1、第十八章 纯金属的结晶与铁碳合金不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种材料，在不同的条件下其性能也不相同。金属材料之所以具有不同的性能与它的晶体结构有密切的关系。纯金属虽然具有好的导电性、导热性，在工业中获得了一定的应用，但力学性能较低，价格较高，且种 类有限，因此，工 业生产上应用的金属材料大都是合金，尤其是铁碳合金。第一节 金属的晶体结构一、金属的晶体结构金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。一切固态物质按其构造可分为晶体（crystalloid，crystal）与非晶体（noncrystal）两种。非晶体的特点是原子的排列不规则，如玻璃、沥青和松香等都是非晶体。晶体的特点是它
2、们的原子都按一定的次序作有规则的排列，如金刚石、石墨和一切固态金属都属于晶体。为了便于分析和描述晶体中原子排列的情况，把每个原子看成一个小球，把这些小球用假想线条连接起来，就得到一个抽象化了的空间格子。这种表示晶体中原子排列形式的空间格子叫晶格（crystal lattice）。晶格的最小 单 元称为晶胞（unit cell）。晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。二、常见的晶格类型常见的金属晶体的晶格形式有如下三种：1.体心立方晶格（BCC（Body-Centered Cubic lattice）原子分布在立方体的各结点和中
3、心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心， 属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和 -Fe(温度小于 912纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。2.面心立方晶格（FCC（Face Centered Cubic lattice）原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb) 和 -Fe 等（温度在1394912 纯铁)。这类金属的塑性都很好。3.密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下
4、两个六方面的中间有三个原子。属于这种晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。第二节 金属的实际晶体结构、单晶体与多晶体金属是由很多的小晶体组成的，这些小晶体叫做晶粒，金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。多晶体是由多晶粒组成的晶体结构。晶粒之间的接触面叫晶界。如果一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列方位完全一致) 就是单晶体。单晶体必须专门人工制作。单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性（anisotropy，anisotropism） 。普通金属材料都是多晶体。多晶体的金属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，
5、这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，即各向同性（isotropy，isotropism）。二、晶体的缺陷（crystal imperfection）在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷，晶体缺陷对金属的性能有显著影响。晶体缺陷按几何形状可分为：1.点缺陷晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸
6、变(歪扭)。2.线缺陷线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，其具体形式是各种类型的位错，晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。在一个晶体的某一面的上半部比下半部多出了一个原子面象刀刃一样插入，称为“刃型位错” 。实际金属晶粒内存在有大量的位错，高的位错密度是强化金属的重要途径之一。3.面缺陷面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。多晶体存在有晶界，由于晶界是相邻两晶粒间不同晶格方位的过渡区，致使该区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。在实际金属晶体的晶粒内部，原子排列也不是完全有
7、规则的，而是由许多位向差很小的晶块所组成的。这些小晶块称为嵌镶块或亚晶粒。在亚晶粒内部的原子排列位向是一致的。但在亚晶粒的交界面，即亚晶界处也存在着晶格畸变。应当指出，晶体缺陷不等于人们常说的缺点。金属材料中晶体缺陷的存在对金属的性能有着重大的影响。第三节 金属的结晶过程和同素异构转变一、金属的结晶过程(一) 结 晶过程的基本概念各种机械零件的制造工艺一般是浇铸成型或先浇铸成铸锭后再经冷热加工而成，所以了解金属由液态转变为固态晶体的过程是十分必要的。金属从高温液体状态冷却凝固为固体(晶体) 状态的过程称结晶（crystallization，crystallize）。纯金属的结晶过程可以用热分析
8、的方法来研究。通过实验将金属液体缓慢冷却凝固过程中温度与时间的关系绘制成的曲线称为冷却曲线示。如图所示纯金属的冷却曲线，曲线上有一水平段，就是纯金属的实际结晶温度，水平段的长度就是实际结晶所需的时间，结晶完了以后曲线又连续下降。出现水平段的原因是由于结晶潜热的放出补偿了冷却散失的热量，图中 T0 表示理论结晶温度，也就是金属的结晶速度恰好等于它的熔化速度时所对应的温度，显然当高于这个温度时，固态金属便不断熔化，只有当低于这个温度时，液态金属才会不断结晶。所以实际结晶温度必须在理论结晶温度以下，这种现象称为过冷（super-cooling，overcooling），其温度差称过 冷度，即理 论结
