金属工艺学 第2章 铁碳合金
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金属工艺学第五版cp2-资料
2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及 细化晶粒的办法。
3.纯铁的晶体结构。 4.纯铁同素异晶转变。
12min35s的录像（金属的晶体结构、结晶过程、细 化晶粒的方法、同素异晶转变等结晶和固态转变的基本理 论）
2020/8/4
一、金属的结晶
• 什么是金属的结晶？ 液态金属冷却凝固转变为固
态晶体的过程 • 结晶的过程可用（温度—时间
• γ-Fe 转变为α-Fe 时， 金属的体积将膨胀还是 收缩？
2020/8/4
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
第二节 铁碳合金的基本组织
• 基本概念：合金、组元、相、组织 • 将一种金属元素同一种或几种其它元素结合
在一起所形成的具有金属特性的新物质，称 为合金。 • 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 ，通常是指组成该合金的元素或某些化合物 ，根据合金组元数目的多少，把合金分为二 元合金、三元合金和多元合金。如：铁碳合 金就是由铁和碳二组元组成的二元合金。
2020/8/4
1）过冷度的影响
• 冷却速度愈大， 过冷度愈大。
• 实线部分，随着 ΔT 的 增 大 ， 形 核率和长大速度 都大，且N的增 加比G增加的快 ，晶粒愈细。
2020/8/4
2）变质处理
• 在液态金属结晶前，特意加入某些合金， 造成大量可以成为非自发晶核的固态质点 ，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提 高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即 为变质处理。
• 溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶 格类型的金属晶体，称固溶体。
在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂 ，其余的组元（元素）—溶质
• 根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同， 固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类 。 2020/8/4
3.纯铁的晶体结构。 4.纯铁同素异晶转变。
12min35s的录像（金属的晶体结构、结晶过程、细 化晶粒的方法、同素异晶转变等结晶和固态转变的基本理 论）
2020/8/4
一、金属的结晶
• 什么是金属的结晶？ 液态金属冷却凝固转变为固
态晶体的过程 • 结晶的过程可用（温度—时间
• γ-Fe 转变为α-Fe 时， 金属的体积将膨胀还是 收缩？
2020/8/4
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
第二节 铁碳合金的基本组织
• 基本概念：合金、组元、相、组织 • 将一种金属元素同一种或几种其它元素结合
在一起所形成的具有金属特性的新物质，称 为合金。 • 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 ，通常是指组成该合金的元素或某些化合物 ，根据合金组元数目的多少，把合金分为二 元合金、三元合金和多元合金。如：铁碳合 金就是由铁和碳二组元组成的二元合金。
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1）过冷度的影响
• 冷却速度愈大， 过冷度愈大。
• 实线部分，随着 ΔT 的 增 大 ， 形 核率和长大速度 都大，且N的增 加比G增加的快 ，晶粒愈细。
2020/8/4
2）变质处理
• 在液态金属结晶前，特意加入某些合金， 造成大量可以成为非自发晶核的固态质点 ，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提 高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即 为变质处理。
• 溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶 格类型的金属晶体，称固溶体。
在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂 ，其余的组元（元素）—溶质
• 根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同， 固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类 。 2020/8/4
《金属工艺学》铁碳合金
主要线
二条平行线（ECF、PSK）表示恒温反应： ECF：1148 ℃发生共晶反应 Lc --- AE + Fe3C PSK: 727 ℃发生共析反应 As ----- FP + Fe3C
ES线（Acm线）:C在A中的固溶线。 1148 ℃：C在A中最大溶解度2.11% 727 ℃: C在A中最大溶解度0.77%
在钢中与其他组织共存时，可呈片状、网状或粒 状。 Fe3C的形状、大小、分布和数量对钢的性 能有极大的影响。
Fe3C在一定条件下可分解成铁和石墨。
（4）珠光体 P
含碳量为0.77%的A同时析出F和Fe3C的机械 混合物。（共析反应）
P是软的F片和硬的Fe3C片相间的机械混合物。 性能介于两者之间：δ=20～25%，σb =600～800MPa，HBS=170～230
（2）固溶体是单相，它具有与溶剂金属相同的晶 格。其基本性能也同溶剂。
（3）根据溶解的方式不同，固溶体可分为：
① 置换固溶体（下页图）
