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　　1、金属材料的重要结构与结晶 第一节金属材料的结构一、晶体与非晶体1.晶体（物质）：原子在空间有秩序排列的物质。 例：食盐、金属、金刚石等。特点：固定的形状、熔点及各向异性。2.非晶体（物质）：原子无序排列的物质。例：玻璃、塑料、沥青、松香等。特点：无固定的形状、熔点及各向同性。 二、晶体结构的概念实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图2-1a）。图2-1简单立方晶格与晶胞示意图（一）晶格与晶胞1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。晶体中原子作周期性规则排列，可在晶格内取一个代表晶格特征的，由最少数目

　　2、原子构成的最小结构单元表示晶格，称为晶胞（图2-1c）。2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。晶胞能反映晶格特征，晶格性质的研究，可转化为研究晶胞性质的问题。为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来，形成一个空间几何格架（图2-1b） 。（三）晶面和晶向晶体中通过原子中心的平面，称为晶面。通过原子中心的直线，代表一定的方向，称为晶向。（二） 晶格参数：晶胞棱边的长度和棱边夹角、 、。（图2-1c）棱边长度单位 ，1=10-10m当三个晶格参数a=b=c，三个轴间夹角=90时，称为简单立方晶格。立方晶格中的某些晶面100面110面111面立方晶格中

　　3、的某些晶向111向110向在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。三、金属的三种典型的晶体结构及其特性参数金属中常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种。1. 体心立方晶格 ：晶胞为立方体，在立方体的八个角上和晶胞中心各排列一个原子。 （图2-4） 图2-4 体心立方晶格的晶包示意图体心立方晶胞中的原子数为1+81/8=2个。体心立方晶格类型的金属有室温下的Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等。 晶胞中原子占有的体积与晶胞体积的比值称为晶格的致密度。 体心立方晶格的致密度为，

　　4、表明在体心立方晶格中有68%的体积被原子所占有，其余为空隙。2. 面心立方晶格：晶胞为立方体，在立方体的八个角上和六个面中心各排列一个原子。 （图2-5） 面心立方晶胞中的原子数为1/88+1/26=4 个。属于面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni、Ag、 Pb 、Fe（9121394的铁）等。致密度。图2-53. 密排六方晶格：晶包是六方体，在柱体的每个角上和上下底面中心均排列一个原子，晶胞中间还排列三个原子。（图2-6） 密排六方晶胞中的原子数为1/612+3+1/22=6 个。密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be等。致密度。图2-6三种典型晶体结构的晶格特性参数如表2-1所示。各种金

　　5、属因其晶格结构不同，而具有不同的性能。同一晶格类型的金属，因其晶格参数不同，而存在性能上的差异，又因晶格类型相同而具有一些相近的性能。如：体心立方晶格的金属一般具有较好的塑性，密排六方晶格的金属一般较脆，面心立方晶格的金属的塑性一般优于体心立方等。四、实际金属的晶体结构（一）单晶体与多晶体1.单晶体：一块金属内部的晶格位向完全一致。金属单晶体只能靠特殊方法制得，具有各向异性。 2. 多晶体：由许多晶格位向不同的微小晶粒组成。每个小晶粒都相当于一个单晶体 。 3.晶界: 晶粒与晶粒之间的界面。（图2-7）多晶体由于各晶粒方位不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，宏观显示出各向同性，亦称为“伪

　　6、无向性”。 图2-8晶格点缺陷示意图图2-7多晶体示意图（二）晶体缺陷1点缺陷：空位和间隙原子。（图2-8）空位和间隙原子使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。晶格畸变将使晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。2. 位错（线缺陷）:晶体中一列或数列原子发生有规律错排的现象。最常见的就是刃型位错。刃位错示意图三维图平面图在平面ABCD上方，多出半个原子面EFGH, 如同刀刃插入晶体，称为刃位错。螺型位错在位错附近区域，晶格发生的畸变。位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材料的塑性变形通过位错运动来实现的。3. 晶界和亚晶界（面缺陷）实际金属是一个多晶体结构。 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界 。晶界

　　7、处的原子排列不规则，原子处于不稳定状态。一个晶粒内部，有更细小的晶块，其晶格位向差很小，通常小于23， 这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界原子排列也不规则。晶界过渡结构示意图亚晶界示意图晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。五、合金的晶体结构1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非金属元素组成的具有金属性质的物质。 例:黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。2.组元：组成合金的最基本的独立物质。 例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非金属或稳

