度系数,即金属的电阻随温度的升高而增大。金属的这些特性,都是由金属的原子结构特点及原子之间结合键的性质决定的。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2金属键金属原子的结构特点是原子的外层电子数目很少,一般只有12个,最多不超过4个,而且这些外层电子与原子核的结合力较弱,很容易摆脱原子核的吸引力,成为能绕所有原子核运动的电子,这种电子成为自由电子。失去外层电
4、子的金属原子成为正离子,这些正离子按一定几何形状,规则排列起来,并在固定位置上作高频率的振动。自由电子在正离子间自由运动,形成所谓的“电子气”。正离子与电子气之间依靠静电引力结合起来,这种结合方式称为“金属键”,图2-1是金属键模型的示意图。有了金属键,就可以解释金属的一系列特性。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,(1)当金属的两端存在电势差或外加电场时,电子可以定向地、加速地运动,使金属表现出优良的导电性。金属的导热性是粒子的热振动和自由电子的热运动共同起作用的结果,比单纯的离子热振动所产生的导热效果好。(2)金属中的自由电子能吸收投射到其表面上可见光的能量而被激发到较高
5、的能级,当跳回到原来的能级时,就把吸收的可见光能量重新辐射出来,所以金属不透明并呈现特有的金属光泽。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,(3)金属键使金属原子紧密堆排结合在一起,从而使金属具有较高的强度。金属键没有方向性和饱和性,在外力作用下发生原子相对移动时,金属键不会被破坏,使金属表现出良好的塑性。(4)金属加热时,正离子的振动增强,原子排列的规则型受到干扰,电子运动受阻,电阻增大,因而金属具有正的电阻温度系数。温度接近绝对零度时,自由电子之间结合成两个电子相反自旋的电子对,不容易遭受散射,所以电阻率趋于零。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,二、金属的
6、结构与结晶1晶体与非晶体 在物质内部,凡是原子呈无规则堆积状况的,称为非晶体。例如普通玻璃,松香,树脂等,都属于非晶体。相反,凡原子作有序,有规则排列的称为晶体,如图2-2(a)所示。而绝大多数金属和合金都属于金属晶体。晶体与非晶体的差异主要有:晶体都有规则的几何外形,而非晶体则不然;晶体具有固定的熔点,而非晶体的熔点是不定的;晶体具有各向异性,而非晶体则各向同性。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2晶体结构的概念(1)晶格与晶胞。晶体内部的原子是按一定的几何规律排列的,为了便于研究原子在空间排列的几何规律,把每个原子看成是一个点,这个点代表原子的振动中心,这样,金属的晶体
7、结构就成为一个规则排列的空间点阵,把这些点用直线连接起来,就形成了一个空间格子,这种空间的网状结构,就叫做晶格,如图2-2(b)所示。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,晶格是由许多大小、形状相同的几何单元反复堆积而构成的,这种完整地反映晶格特征的最小几何单元就叫做晶胞,如图2-2(c)所示。由于晶胞能够完整地反映晶格中原子的排列规律,因此,在研究金属的晶体结构时,是以晶胞作为研究对象的。晶格中的点叫晶格结点,结点代表原子在晶体中的平衡位置。原子在晶格结点上并不是固定不动的,而是以晶格结点为中心作高频振动,随温度的升高,振动的幅度也就越大。,下一页,上一页,返回,第一节 金属
8、的晶体结构与结晶,(2)晶格常数。由于不同金属原子的半径是不一样的。在组成晶胞后,晶胞的大小和形状是不一样的,晶胞的大小可用晶胞的棱边长度来示,而晶胞的形状可用棱边之间的夹角来表示。它们统称为晶格常数。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,三、常见金属的晶体结构晶格描述了金属晶体内部原子的排列规律,金属晶体结构的主要差别就在于晶格形式及晶格常数的不同。在已知的金属元素中,除少数具有复杂的晶体结构外,大多数金属具有简单的晶体结构,其中常见的有三种。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,1体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一个立方体,如图2-3(a)所示,即在晶胞的