一部分溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所代替。 在溶剂和溶质原子直径差别不大时易形成。晶格会 发生畸变，塑性变形阻力增加，强度和硬度升高， 这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象， 叫固溶强化。——提高合金机械性能的一个途径。
目的： ① 细化晶粒（可提高σ、δ、ak） ② 降低硬度（便于切削加工） ③ 消除内应力（以及加工硬化）、（可防变形和
开裂）
1、完全退火
将亚共折钢加热到AC3以上30-50℃，保温 后缓冷。
加热得细晶粒的A，冷却后得细晶粒F＋P。 目的：
①细化晶粒；②降低硬度；③消除内应力。
2、球化退火
重要特性点 P19 B1-4
特性点 A C D E F G
第二章 铁碳合金
§2-3铁碳合金状态图
一、铁碳合金的基本知识 （一）铁碳合金的两个组元 1、纯铁Fe 铁是过渡元素，熔点或凝固点为1538 ℃ ，密度是7.87103kg/m3。 δ铁 1394 ℃ γ铁 912℃ α铁 体心立方晶格
体心立方晶格 2、渗碳体Fe3C
面心立方晶格
Fe3C是Fe与C的一种间隙化合物，通常称为渗碳体，用Cm表示。
§2-3铁碳合金状态图 （三）图中铁碳合金的分类 1、工业纯铁 工业纯铁（ c 0.0218%）在铁碳合金相图上对应点P左面成分的铁碳 合金，其温室组织为铁素体。 2、钢 钢（0.0218% c 2.11%）在铁碳合金相图上对应点P与E之间的成 分的铁碳合金。根据室温组织的不同，可以分为三种。 （1）亚共析钢 （0.0218% c 0.77%）在铁碳合金相图上对应点S 左面成分的合金，室温组织为珠光体+铁素体。 （2）共析钢 共析钢（ c =0.77%）在铁碳合金相图上对应点S成分 的合金。 （3）过共析钢 过共析钢（0.77% c 2.11%）在铁碳合金相图上对 应点S右面成分的合金，室温组织为珠光体+二次渗碳体。
50~80
800
§2-3铁碳合金状态图 （二）铁谈合金的基本组织及其性能
①液相L：铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体称为液相，用L表示。 ②铁素体（Ｆ）：在727℃时的最大溶碳量为Ｗｃ＝0.0218％，室温下几 乎为零Ｗc＝0.0008％。
强度、硬度低，塑性好。
③高温铁素体。是碳在δ-Fe中形成的间隙固溶体，又称δ相，呈体心立方晶 格。在1394 ℃以上存在，在1495 ℃时碳的容量最大，达到0.09%。 ④奥氏体（Ａ）。碳溶于γ铁中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号Ａ或γ表 示。在727℃时的溶碳量为Ｗｃ＝0.77％，随着温度的升高溶量增加，到 1148℃是时达到最大Ｗｃ＝2.11％。
金属工艺学第二章铁碳相图
18
a=b=c, α=β=γ≠90º
简单菱方
第二章
实际金属的晶体结构
铁碳合金
金属材料都是多晶体。 晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经 过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于 受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺 寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多 晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶 界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许 多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗 晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚 晶界。
置换原子( gap atom ) ：晶格结 点处为其它原子占据
材料科学与工程学院 间隙原子、置换原子示意图
21
第二章 晶格畸变
铁碳合金
空位引起的晶格畸变
置换原子 引起的晶格畸变
材料科学与工程学院
22
第二章
铁碳合金
（2）线缺陷( line defect )——位错( dislocation )
——二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排
材料科学与工程学院
2
第二章
铁碳合金
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
冷却曲线
过冷度
T T0 Tn
T= T0 - Tn
}T
理论结晶温度 开始结晶温度
t
材料科学与工程学院
3
第二章
2. 金属结晶的规律
铁碳合金
纯金属的结晶过程：晶核形成和长大。
近程有序结构 远程有序结构
结晶
结构起伏
材料科学与工程学院
7
第二章
金属晶核长大的方式
铁碳合金
a=b=c, α=β=γ≠90º
简单菱方
第二章
实际金属的晶体结构
铁碳合金
金属材料都是多晶体。 晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经 过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于 受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺 寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多 晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶 界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许 多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗 晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚 晶界。