　　8、定的金属化合物。 （一）合金的基本概念3.相：合金中具有相同成分、结构并以界面相互分开的均匀组成部分。35钢的显微组织例：35钢的显微组织中白色部分具有相同的化学成分和晶格结构。并与黑色部分以界面分开。c=0.03%的铁，体心立方结构。白色部分是一相。一般把固态下的相称为固相，而液体状态称为液相。合金的结构比纯金属复杂，可形成固溶体、金属化合物和混合物。 1. 固溶体：组元之间互相溶解形成的一种均匀固相。一种相在一定条件下可以转变成为另一种相，叫做相变，例如金属结晶，是液相变为固相的一种相变。（二）合金的组织结构固溶体：以合金中某一组元为溶剂，其他组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格

　　9、常数稍有变化的固相成为固溶体。固溶体中，含量较多的组元称为溶剂；含量较少的组元称为溶质。例： 35钢的显微组织中，白色部分是C溶于铁形成的固溶体。其中铁是溶剂，碳为溶质。（1）间隙固溶体：溶质原子占据溶剂晶格间隙所 形成的固溶体。（图2-12）只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时才能形成间隙固溶体。例：Fe和C形成间隙固溶体。间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。图2-12（）图2-12（）（2）置换固溶体：溶质原子占据晶格结点位置而形成的固溶体。 （图2-12b）两组元原子尺寸相近时，易形成置换固溶体。可形成有限固溶体和无限固溶体。例：Cr和Ni等合金元素溶入铁中形成的固溶体为置换固溶体。

　　10、（3）固溶强化：通过溶入溶质元素，形成固溶体使 强度、硬度提高的现象。固溶强化的机理：溶质溶入导致晶格畸变，使变形困难，从而使强度和硬度提高。这是钢比纯铁强度和硬度高的原因之一。 2. 金属化合物：合金元素间发生相互作用而生成的 具有金属性质的一种新相， 其晶格类型不同于合金 中的任意组元。例：Fe3C晶体结构与Fe和C均不相同，是Fe和C形成的一种具有金属特性的化合物。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。 合金中的金属化合物，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。金属化合物是各种合金钢、硬质合金及许多非铁金属的重要组成相。 3. 机械混合物： 纯金属、固溶体或化合物

　　11、，按一 定重量比例组成的均匀物质。例：35钢的显微组织中，黑色部分即为固溶体与Fe3C组成的机械混合物。35 钢的显微组织机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的平均值。机械混合物P将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色基体是Fe与C形成的固溶体， 含碳0.0218% 体心立方晶格（称为铁素体F）， 黑色条纹为 渗碳体（Fe3C）。黑色部分是F与Fe3C形成的机械混合物，称为珠光体（P）组织。组织：用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观察到的材料内部的形态结构。组织可以是多相（如P组织），也可以是单相（如F组织），分别称为单向组织和多相组织。小结1.晶体（物质）：原子在空间有秩序排列的物质。 具

　　12、有固定的形状、熔点及各向异性。2.非晶体（物质）：原子无序排列的物质。无固定的形状、熔点及各向同性。1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。一、晶体与非晶体二、晶格与晶胞3. 晶格参数：晶胞棱边的长度和棱边夹角、。4. 三种典型的金属晶体结构面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni等，具有良好的塑性； 密排六方晶格的金属有 Mg、Zn、Be等塑性差；体心立方晶格类型的金属有室温下的Fe、Cr、W、Mo等，塑性介于二者之间。 1.单晶体：一块金属内部的晶格位向完全一致。2. 多晶体：由许多晶格位向不同的微小晶粒

　　13、组成。每个小晶粒都相当于一个单晶体 。3. 晶界: 晶粒与晶粒之间的界面。4. 晶体缺陷（1）点缺陷：空位和间隙原子。（2）线）面缺陷：晶界和亚晶界。三、实际金属的晶体结构晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。四、合金的晶体结构 1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非金属元素组成的具有金属性质的物质。 2.组元：组成合金的最基本的独立物质。 3.相：合金中具有相同成分、结构并以界面相互分开的各组成部分。4.固溶体：组元之间互相溶解形成的一种均匀固相。（1）间隙固溶体； （2）置换固溶体。固溶强化：通过溶入溶质元素，形成固溶体