9、中心和八个顶角各有一个原子,因每个顶角上的原子同属于周围八个晶胞所公有,所以,每个体心立方晶胞的原子数为2。属于这类晶格的金属有-铁、铬、钼、钨、钒等。这类金属的塑性较好。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体,如图2-3(b)所示,即在立方晶格的晶胞的八个顶角和六个面的中心有一个原子。因每个面中心的原子同属于两个晶胞所共有,故每个面心立方晶格的原子数为4。属于这类晶格的金属有铝、铜、金、镍、-铁等。这类金属的塑性优于具有体心立方晶格的金属。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,3密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是
10、一个六棱柱体,如图2-3(c)所示。原子位于两个底面的中心处和12个顶点上,棱柱内部还包含着三个原子,其晶胞的实际原子数为6。属于这类晶格的金属有镁、锌、铍等。这类金属通常较脆。金属的晶格类型不同,其性能必然存在差异。即使晶格类型相同的金属,由于各元素的原子直径和原子间距不同等原因,其性能也不相同。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,四、金属的实际晶体结构1金属的多晶体结构 单晶体是指具有一致结晶位向的晶体,如图2-4(a)所示,表现出各向异性。而实际的金属都是许多结晶位向不同的单晶体组成的聚合体,称为多晶体,如图2-4(b)所示。每一个小单晶体叫做晶粒。晶粒与晶粒之间的界面
11、叫做晶界。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2金属的晶体缺陷 实际金属不仅是多晶体,而且存在着各种各样的晶体缺陷。所谓晶体缺陷是指由于结晶条件或加工条件等诸方面的影响,晶体内部的原子排列受到干扰而不规则的区域。实际金属晶体缺陷的存在对金属性能和组织转变均会产生很大影响。根据晶体缺陷的几何形态特征,一般将其分为以下三类。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,(1)点缺陷(空位和间隙原子)。点缺陷是指点状的晶体缺陷,即在所有方向上的尺寸都很小的晶体缺陷。例如,结晶时,晶体上应被原子占据的结点未被原子占据,形成空位,如图2-5(a)所示。也可能有的原子占据了原子之
12、间的空隙,形成间隙原子,如图2-5(b)所示。空位和间距原子都会造成点缺陷。(2)线缺陷(位错)。线缺陷是指在三维空间的两个方向上尺寸都很小的晶体缺陷。例如,图2-6所示晶体的ABCD面以上,多出了一个垂直方向的原子面EFGH,即晶体的上下两部分出现错排现象。多余的原子面像刀刃插入晶体,在刃口附近形成线缺陷。这样的线缺陷通常称为刃型位错。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,(3)面缺陷(晶界和亚晶界)。面缺陷是晶粒与晶粒之间的交界面。多晶体中,各晶粒之间的位向互不相同,多数相差达3040,当一个晶粒过渡到另一个晶粒时,必然会有一个原子排列无规则的过渡层。在实际金属晶体的晶粒内
13、部,原子排列也不是完全理想的规则排列,而是存在着许多尺寸更小(边长10-410-6cm)、位向差也更小(一般小于1o2o)的小晶块,它们相互嵌镶成一颗晶粒,这些小晶块称为亚晶粒(或亚结构,嵌镶块)。亚晶粒内部原子排列的位向是一致的,亚晶粒的交界面称为亚晶界。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,引起塑性变形抗力增加,从而使金属的强度增加。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,五、金属的结晶金属的结晶是指金属由液态转变为固态的过程,也就是原子由不规则排列的非晶体状态过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程。金属的晶体结构是在结晶过程中逐步
14、形成的,研究结晶的规律对于探索改善金属材料性能的途径具有重要意义。1冷却曲线与过冷现象工业上使用的绝大多数金属材料都属于合金。但纯金属与合金的结晶过程基本上遵循同样的规律。为了由浅入深地讨论,下面先介绍纯金属的结晶。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,纯金属的结晶都是在一定温度下进行的,它的结晶过程可用冷却曲线来描述。如图2-7所示的冷却曲线上有一个平台出现,这个平台所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。纯金属的结晶都是在恒定的温度下进行的。在冷却曲线上出现平台的原因是由于结晶过程中有大量潜热放出,补偿了散失在空气中的热量,使温度并不随冷却时间的增长而下降,直到金属结晶终了后