置换原子( gap atom ) ：晶格结 点处为其它原子占据
材料科学与工程学院 间隙原子、置换原子示意图
21
第二章 晶格畸变
铁碳合金
空位引起的晶格畸变
置换原子 引起的晶格畸变
材料科学与工程学院
22
第二章
铁碳合金
（2）线缺陷( line defect )——位错( dislocation )
——二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排
材料科学与工程学院
2
第二章
铁碳合金
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
冷却曲线
过冷度
T T0 Tn
T= T0 - Tn
}T
理论结晶温度 开始结晶温度
t
材料科学与工程学院
3
第二章
2. 金属结晶的规律
铁碳合金
纯金属的结晶过程：晶核形成和长大。
近程有序结构 远程有序结构
结晶
结构起伏
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7
第二章
金属晶核长大的方式
铁碳合金
材料性能及其加工第2章 铁碳合金.ppt
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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。
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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。
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第一节 金属的晶体结构与结晶
（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。
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第一节 金属的晶体结构与结晶
三、常见金属的晶体结构
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第一节 金属的晶体结构与结晶
二、金属的结构与结晶
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。
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。
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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。
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第一节 金属的晶体结构与结晶
（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。
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第一节 金属的晶体结构与结晶
三、常见金属的晶体结构
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第一节 金属的晶体结构与结晶
二、金属的结构与结晶
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。
金属材料及工艺---第2章 铁碳合金
珠光体是铁素体和渗碳体两相组织的机械混合物，常用符
号“P”表示。碳的质量分数为0.77%。 （5）莱氏体Ld
莱氏体是由奥氏体(或珠光体)和渗碳体组成的机械混合物， 常用符号“Ld”表示。碳的质量分数为4.3%。
2.3.3 铁碳合 金相图 分析
图2.3.3 Fe-Fe3C相图
1. 铁碳合金相图分析
2.2.1 基本概念
合金 ：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属 元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元 通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。
相：合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫 做相。合金中相与相之间有明显的界面。
相结构：合金中相的晶体结构。
（2）金属的结晶过程
生核、长大 枝晶
图2.1.11 金属的结晶过程示意图
图2.1.12 晶核长大示意图
（3）晶粒大小与金属力学性能的关系
晶粒大小对机械性能的影响 在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有
较高的强度、硬度、塑性和韧性。 细化晶粒的方法 1）增加过冷度 2）变质处理 3）附加振动
2.2 合金的相结构
3） 面缺陷 晶界和亚晶界
图2.1.8 晶界的过渡结构示意图
图2.1.9亚晶界结构示意图
2.1.4 纯金属的结晶 （1）纯金属的冷却曲线和冷却现象
金属的结晶温度可用热分析等试验方法来测 定。
纯金属的冷却曲线 过冷现象(理论结晶温度T0；
实际结晶温度T1) 过冷度ΔT= T0-T1
图2.1.10 纯金属冷却曲线
Fe-Fe3C相图主要特征点及含义见表2.3.1所示。
ACD线——液相线
AECF线——固相线 ECF线——共晶线 ：共晶反应 PSK——共析线 ；共析反应
号“P”表示。碳的质量分数为0.77%。 （5）莱氏体Ld
莱氏体是由奥氏体(或珠光体)和渗碳体组成的机械混合物， 常用符号“Ld”表示。碳的质量分数为4.3%。
2.3.3 铁碳合 金相图 分析
图2.3.3 Fe-Fe3C相图
1. 铁碳合金相图分析
2.2.1 基本概念
