合金与铁碳合金

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合金的结构与结晶
3 金属化合物与固溶体的区别 1）化学成份 固溶体的成份可变 随T变化则在一定范围内变化 金属化合物成份不变 是按一定的原子数化合 2）晶体结构 固溶体——保持溶剂的晶体结构 化合物——具有独特的晶体结构 3）性能 固溶体的硬度＜金属化合物 固溶体的塑性＞金属化合物
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第三章 合金与铁碳合金 要点： 1 了解合金在固态下的基本相结构
2 掌握、分析铁碳合金相图
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第一节 合金的基本概念和结构
合金（alloy）
以一种金属为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经 过熔合而成的具有金属特性的物质。
组元（元 ） （element）
溶质%↑→晶格畸变↑→固溶强化效果↑
固溶强化是一种极为优异的强化方 式，几乎所有对综合机械性能要求 较高的结构材料都以固溶体作为最 基本的组成相。
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二、金属化合物（intermetallic compound）
二种或二种以上的元素按一定的结合方式形成具 有金属特性的新相。
℃ A
L
A G
L+A E 1148℃
C
L+ Fe3C
T↓→F C%↓ F→Fe 3CⅢ 珠光体 D T↓ T A→F 727℃→室温 另： 线 C DC Q点 → L→Fe 6.69C% 3CⅠ F 忽略不计
1）二条水平线 11480 C ）三条钭线 L4.3 2 ( A2.11 Fe3C ) Ld 0 T↓→A C%↓ A→Fe 3CⅡ 莱氏体 727 C A ( F Fe C)P
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三、机械混合物 由多相构成（机械混合物） 固溶体+金属化合物 （F+Fe3C） 机械混合物的特点： 结构 有明显的相界面 成分 介于组成相之间（不是平均值） 性能 取决于组成相的大小、数量及分布
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①合金中的各组成相是如何形成的? ②合金中各相的数量以及分布规律如何? ③合金的成份—组织—性能之间的关系?
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第三节 二元合金相图 一、概念 1 相图 ( phase diagram ) 在极其缓慢地冷却条件下，所测定的合金 其成份、温度和组织之间关系的图形。 别称：平衡图、状态图等 2 相图表达法： 1）纯金属的相图 可用一个温度轴表达 2）二元合金的组织状态 f (T , C )
1 金属化合物的结构特点
1）可用一个化学分子式表示 如Fe3C 2）独特的晶体结构 3）熔点高、硬度高、脆性大（作为合金的强化相） 例：Fe3C C Fe HB 800 HB 3 HB 80 斜方 六方 体心
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金属化合物的特性
一般具有高熔点、高硬度和高脆性 塑性几乎为零 合金中出现少量金属化合物，可以提高合金的强度、 硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。
组成合金的元素，或独立的基本单元。 二元合金 钢铁 Fe-C 黄铜 三元合金 硬铝 Al-Cu-Mg 多元合金 保险丝 Sn-Bi-Cd-Pb 注意 合金系 某一合金 Cu-Zn
相（phase）
合金中具有相同成分和相同结构（聚集状态）并以相界面分 开的均匀部分。（不管形貌）
显微组织（microscopic structure）
D

G
Sb
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3共析相图
4包晶相图
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铁碳合金的基本相结构与性能 1）铁素体 F
C在α-Fe中的有限固溶体(间隙)（bcc） （1）结构 （2）成份 Max C%→727℃的P点 0.0218%C C原子 R=0.077nm Min C%→室温的Q点 间 隙 R=0.0182nm 0.0008%C T↓→C%↓（有溶解度变化） （3）性能 和纯铁性能相近（软相）
无限固溶体 有限固溶体
间隙→有限固溶体 置换→无限固溶体
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2 固溶体的性能
溶质原子对晶格畸变的影响
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固溶强化 ( solution strength ) 由于溶质原子的加入，将引起溶剂的晶 格发生不同程度的畸变，导致固溶体的强 度、硬度提高（塑韧性稍微下降）的现象。
度 液相线 固相线 A 固相区α
两个点 两条线 三个相区
Cu
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Ni
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2 共晶相图
二组元在液态下无限互溶，在固态下只能有限溶 解并发生共晶反应的相图（Pb-Sb合金）
700 600 500 400 A E B
L
L
La
300
200 C
100 F Pb

Sb%
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2 热分析法建立相图
温 度 100%Ni 80%Ni 60%Ni 温 度
40%Ni
20%Ni 100%Cu
时间
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Cu 20
40
60 Ni%
80
Ni
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三、二元相图的基本类型 1 匀晶相图 Cu-Ni二元合金相图 二组元在液态和固态下均无限互溶时所 1）图形分析 构成的相图。 B 液相区 L 温
亚 共 析 钢
共 过 析 共 钢 析 钢 亚共晶白口铁 共 晶 白 过共晶白口铁 口 铁 6.69
2 了解铁碳合金的成份—组织—性能 之间的关系。
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铁碳合金中的基本相编辑 铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固 态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于αFe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。 1,铁素体(ferrite) 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格; 虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0, 因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性. δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS. 铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素 体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围. 2,奥氏体(Austenite ) 奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格; 虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%. 在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢 铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思 .σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%. 另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件. 奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在. 3,渗碳体(Cementite) 渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为 1227℃, 质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色. 渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性 能有很大影响. 总结: 在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中 只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳 体中.这一点是十分重要的. 铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为 FeFe3C相图, 此时相图的组元为Fe和Fe3C. 由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C 相图.
上，有意的加进某些合金元素而得到的， 因此铁和碳是组成钢铁材料的最基本的二 个组元。 由铁和碳二个组元构成的相图—铁碳 合金相图。
6.69
2C C%→
C
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研究Fe-Fe3C相图的意义 1 了解并掌握铁碳合金在平衡状态下 随温度变化，组织转变的一般规律。
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4）珠光体P
铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
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5）莱氏体 ( Ld ) 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
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温 普通的碳钢和铸铁均属于铁碳合金， 度 合金钢和合金铸铁也是在铁碳合金的基础
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二、相图的建立（以Cu-Ni合金为例） 1 配制不同成分的Cu-Ni合金
组元 晶格类型 Cu fcc Ni fcc
熔点 合金1 合金2 合金3 合金4 合金5 合金6
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1083℃ 0% 20% 40% 60% 80% 100%