15、,由于不再有潜热释放,故温度又重新下降。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,纯金属在无限缓慢的冷却条件下(即平衡条件下)结晶,所测得的结晶温度称为理论结晶温度,可用T0表示。但实际上金属由液态向固态结晶时,都有较大的冷却速度,此时,液态金属将在理论结晶温度以下某一温度T1才开始结晶。金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差T,称为过冷度。T=T0-T1。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的,但同一金属结晶时的过冷度不是一个恒定值,它与冷却速度有关。结晶时,冷却速度越大,过冷度就越大,即金属的实际结晶温度就越低。,下一页,上一页
16、,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,2金属结晶过程金属的结晶是在冷却曲线上水平段所对应的这段时间内完成的,它是一个不断形成晶核和晶核不断长大的过程,如图2-8所示。(1)形核。当液态金属的温度下降到接近T1时,某些局部会有一些原子规则地排列起来,形成极细小的晶体,这些小晶体很不稳定,遇到热流和振动就会立即消失,时聚时散,此起彼伏。当低于理论结晶温度时,稍大一点的细小晶体,有了较好的稳定性,就有可能进一步长大成为结晶核心,称为晶核。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,(2)长大。晶核形成之后,会吸附其周围液态中的原子不断长大,晶核长大使液态金属的相对量逐步减少。刚开始,各个晶
17、核自由生长,并且保持着规则的外形。当各个生长着的小晶体彼此接触后,接触处的生长过程自然停止,因此,小晶体的规则外形遭到破坏。最后,全部液态金属转变成晶体,结晶过程终止。纯金属的结晶过程如图2-8所示,图中1、2、3、4、5、6表示结晶过程的变化顺序。由于不同方位形成的小晶体与其周围的晶体相互接触,使得小晶体的外形几乎都呈不规则的颗粒状。每个颗粒状的小晶体称为晶粒,晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。一般纯金属就是由许多晶核长成的外形不规则的晶粒和晶界所组成的多晶体。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,3金属结晶后的晶粒大小金属结晶后的晶粒大小对其力学性能影响很大。晶粒大小对纯铁力学
18、性能的影响见表2-1。一般情况下,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,则晶界越多、越曲折,晶粒与晶粒之间相互咬合的机会就越多,越不利于裂纹的传播和发展,增强了彼此间的结合力。不仅使强度、硬度提高,而且塑性、韧性也越好。因此,细晶粒组织的综合力学性能好,生产中总是希望获得细晶组织。实际生产中,常采用增大过冷度T、变质处理和附加振动等方法获得细晶组织。用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化,它是强化金属材料的基本途径之一。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,(1)增加过冷度,实践证明,增加结晶时的过冷度T,能使晶核的形成速率N增加,也能使晶核的长大速率v增
19、加。但是,形核速率N要比长大速率v大得多,如图2-9所示。因此,增加过冷度能获得细晶粒组织。(2)变质处理,对于液态金属,特别是对于数量多、体积大的液态金属来说,获得大的过冷度是不容易办到的。为此,可在浇注前,向液态金属中加入少量的某种物质,以形成大量的人工晶核,从而使晶核数目大大增加,达到细化晶粒的目的,加入的这种物质称为变质剂。这种依附于这些固态杂质微粒的形核方式,称为非自发形核。通过非自发形核获得细晶粒组织的方法,称为变质处理,也称为孕育处理。,下一页,上一页,返回,第一节 金属的晶体结构与结晶,(3)附加振动,生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法,使熔融金属在铸型中产生