合金 ：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属 元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元 通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。
相：合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫 做相。合金中相与相之间有明显的界面。
相结构：合金中相的晶体结构。
（2）金属的结晶过程
生核、长大 枝晶
图2.1.11 金属的结晶过程示意图
图2.1.12 晶核长大示意图
（3）晶粒大小与金属力学性能的关系
晶粒大小对机械性能的影响 在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有
较高的强度、硬度、塑性和韧性。 细化晶粒的方法 1）增加过冷度 2）变质处理 3）附加振动
2.2 合金的相结构
3） 面缺陷 晶界和亚晶界
图2.1.8 晶界的过渡结构示意图
图2.1.9亚晶界结构示意图
2.1.4 纯金属的结晶 （1）纯金属的冷却曲线和冷却现象
金属的结晶温度可用热分析等试验方法来测 定。
纯金属的冷却曲线 过冷现象(理论结晶温度T0；
实际结晶温度T1) 过冷度ΔT= T0-T1
图2.1.10 纯金属冷却曲线
Fe-Fe3C相图主要特征点及含义见表2.3.1所示。
ACD线——液相线
AECF线——固相线 ECF线——共晶线 ：共晶反应 PSK——共析线 ；共析反应
《金属工艺学》铁碳合金和状态图
（2）按钢的质量（根据钢中S、P含量）分: 普通碳素钢 S<0.055%,P<0.045% 优质碳素钢 S<0.04%，P<0.04% 高级优质碳素钢 S<0.03%，P<0.035%
（3）按用途不同分：
碳素结构钢：主要用于制造各种工程结构（如桥 梁、船舶、建筑等）、机器零件（如齿轮、螺栓 等）。
（2）优质碳素结构钢
如：45（08，10，15，20，55，60）
用两个数字表示其牌号。（钢中平均含碳 量）。
优质碳素结构钢中的S、P含量较少，一般用 于较重要的零件，常进行热处理提高其力学 性能后使用。供货时既保证其力学性能又保 证其化学性能。
低碳钢： σ、HB较低，δ、ak较好。可焊性、可锻性良
2. 对晶体缺陷进行分类。 3. 结晶必须那些条件？如何细化晶粒？ 4. 画出金属常见的三种晶体结构，举出相应的2-3种金 属。
作业
1. 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和 晶格常数有什么特点？ α—Fe、γ—Fe、Al、Cu、Ni、 Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？ 2．已知γ—Fe的晶格常数（a＝3.63A）要大于α—Fe 的晶格常数（a＝2.89A ），但为什么γ—Fe冷却到 912℃转变为α—Fe时，体积反而增大？ 3. 比较凝固组织的粗细（其它条件相同）： 1) 砂型与金属型铸造； 2) 厚与薄铸件 3) 有无变质处理； 4) 铸型是否预热 5) 浇注时有无振动 6) 浇注温度高与低
塑性很好。 ➢ 密排六方晶格—— Mg、Zn等
由于排列方式不同，原子间的距离不同，作用力也不同， 故呈现的性能也不同。（如体心立方晶格强度大、塑性好， 面心立方晶格塑性好。）
常见的三种金属晶格
(1)体心立方 (b.c.c) Body-center cubic lattice
02铁碳合金资料
AB2相的晶体结构有三种类型：MgCu2型复杂立方 点阵，MgZn2型复杂六方点阵和MgNi2型复杂六方 点阵。
24
AB3相(有序相) 钢和合金中使用着多种有序结构的相，它们各组 元之间尚不能形成稳定的化合物、处于固溶体到 化合物之间的一种过渡状态。 其中的有序相更接近金属间化合物，它也是复杂 成分的耐热钢和耐热合金中一种重要的强化相。
29
② 奥氏体
碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。
奥氏体用符号A表示。
由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥 氏体的溶碳能力较强。在1148℃时溶碳量可达2.11 ％，随着温度下降，溶解度逐渐减少，在727℃时 溶碳量为0.77％。 奥氏体的性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般 强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多 数钢在高温锻造和轧制时所要求的组织。
20
✓ 含多种碳化物形成元素的钢中，铬还能阻止 MC型碳化物形成，延迟M2C型碳化物出现。如高 钨钢中铬能阻止WC生成，在铬-钼-钒钢中，铬＞ 3％就能阻止VC生成，推迟Mo2C析出。
✓ 不同的碳化物形成元素还可以改变碳化物析出 的形状。如钒钢的马氏体回火时，VC析出呈片状， 当钒钢中加入铬以后，VC在回火马氏体中呈短粒 状析出，后者的形态具有较好的强化效果。
30
奥 氏 体 存 在 于 727℃ 以 上 的高温范围内。高温下奥 氏体的显微组织如图3-12 所示，其晶粒也呈多边形。
31
③ 渗碳体
渗碳体是含碳量为6.69％的铁与碳的金属化合物， 其化学式为Fe3C 。
渗碳体具有复杂的 斜方晶体结构，与 铁和碳的晶体结构 完全不同。
32
渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高，塑性很差，伸 长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织。 在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现于组 织中，对钢的力学性能影响很大。
24
AB3相(有序相) 钢和合金中使用着多种有序结构的相，它们各组 元之间尚不能形成稳定的化合物、处于固溶体到 化合物之间的一种过渡状态。 其中的有序相更接近金属间化合物，它也是复杂 成分的耐热钢和耐热合金中一种重要的强化相。