　　14、使强度、硬度提高的现象。 5. 金属化合物：合金元素间发生相互作用而生成的 具有金属性质的一种新相， 其晶格类型不同于合金 中的任意组元。金属化合物一般具有熔点高，硬而脆的特点。常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。 6. 机械混合物： 纯金属、固溶体或化合物，按一定重量比例组成的均匀物质。用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观察具有一定的形态。重点：1. 三种典型的金属晶体结构及晶格参数。2. 合金、组元、相、固溶体、金属化合物、机械混合物的概念。作业P41 思考题2-1，2-2 第二节金属材料的结晶物质由液态转变为固态的过程称为凝固。如果通过凝固形成晶体结构，则称为结晶。一、纯金属

　　15、的冷却曲线. 冷却曲线：冷却过程中温度随时间变化的曲线。纯金属结晶是在温度不变条件下进行的。温度不变的原因是结晶时放出了结晶潜热，补偿了此时向环境散发的热量。热分析装置示意图纯金属冷却曲线电炉坩锅金属液热电偶 2. 平衡结晶温度T0（理论结晶温度） 液体与晶体共存，达到可逆平衡时的温度称为平 衡结晶温度。平衡结晶温度（凝固点）与加热时 的溶化温度（熔点）是同一温度。 3. 过冷度 实际结晶温度T1与平衡结晶温度T0的差值T。 在T0液体与晶体共存永远不能完成结晶，实际结晶温度T1总是低于平衡结晶温度T0 。T=T0 - T1冷速越高实际结晶温度就越低，过冷度也就越大。二、纯金属的结晶

　　16、过程晶核形成及晶核长大的过程。 形核：原子自发聚集并按晶体规律排列，形成微小而稳定的固体质点。晶核长大：液体中的原子在晶核聚集，晶核向着不同位向按树枝生长方式长大；当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶接触时，晶体就向着未凝固的部位生长；直到枝晶间液体全部消失，每一枝晶成长为一个晶粒。纯金属结晶过程示意图三、晶粒大小对金属力学性能的影响 2.晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好。 1.晶粒大小通常以单位截面面积上晶粒数目或平均直径来表示。（表-2晶粒度）晶粒越细，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒的变形比较均匀而不致产生过分的应力集中现象；同时，晶粒越细，晶界就越多越曲折，越不利于裂纹的传播，从而使

　　17、其在断裂前能承受较大的塑性变形。表现出较高的塑性和韧性。 3.细化晶粒的方法（）增大过冷度 过冷度增大，形核率迅速增加，而晶粒生长速度增加较少，从而导致晶粒细化。在生产中增大冷却速度，降低浇注温度，都可以细化晶粒，但只能用于小型和薄壁零件。 （）变质处理 （孕育处理） 浇注前在液态金属中加入少量的变质剂，促使形成大量非自发晶核，提高形核率，使晶粒细化。例：铸铁中加入硅铁、硅钙等；在钢中加入Al、Ti、V和B等可细化晶粒。（）附加振动 ： 在金属结晶时，对液态金属附加机械振动、 超声波振动和电磁波振动等， 使枝晶破碎，晶核数量增大，也能使晶粒细化。L -Fe -Fe -Fe9121394四、金属

　　18、的同素异构转变1. 纯铁的结晶过程（1）纯铁的结晶过程液态纯铁冷到1538变成-Fe, 继续冷至1394变为-Fe, 再冷至912变为-Fe。1538 -Fe -Fe -Fe-Fe 和-Fe 均为体心立方晶格，但晶格参数不 同，-Fe为面心立方晶格。2. 纯铁的同素异构转变纯铁在固态下发生的晶格转变。9121394纯铁的同素异构转变，是钢铁能够进行热处理的重要依据。纯铁的磁性转变点（居里点）为770。在770温度以下纯铁具有铁磁性，在该以上则失去铁磁性。磁性转变时不发生晶格转变。3. 金属的同素异构转变金属在固态下发生的晶格转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锰等。以不同晶格形式存在的同