20、运动,从而使得晶体在长大过程中不断被破碎,最终获得细晶粒组织。,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,纯金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽,在工业上具有一定的应用价值。但由于强度、硬度一般较低,远远不能满足生产实际的需要,而且冶炼困难,价格成本较高,其使用受到很大限制。因此,实际生产中大量使用的金属材料主要是合金。一、基本概念合金是指由两种或两种以上化学元素(其中至少有一种是金属元素)所组成的具有金属特性的物质。例如,黄铜是由铜与锌组成的合金,钢和铸铁是铁与碳组成的合金等。,下一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,组成合金的最基本的独立物质称为合金的组元
21、。给定组元可以按不同比例配制一系列不同成份的合金,构成一个合金系。在一个合金系内,组元可以是元素,也可以是稳定的化合物。由两种组元构成的合金称为二元合金;由三种组元构成的合金称为三元合金;由三种以上组元构成的合金称为多元合金。合金系统中具有相同的化学成份、相同的晶体结构、相同的物理和化学性能,并与该系统的其他部分以界面分开的组成部分称为相。例如,铁碳合金中,碳原子溶于-Fe中形成了新的铁素体相,碳原子与铁原子相互化合形成了新的渗碳体相。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,用金相分析的方法,观察到的金属及合金内部组成相的数量、大小、方向、形态、分布以及相互间结合状态等
22、,称为合金的组织。用肉眼和放大镜观察到的组织称为宏观的组织;在显微镜下观察到的组织称为显微组织。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,称为单相组织。若合金是由成份、结构互不相同的几种晶粒构成,则它们将属于不同的几种相,称为多相组织。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,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,固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,1固溶体 合金在固态下
23、,由于组元间相互溶解而形成的相称为固溶体,即在某一组元的晶格中溶入了其他组元的原子。在各组元中,晶格类型与固溶体相同的组元称为溶剂,其他组元称为溶质。固溶体是合金的一种基本相结构。(1)固溶体的类型。当溶质原子在溶剂晶格中不占据格点位置而是嵌于格点之间的空隙时,形成间隙固溶体,如图2-10左上角所示。间隙固溶体中的溶质元素多是原子半径较小的非金属元素如碳、硼、氮等。因溶剂晶格的间隙有限,间隙固溶体只能是有限固溶体。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,当溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格的结点位置时,形成置换固溶体,如图2-10右下角所示。置换固溶体中溶质与溶剂元素的原
24、子半径相差越小,则溶解度越大。若溶剂元素与溶质元素在元素周期表中位置靠近,且晶格类型相同,往往可以按任意比例配制,都能相互溶解,从而形成无限固溶体。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,(2)固溶体的性能,溶质原子溶入溶剂晶格,将使晶格发生畸变,如图2-11所示。晶格畸变对金属的性能有重大的影响,它将使合金的强度、硬度提高,这种现象称为固溶强化,它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践证明,在一般情况下,如果溶质的浓度适当,对固溶体的塑性影响较小,即固溶体不但强度、硬度比纯金属高,而且塑性、韧性仍然良好。因此,实际使用的金属材料大多数是单相固溶体合金或以固溶体为基
25、体的多相合金。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,2金属化合物 合金的组元在固态下相互溶解的能力往往有限,当溶质含量超过在溶剂中的溶解度时,有些组元之间可发生相互作用而形成化合物。金属化合物是金属与金属或金属与非金属之间形成的具有金属特性的化合物相,是很多合金的另一种基本相结构。金属化合物通常具有不同于组元的复杂晶格结构。例如,在铁碳合金中,碳的含量超过铁的溶解能力时,多余的碳与铁相互作用形成金属化合物Fe3C,其晶格结构如图2-12所示。它既不同于铁的晶格,也不同于碳的晶格,是复杂的斜方晶格。,下一页,上一页,返回,第二节 合金的晶体结构、二元合金状态图,金属化合
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