29
② 奥氏体
碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。
奥氏体用符号A表示。
由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥 氏体的溶碳能力较强。在1148℃时溶碳量可达2.11 ％，随着温度下降，溶解度逐渐减少，在727℃时 溶碳量为0.77％。 奥氏体的性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般 强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多 数钢在高温锻造和轧制时所要求的组织。
20
✓ 含多种碳化物形成元素的钢中，铬还能阻止 MC型碳化物形成，延迟M2C型碳化物出现。如高 钨钢中铬能阻止WC生成，在铬-钼-钒钢中，铬＞ 3％就能阻止VC生成，推迟Mo2C析出。
✓ 不同的碳化物形成元素还可以改变碳化物析出 的形状。如钒钢的马氏体回火时，VC析出呈片状， 当钒钢中加入铬以后，VC在回火马氏体中呈短粒 状析出，后者的形态具有较好的强化效果。
30
奥 氏 体 存 在 于 727℃ 以 上 的高温范围内。高温下奥 氏体的显微组织如图3-12 所示，其晶粒也呈多边形。
31
③ 渗碳体
渗碳体是含碳量为6.69％的铁与碳的金属化合物， 其化学式为Fe3C 。
渗碳体具有复杂的 斜方晶体结构，与 铁和碳的晶体结构 完全不同。
32
渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高，塑性很差，伸 长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织。 在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现于组 织中，对钢的力学性能影响很大。
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子。 当A、 B两个组元的原子直径相差不大时，
两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶 体，反之则为有限固溶体。
间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙
中。只能形成有限固溶体。 例如：C溶入α-Fe或γ-Fe 所形成的铁
素体、奥氏体。
11/12/2020
铁碳合金
3.合金的结构——金属化合物
A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的 结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。 例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C ，就是一种典型的金属化合物。
ü晶粒粗细对材料力学性能的影响
晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。
ü细化晶粒的方法
Ø增加冷却速度，增大过冷度； Ø增加外来晶核; Ø采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；
11/12/2020
单晶
多晶 形核
铁碳合金
2.1.3 合 金 的 晶 体 结 构
要点：研究金属材料的加工工艺，必须了解金属及合 金的晶体结构和结晶过程。
2.1.1 晶体结构及同素异构转变
凝固：一般非晶体由液
态向固态转变的过程 。
结晶：由液态金属转变为
固态晶体的过程。
液体
晶体： 原子排列是有序的，原子在三维
空间做规则的、周期性的、重复排列。有
一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性
11/12/2020
晶体
非晶体: 原子排列杂乱无章呈
无序状态，没有一定的熔点和凝 固点，性能趋向各向同性。
11/12/2020
两种反应
2 、共析反应
1、共晶反应
一定成分的液相在一定的 温度下同时结晶出两种成分和 结构均不相同的固相的反应。
11/12/2020
铁碳合金
2.2 铁碳合金相图及其应用
本节重点：铁碳合金状态图在铸造、压力加工、焊接和热
处理中的应用
本节难点：铁碳合金状态图的理解
铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、 性 能优越，在工业生产中广泛使用。
11/12/2020
铁碳合金
2.2.1 铁碳合金的基本组织
Ø铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶体( F）。塑性 （δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。
4. 合金的结构——固溶强化
随着溶质原子的增加，所形成的 固溶体的强度、硬度升高的现象。
例如：纯铁与钢的用途
11/12/2020
铁碳合金
2.1.4 二元合金状态图
把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了 温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。
11/12/2020
Ø奥氏体：碳溶解在γ —Fe中的间隙固溶体（A）。塑 性好。
Ø渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很 高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。
Ø珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P）。
Ø莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性 差。