　　19、一金属元素的晶体称为同素异构晶体。同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母、等表示。 （五） 铸锭组织 1. 组织：表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶 区三个晶区。 1表层细晶区2柱状晶粒区3中心等轴晶区模壁附近散热快过冷度大，结晶形核率高，易形成细晶粒区。表层细晶粒形成后，冷却速度有所降低，晶核长大率大于形成率，各晶粒得到较快的成长。因沿着枝晶轴向传热较好，且枝晶生长也不因抵触而受限制，形成柱状晶。柱状晶发展到一定程度，液体温差越来越小，趋于均匀冷却状态，中心液体生核，成长为等轴晶。表面细晶区力学性能好，但对整个铸锭的性能影响不大； 2. 各结晶区的性能与应用对于塑

　　20、性较好的非铁金属，希望得到较大的柱状晶区，因为柱状晶区比较细密，力学性能较好；钢锭一般不希望得到柱状晶组织，因柱状晶呈各向异性，而钢的塑性较差，锻造或轧制时易发生开裂；柱状晶沿其长度方向的强度较高，对于主要承受单向载荷的机械零件（如涡轮叶片），常需获得柱状晶组织。中心等轴晶区的性能没有方向性，但该区结晶时形成很多微小的缩孔和缩松，会使力学性能降低。改变液态金属的成分与凝固条件，可以改变三层晶区的相对大小和晶粒的粗细，甚至获得两层或一个晶区组成的铸锭。 第三节铁碳合金相图钢铁是现代工业中广泛使用的合金，其基本组元是铁和碳两个元素，故称铁碳合金。铁碳合金的性能主要取决于其组织。一、铁碳合金的相和组

　　21、织在铁碳合金中，铁和碳可以形成固溶体、化合物或混合物。（一）液相（L） 铁碳合金在熔点以上形成的均匀液体。（二）铁素体（F） 碳溶入Fe中形成的间隙固溶体。.溶解度室温0.0008%， 727时最大 0.0218% 。.性能：碳的溶解度低，铁素体的力学性能几乎与纯铁相同，强度和硬度很低，塑性和韧性良好。（三）奥氏体（A ） 碳溶入Fe中形成的 间隙固溶体。工业纯铁（c 700小结1. 金属的结晶特点（1）冷却曲线：冷却过程中温度随时间变化的曲线（理论结晶温度） 液体与晶体共存，达到可逆平衡时的温度称为平衡 结晶温度。（3）过冷度 T=T0 - T1 实际结晶温度T1与平

　　22、衡结晶温度T0的差值T。 2. 结晶的一般过程：晶核形成及晶核长大的过程。 3. 晶粒大小及其控制（1）晶粒大小通常以单位截面面积上晶粒数目或平 均直径来表示。（2）晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好。（3）细化晶粒的方法 增大过冷度； 变质处理 ； 附加振动 。 4. 铸锭组织表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶 区三个晶区。 改变液态金属的成分与凝固条件，可以改变三层晶区的相对大小和晶粒的粗细。5. 纯铁的同素异构转变纯铁在固态下发生的晶格转变。 -Fe -Fe -Fe9121394同素异构转变，是钢铁进行热处理的重要依据。（1）液相L 6. 铁碳合金的基本相及其性能 （2）铁素体F 碳溶入

　　23、Fe中形成的间隙固溶体。性能：碳的溶解度低，力学性能几乎与纯铁相同，强度和硬度很低，塑性和韧性良好。（3）奥氏体A 碳溶入Fe中形成的间隙固溶体。 性能：硬度不高，塑性好，易压力加工。（4）渗碳体（Fe3C） 具有复杂晶格的间隙化合物。性能与作用高硬度，高脆性。在钢中起强化作用。（5）珠光体 P铁素体和渗碳体的混合物。力学性能的性质，大体上是铁素体和渗碳体性能的平均值，有较高的强度，适中的硬度，并具有一定的塑性。（）莱氏体 莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的混合物，用符号Ld表示；低温莱氏体是珠光体和渗碳体组成的混合物，用Ld表示。 莱氏体的力学性能与渗碳体相似

　　24、，硬度高，塑性差。作业P42 思考题：2-3; 2-5 二、铁碳合金相图 铁碳合金相图：平衡条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。碳含量大于6.69%的铁碳合金无实用价值，所以只需研究Fe-Fe3C相图。FeFe3C相图如*图2-22。简化后的相图如*图2-23。 1. 主要特性点（1）A、D点 A：纯铁熔点1538，c =0 ； D：渗碳体熔点1227， c =6.69% 。 （2）G点 G：纯铁的同素异构转变点912， c =0 。-Fe -Fe912（一）铁碳合金相图分析（3）E、P点 E：碳在Fe中的最大溶解度点， c =2.11%， 温度1148； P：碳在Fe中的

