高二 北京理工大学出版社 《金属学与热处理》第四章 铁碳合金课件

第四章 铁碳合金 4.1 铁碳合金的基本组织 4.2 铁碳合金相图 4.3 铁碳合金相图的应用 4.1 铁碳合金的基本组织 合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方式结合而成的具有金属特性的材料。如:普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是铁和碳组成的合金，硬铝是由铝、铜和镁组成的合金。与组成合金的纯金属相比，合金除具有较好的力学性能外，还可以调整组成元素之间的比例，以获得一系列性能各异的合金，以满足工程上对不同性能要求的需要。 组成合金的最基本独立物质称为组元。组元可是金属元素、非金属元素或稳定化合物。根据组元数目多少:合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。例如，普通黄铜是由铜和锌两个组元组成的二元合金;硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。 在合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。合金在固态下可以形成均匀的单相合金，也可以由几种不同的相组成多相合金。相与相之间有明显的界面，称为相界。 下一页 返回 4.1 铁碳合金的基本组织 合金的性能与组成合金相的成分、结构、形态和分布等情况有关，因此，研究合金的性能，必须先了解合金的组织与结构。 根据合金中各组元之间结合方向不同，合金的组织可分为金属化合物、固溶体和混合物三类。 一、金属化合物 合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式来表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度大、脆性大。当合金中出现金属化合物时，一般可提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。 二、固溶体 固溶体是一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，基体元素称为溶剂。固溶体仍保持溶剂的晶格类型。 上一页 下一页 返回 4.1 铁碳合金的基本组织 根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。 1.间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中形成的固溶体，称为间隙固溶体。图4-1 (a)是间隙固溶体结构示意图。由于溶剂晶格的空隙很小，故能形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径较小的非金属元素。例如碳、氮、硼等溶人金属元素基体中所成的固溶体就属于间隙固溶体。由于溶剂晶格的空隙有限，能溶人的溶质原子数量也有限，所以间隙固溶体的溶解度也有限。 2.置换固溶体 溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体，称为置换固溶体。图4-1 ( b)是置换固溶体结构示意图。在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两者的原子半径、晶格类型及在化学元素周期表中的位置等。一般来说，若两者晶格类型相同，原子半径差别越小、周期表中位置越近，则溶解度越大，甚至按任意比例配制都能相互溶解，形成无限固溶体;反之，则溶解度小。 上一页 下一页 返回 4.1 铁碳合金的基本组织 有限固溶体的溶解度与温度有密切关系，一般来说温度越高，溶解度越大。如图4-1所示，在固溶体中由于溶质原子的溶人而使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对塑性变形的抗力增加。这种通过溶人溶质元素形成固溶体，使金属材料强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。它是提高金属力学性能的重要途径之一。 三、混合物 两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质称为混合物。混合物中的组成部分可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。混合物中各相仍保持自己原来的晶格。在显微镜下可以明显辨别出组成相的形貌。 混合物的性能取决于各组成相的性能以及它们分布的形态、数量及大小。 上一页 返回 4.2 铁碳合金相图 钢铁材料是现代工业中应用最广的合金，其基本组元是铁和碳两种元素，故称为铁碳合金。为了掌握铁碳合金成分、组织、性能三者之间的关系，以便在生产中合理使用，首先必须了解铁碳相图。由于钢铁材料的成分不同，因而组织和性能也不同，应用场合也不同。 一、铁碳合金的相及组织 在铁碳合金中，由于铁、碳两种组元间的相互作用不同，碳与铁可形成固溶体，也可形成金属化合物，还可以形成混合物。在铁碳合金中有以下几种组织。 1.铁素体 碳溶解在α一Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体(Ferrite)，用符号F表示，其晶胞如图4-2所示。由于α一Fe是体心立方晶格，晶格间隙较小，所以碳在α一Fe中的溶解度很小。 下一页 返回 4.2 铁碳合金相图 在727℃时，碳在α一Fe中最大溶碳量仅为0.0218%。随着温度的降低，碳在α一Fe中的溶碳量逐渐减小，在600℃时约为0