11/12/2020
上次课内容回顾
金属材料的主要性能
金属材料的力学性能（强度，塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度） 金属材料的物理、化学性能 工艺性能 金属的晶格类型 结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。 纯金属的理想（非理想）状态冷却曲线，合金的结晶冷却曲线 金属的结晶过程 晶核长大方式：树枝状方式；晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。细化晶粒的方
教学要求：了解金属的晶体结构
、晶体缺陷、纯金属的结晶与铸锭 及合金的相结构。
本章重点
金属及合金的晶体结构和结晶特点。 铁碳合金的基本组织 二元合金状态图分析
作业：
P30: 2.2; 2.7
11/12/2020
铁碳合金
2 .1 金属及合金的晶体结构
•要了解钢和铸铁的本质，首先必须了解纯铁的晶体结构。金属的内部 结构和组织状态是决定金属材料性能的一个重要因素。金属在固态下通 常都是晶体，了解和掌握金属的晶体结构、结晶过程及其组织特点，是 零件设计时合理选材的根本依据。
铁碳合金
金属的结晶
a：结晶开始点 b：结晶终了点
ºC
L
合金的结晶是在一个 温度范围内完成。
a
L+s
b
s
0 合金的结晶
金属的结晶过程：
原子团
形核 晶核长大
小晶粒
晶粒（外形不规 则的小晶体）
11/12/2020
铁碳合金
形核：自身晶核、外来晶核
晶核长大方式：树枝状方式
晶界—晶粒间的分界面；
单晶体—结晶方位完全一致的的晶体 多晶体—由多晶粒组成的晶体结构
法？ 金属（铁）的同素异构转变：1538℃ －1394℃ －912℃ －室温 合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。
组元；相
11/12/2020
铁碳合金
2 合金的结构——固溶体
固溶体： 由两种组元相互溶解后所组成的
新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。
置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原
1 合金的结构——概念
合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然
具有金属特性。
组元：组成合金的基本元素。
相： 凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组
成部分。
例如：单一的液相
问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？
单一的固相
将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？
液相、固相两相共存
晶体结构
铁碳合金
11/12/2020
铁碳合金
2.1.2 金 属 的 结 晶
ºC L
a：结晶开 始点
b：结晶终 了点
T0
a
b
S
0
纯金属的理想状态冷却曲线
T0：理论结晶 温度
T1：实际结晶
ºC温度Βιβλιοθήκη ΔT=T0-T1（过L
冷度）
T0
T1
S
0
纯金属的实际冷却曲线
结晶的必要条件----过冷度
11/12/2020
工程材料导论
第2章 铁碳合金
2.1 金属及合金的晶体结构 2.2 铁碳合金相图及其应用 2.3 常用的金属材料及选用
铁碳合金是最重要的工程材料，钢 和铸铁是制造机器设备的主要金属 材料，在工业生产中占主导地位。 与其它材料相比，其资源广泛、冶 炼方便、价格低廉、性能优越。 金属材料铁碳合金是以铁、碳为主 要组元组成的合金。
思考题
1 在纯金属的冷却曲线上为什么会出 现一水平台阶？ 2 如果结晶时晶核不多而生长速度快 ，则结晶后的晶粒是粗还是细？
大作业：
1、金属热加工（铸、锻、焊、热）过程中，热应力会导致零件产 生变形，试分析产生热应力原因？并提出防止或消除变形的方法。 2、试设计一根传动轴，并确定其加工方法和加工工艺路线。
两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶 体，反之则为有限固溶体。
间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙
中。只能形成有限固溶体。 例如：C溶入α-Fe或γ-Fe 所形成的铁
素体、奥氏体。
11/12/2020
铁碳合金
3.合金的结构——金属化合物
A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的 结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。 例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C ，就是一种典型的金属化合物。
ü晶粒粗细对材料力学性能的影响
晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。
ü细化晶粒的方法
Ø增加冷却速度，增大过冷度； Ø增加外来晶核; Ø采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；
11/12/2020
单晶
多晶 形核
铁碳合金
2.1.3 合 金 的 晶 体 结 构
要点：研究金属材料的加工工艺，必须了解金属及合 金的晶体结构和结晶过程。
2.1.1 晶体结构及同素异构转变
凝固：一般非晶体由液
态向固态转变的过程 。
结晶：由液态金属转变为
固态晶体的过程。
液体
晶体： 原子排列是有序的，原子在三维
空间做规则的、周期性的、重复排列。有
一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性
11/12/2020
晶体
非晶体: 原子排列杂乱无章呈
无序状态，没有一定的熔点和凝 固点，性能趋向各向同性。