　　25、最大溶解度点，c =0.0218%， 温度727。（4）Q点: 室温下碳在Fe中的溶解度点， c =0.0008%。（5）C点。 C：共晶点，c =4.3%，1148。共晶反应：一定成分的液相在一定温度下同时析出两种固相的反应。在铁碳合金中：1148含碳4.3%的液相同时结晶c =2.11%的奥氏体和c =6.69%的渗碳体的反应，称为共晶反应。共晶反应的产物：A和Fe3C共晶组成的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。冷至室温变为 低温莱氏体Ld（P+Fe3C+Fe3C共晶）。（6）S点 S：共析点，c =0.77%，727 。共析反应：一定成分固相，在一定温度同时分解出两种固相的反应。在

　　26、铁碳合金中：727 、c =0.77%的奥氏体同时分解出F和Fe3C共析的反应。727A F+Fe3C共析 = P共析反应的产物：铁素体和共析渗碳体组成的机械混合物，称为珠光体，用符号P表示。 2.主要特性线）ACD线和AECF线 ACD线：液相线，该线以上为液相； AECF线：固相线%的铁碳合金）发生共晶转变。L A+Fe3C=Ld1148（3）PSK线%的铁碳合金）发生共析转变。727A F+Fe3C = P（4）GS线、铁素体转变开始线线。A含碳量不同，冷却时开始析出F的温度也不同。（5）ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线%，碳在奥氏体中的溶解度沿ES线变化。随奥氏体中含碳量的减少，将从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体（Fe3C）。（6）PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线%； 室温，F中含碳量0.0008%，碳在铁素体中的溶解度沿PQ线变化。随着铁素体中含碳量的减少，将从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称为三次渗碳体（Fe3C）。渗碳体可以分为Fe3C、 Fe3C、 Fe3C、共晶Fe3C和共析Fe3

　　28、C五种。其中Fe3C时含碳量大于4.3%的液相、缓冷到液相线（CD线）时所直接结晶出的渗碳体。以上五种渗碳体形态与分布不同，对铁碳合金的性能影响也不同。三次渗碳体量很少，对材料性能的影响也很小。3. 相区 （1）单相区：简化的FeFe3C相图中有F、A、L、 Fe3C四个单相区。（2）两相区：简化的 FeFe3C 相图中有 L+A、 L+Fe3C、A+Fe3C、A+F和F+Fe3C五个两相区。（3）相区接触规则: 与单相区接触的为双相区，其 相为两单相区的相之和。（二）典型铁碳合金的结晶过程及组织1. 典型铁碳合金结晶过程 图2-24 典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置 （1）共析钢（合

　　29、金， wc =0.77%） 金属 液 冷却至和AC 线 点时 结晶出奥 氏体A。温度继续下降奥氏体量增加，至 2 点液相全部转变为A 。2点至3点之间组织不发生变化。温度降至3 点时 奥氏体在恒温下发生共析转变全部生成珠光体。共析钢的室温平衡组织是珠光体P。 图2-25 共析钢结晶过程 图2-21 共析钢显微组织 图2-26 亚共析钢结晶过程 图2-27 亚共析钢显微组织 合金温度在 3点以上，结晶过程与合金类似。温度降至3 点时 从奥氏体中析出铁素体。因铁素体含碳量较低，使尚未转变的奥氏体的含碳量沿GS 线 点时奥氏体中含碳量达到0.77%，此奥氏体发生共

　　30、析转变得。亚共析钢的室温平衡组织都是 F + P，随含碳量增加,F相对减少P相对增加。 （2）亚共析钢(合金，0.0218%wc0.77%） （3）过共析钢（合金 ，0.77%wc2.11%） 图2-28 过共析钢结晶过程 图2-29 共析钢显微组织 合金温度在 3点以上，结晶过程与合金类似。温度降至3 点时奥氏体中含碳量达到饱和，继续冷却从奥氏体中析出沿晶界分布的二次渗碳体Fe3CII。 由于Fe3CII含碳量高，致使尚未转变的奥氏体的含碳量沿ES线点时, 未转变奥氏体中的含碳量达到0.77%,此奥氏体发生共析转变生成。过共析钢的室温平衡组织都是珠光体加网状二次渗碳体。