11/12/2020
两种反应
2 、共析反应
1、共晶反应
一定成分的液相在一定的 温度下同时结晶出两种成分和 结构均不相同的固相的反应。
11/12/2020
铁碳合金
2.2 铁碳合金相图及其应用
本节重点：铁碳合金状态图在铸造、压力加工、焊接和热
处理中的应用
本节难点：铁碳合金状态图的理解
铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、 性 能优越，在工业生产中广泛使用。
11/12/2020
铁碳合金
2.2.1 铁碳合金的基本组织
Ø铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶体( F）。塑性 （δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。
4. 合金的结构——固溶强化
随着溶质原子的增加，所形成的 固溶体的强度、硬度升高的现象。
例如：纯铁与钢的用途
11/12/2020
铁碳合金
2.1.4 二元合金状态图
把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了 温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。
11/12/2020
Ø奥氏体：碳溶解在γ —Fe中的间隙固溶体（A）。塑 性好。
Ø渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很 高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。
Ø珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P）。
Ø莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性 差。
11/12/2020
上次课内容回顾
金属材料的主要性能
金属材料的力学性能（强度，塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度） 金属材料的物理、化学性能 工艺性能 金属的晶格类型 结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。 纯金属的理想（非理想）状态冷却曲线，合金的结晶冷却曲线 金属的结晶过程 晶核长大方式：树枝状方式；晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。细化晶粒的方
教学要求：了解金属的晶体结构
、晶体缺陷、纯金属的结晶与铸锭 及合金的相结构。
本章重点
金属及合金的晶体结构和结晶特点。 铁碳合金的基本组织 二元合金状态图分析
作业：
P30: 2.2; 2.7
11/12/2020
铁碳合金
2 .1 金属及合金的晶体结构
•要了解钢和铸铁的本质，首先必须了解纯铁的晶体结构。金属的内部 结构和组织状态是决定金属材料性能的一个重要因素。金属在固态下通 常都是晶体，了解和掌握金属的晶体结构、结晶过程及其组织特点，是 零件设计时合理选材的根本依据。
铁碳合金
金属的结晶
a：结晶开始点 b：结晶终了点
ºC
L
合金的结晶是在一个 温度范围内完成。
a
L+s
b
s
0 合金的结晶
金属的结晶过程：
原子团
形核 晶核长大
小晶粒
晶粒（外形不规 则的小晶体）
11/12/2020
铁碳合金
形核：自身晶核、外来晶核
晶核长大方式：树枝状方式
晶界—晶粒间的分界面；
单晶体—结晶方位完全一致的的晶体 多晶体—由多晶粒组成的晶体结构
法？ 金属（铁）的同素异构转变：1538℃ －1394℃ －912℃ －室温 合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。
组元；相
11/12/2020
铁碳合金
2 合金的结构——固溶体
固溶体： 由两种组元相互溶解后所组成的
新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。
置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原
1 合金的结构——概念
合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然
具有金属特性。
组元：组成合金的基本元素。
相： 凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组
成部分。
例如：单一的液相
问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？
单一的固相
将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？
液相、固相两相共存
晶体结构
铁碳合金
11/12/2020
铁碳合金
2.1.2 金 属 的 结 晶
ºC L
a：结晶开 始点
b：结晶终 了点
T0
a
b
S
0
纯金属的理想状态冷却曲线
T0：理论结晶 温度
T1：实际结晶
ºC温度Βιβλιοθήκη ΔT=T0-T1（过L
冷度）
T0
T1
S
0
纯金属的实际冷却曲线
结晶的必要条件----过冷度
11/12/2020
工程材料导论
第2章 铁碳合金
2.1 金属及合金的晶体结构 2.2 铁碳合金相图及其应用 2.3 常用的金属材料及选用
铁碳合金是最重要的工程材料，钢 和铸铁是制造机器设备的主要金属 材料，在工业生产中占主导地位。 与其它材料相比，其资源广泛、冶 炼方便、价格低廉、性能优越。 金属材料铁碳合金是以铁、碳为主 要组元组成的合金。
思考题
1 在纯金属的冷却曲线上为什么会出 现一水平台阶？ 2 如果结晶时晶核不多而生长速度快 ，则结晶后的晶粒是粗还是细？
大作业：
1、金属热加工（铸、锻、焊、热）过程中，热应力会导致零件产 生变形，试分析产生热应力原因？并提出防止或消除变形的方法。 2、试设计一根传动轴，并确定其加工方法和加工工艺路线。