　　31、（4）共晶白口铸铁（合金 , wc =4.30 %） 图2-30共晶白口铸铁结晶过程 图2-31共晶白口铸铁显微组织 金属液冷却至 1 点发生共晶反应形成高温莱氏体Ld（AE+Fe3C共晶）高温莱氏体的形态一般是粒状或条状共晶奥氏体均匀分布在共晶渗碳体基体上。 继续冷却至 1点以下时, 共晶奥氏体将结晶出Fe3CII, 同时其含碳量将沿ES线）时，共晶奥氏体含碳量降至0.77%，此奥氏体将发生共析反应生成。共晶白口铸铁的室温平衡组织为低温莱氏体Ld（P+Fe3C+Fe3C共晶）（5）亚共晶白口铸铁（合金，2.11% wc4.30%） 当金属液冷却至 1 点时开始

　　32、结晶出奥氏体。 由于奥氏体含碳量较低，致使剩余液相含碳量沿AC线点时, 剩余液相含 碳 量达到4.3%, 在恒 温下发 生共 晶转变,形成高温莱氏体Ld（AE+共晶Fe3C）高温莱氏体冷至室温转变为低温莱氏体其转变与共晶白口铸铁相同。亚共晶白口铸铁的室温平衡组织为P+Fe3C+ Ld 图2-32 亚共晶白口铸铁显微组织 （6）过共晶白口铸铁（合金，4.3% wc6.69%） 当金属液冷却至 1点 时开始结晶出Fe3C， 由于渗碳体含碳量较高，致使剩余液相含碳量降低。当温度降至 2点时，其余液相含碳量达到4.3%,在恒温下发生共晶转变，形成高温莱氏体Ld（AE+Fe3C共晶）在

　　33、随后的降温过程中，高温莱氏体的转变与共晶白口铸铁相同。 过共晶白口铸铁的室温平衡组织为Fe3C+ Ld。图2-33 过共晶白口铸铁显微组织 1. 组织：用肉眼或借助于放大镜、金相显微镜观察到的材料内部具有一定形态的部分。（三）铁碳合金的成分组织和性能的关系 组织可以是单相也可以是多相。例：铁素体是单相（白色块状）；珠光体是双相F+Fe3C（指纹状）。2. Fe-Fe3C相图中的组织区同一种相往往以不同的形态出现，且对合金的性能有着不同的影响，所以按组织划分相图中的区域，对工作更有利。（1）单组织区：A、F、Fe3C区和P、Ld区。（2）复杂组织区仿相区接触规则可直接写出 （A+F）区（F+P）

　　34、区、（Fe3C+Ld）区、 （Fe3C+Ld）区考虑是否发生共晶反应，应过成分坐标上含碳2.11%点作垂线，该线以左不发生共晶反应， 只有从A中析出Fe3C。将垂线C的析出可写出（A+Fe3C）区、（P+Fe3C）区 仿相区接触规则可写出（A+Fe3C+Ld）区、（P+Fe3C+Ld）区共5（）个单一组织区，8个复杂组织区。3. 室温组织与分类根据含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三种。（1）工业纯铁 c 0.0218%，室温组织为（FFe3C） 。 （2）钢：含碳量0.0218%c2.11%的铁碳合金。过共析钢：0.77%c2.11%，共析

　　35、点以右，室温组织为P+Fe3C。共析钢：c =0.77%，共析点，室温组织为P。分为三类：亚共析钢: 0.0218c0.77%，共析点以左，室温组织为P+F。（3）白口铸铁过共晶白口铸铁：共晶点以右，4.3%c6.69%，室温组织为Ld+Fe3C。共晶白口铸铁：共晶点，c =4.3%，室温组织为Ld。亚共晶白口铸铁: 共晶点以左，2.11%c4.3%，室温组织为P+Fe3C+Ld。分为三类. 含碳量与铁碳合金组织及性能的关系 铁碳合金室温组织由F和Fe3C两相组成，含碳量不同，组织中两相的相对数量、分布及形态不同，所以不同成分的铁碳合金具有不同的性能。（1） 铁碳合金含碳量与组织的关系在铁碳合

　　36、金中，碳主要以渗碳体的形式存在。含碳量增加，渗碳体相对量随之增加。渗碳体类型、形态和分布不同，从而组成了不同的组织。工业纯铁中Fe3C量增加；亚共析钢中P量增加；过共析钢中Fe3C量增加；亚共晶白口铸铁中莱氏体量增加，珠光体和二次渗碳体量减少；过共晶白口铸铁中的Fe3C增加，莱氏体量减少。 随含碳量的增加，引起组织的变化。图2-35室温铁碳合金含碳量与相和组织的关系（2）铁碳合金含碳量与力学性能的关系随含碳量增加，钢的强度和硬度增加,塑性韧性下降。当c = 0.9%时， 由于网状渗碳体的出现使钢的强度开始降低。白口铁因硬而脆难以切削加工，不能压力加工成型，工业应用较少。图2-37 含碳量对钢力

　　37、学性能的影响 （四）铁碳合金相图的应用 . 选材 根据机械零件性能要求，选择合适的材料。要求塑性好、韧性高的材料，可选用低碳钢；例：冲压件通常使用含碳量小于0.25%的钢板。要求强度、硬度、塑性都好的材料，选用中碳钢；例：小截面的轴类通常使用含碳0.4%左右的钢。要求硬度高、耐磨性好的材料可选用高碳钢；例：各种工具、刃具、模具常采用共析或过共析钢。2.铸造 由FeFe3C相图可知，共晶成分的铁碳合金的熔点最低，结晶温度范围最小，因此， 具有良好的铸造性能。在实际铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁来生产铸件。3. 压力加工钢材的锻压、轧制均选择在奥氏体区范围进行。一般始锻（轧）温度控制在固相

　　38、线。 白口铸铁因含有大量的共晶渗碳体硬而脆，且无法得到单一的A组织，不能锻压成型。4.焊接 低碳钢具有良好的焊接性能 ，高碳钢和铸铁会在焊接中形成脆硬的组织而出现裂纹。通常用于焊接的钢材是低碳钢。5.热处理FeFe3C相图对制定热处理工艺有着特别重要的意义。详细见下节。小结1. Fe -Fe3C中的主要特性点 P：碳在Fe中的最大溶解度点，c =0.0218%， 温度727。Q点: 室温下碳在Fe中的溶解度点， c =0.0008%。2. Fe -Fe3C中的主要特性线 PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线）单相区：F、A、L、Fe3C 四个单

　　39、相区。（2）两相区： L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F 和 F+Fe3C五个两相区。（3）相区接触规则: 与单相区接触的为双相区，其 相为两单相区的相之和。4. Fe-Fe3C相图中的组织区 （1）单组织区：A、F、Fe3C区和P、Ld区。（2）复杂组织区（A+F）区、 （F+P）区、（Fe3C+Ld）区、 （Fe3C+Ld）区、（A+Fe3C）区、（P+Fe3C）区、（A+Fe3C+Ld）区、（P+Fe3C+Ld）区共5个单一组织区，8个复杂组织区。5. 室温组织与分类（1）工业纯铁 c 0.0218%，室温组织为F。（2）钢：0.0218%c2.11%亚共析钢: 0.0218c0

　　40、.77%，共析点以左，室温组织为P+F。共析钢：c =0.77%，共析点，室温组织为P。过共析钢：0.77%c2.11%，共析点以右，室温组织为P+Fe3C。（3）白口铸铁过共晶白口铸铁：共晶点以右，4.3%c6.69%，室温组织为Ld+Fe3C。共晶白口铸铁：共晶点，c =4.3%，室温组织为Ld。亚共晶白口铸铁: 共晶点以左，2.11%c 0.9%时，出现网状渗碳体使钢的强度有所降低。白口铁因硬而脆工业应用较少。7. 铁碳合金相图的应用 （1）选材：要求塑性好、韧性高的材料，选用低碳 钢；要求硬度高、耐磨性好的材料选用高碳钢；要 求强度、硬度、塑性都较好的材料，选用中碳钢。（2）铸造 ：共晶成分的铁 具有良好的铸造性能。（3）压力加工：选择在奥氏体区范围进行。（4）焊接：低碳钢具有良好的焊接性能 。（5）热处理：确定热处理加热规范的重要依据。

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