9、晶温度与实际结晶温度之差： T=T0-Tn。过冷是结晶的必要条件，T 越大， 结晶的推动力也越大，结晶速度越快。过冷度大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，过冷度越大，即实际结晶温度越低，反之亦然。随着液态金属温度的下降，原子活动能力逐渐减小，当温度降到结晶温度以下时，在液态金属内部，有一些原子自发的聚集在一起，并按金属晶体的固有规律排列起来，形成规则排列的原子集团而成为结晶的核心，称晶核。液态金属中一些外来的微细固态质点也可成为结晶的核心，前者称为自发晶核，后者称为外来晶核。当晶粒开始出现后，液态金属的原子就以它为中心按一定的几何形状不断地向它聚集，即这些晶核不断地长大。同时，液体中又有新的
10、晶核不断地形成及长大，直到液态金属已全部耗尽，晶体相互抵触结晶过程也就完成了。最后便形成了许多外形不规则的、大小不等的、排列方向不相同的小晶体，叫做晶粒。晶粒间的交界面称为晶界。金属晶体是这些小晶粒组成的多晶体。(二) 晶粒大小与机械性能的关系金属结晶后的晶粒大小对机械性能影响很大，一般是晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、 韧性也愈好。因此通常总是希望金属材料的晶粒愈细愈好。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以下几种方法：1.加快冷却速度金属结晶过程中过冷度愈大，结晶推动力增加，生核速率增长要快一些，故过冷度愈大，晶粒愈细。因此降低浇铸温度、增大冷却速度(如采用金属型、水冷铸型等)可使晶粒细
11、化。薄壁铸件的晶粒较细，厚大的铸件往往是粗晶，铸件外层的晶粒较细，心部是粗晶。2.变质处理在浇注时向液态金属中加入一定的变质剂，起到外来晶核的作用，并能在铸件的整个体积内都能得到均匀细化的晶粒。3.振动机械振动、超声波振动、电磁振动均使新晶粒数量增加，生核能量提高，生核率提高，达到细化目的。此外，还可以采用热处理和压力加工的方法，使固态金属的粗晶粒细化。、金属的同素异构转变(allotropic transformation)大多数金属的晶格类型都是一成不变的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生改变。一种固态金属，在不同的温度区间具有不同的晶格类型的性质称为同素异
12、构性（allotropy）。金属在固态下晶格随温度发生改变的现象，叫做同素异构转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，它同样包含晶核的形成和长大，故又叫重结晶。转变时也有结晶潜热的放出和过冷现象。纯铁是具有同素异构性的金属，当纯铁液体冷却到 1538时，结晶为固态， 为体心立方晶格，称为 铁， 继续 冷却至 1394转变为面心立方晶格，称为 铁 ，到 912时又转变为 体心立方晶格，称为 铁。铁在固态下发生同素异构转变，这是由铁的内部结构所决定的。铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。第四节 合金的基本概念一、合金的基本概念1.合金(alloy)合金是以一种金属为基础，加入其它金属
13、或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。例如，工业上广泛应用的钢铁材料就是铁和碳组成的合金；普通黄铜是铜与锌组成的合金。合金除具备纯金属的基本特性外，还兼有优良的机械性能与特殊的物理、化学性能。2.组元组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元素称为组元，简称元。组元一般是指元素，但有时稳定的化合物也可以作为组元，如 Fe3C、Al2O3 等。合金按 组元的数目可分为二元合金、三元合金及多元合金。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金；硬铝是铝、铜和镁三种元素组成的三元合金；保险丝是锡、铋、镉和铅四种元素组成的四元合金等。3.合金系由两个或两个
14、以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金系。4.相(phase)合金中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。如均匀的液体称为单相，液相和固相同时存在则称为两相。纯铁在不同温度下可以出现不同的相：液相、 铁相、 铁相和 铁相。5.组织(constitution)由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物，称为组织.纯金属的组织是由一个相组成的，合金的组织可以是一个相或多个相组成。二、合金的相结构合金之所以比纯金属性能优越主要是由于合金的内部结构不同于纯金属。合金的内部结构比较复杂，但根据各元
15、素在结晶时相互作用的不同可以把它们归纳为三种。1.固溶体（solid solution）固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。例如，铜镍合金就是以铜(溶 剂)和镍(溶质) 形成的固溶体,固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构.这种溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体叫做固溶体。根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体（substitution solid solution）和间 隙固溶体（interstitial solid solution）两种。置换固溶体即溶剂晶格上的原子部分地被溶质原子所代替。黄铜就是锌溶于铜中的置换固溶
16、体。间隙固溶体即溶质原子夹杂在溶剂晶格中间。铁碳合金中的铁素体和奥氏体都是碳溶于铁中的间隙固溶体。 由于各种元素的原子大小、化学性质不同，当溶质原子溶入溶剂中时，致使溶剂的晶格发生歪扭。固溶体晶格的畸变使合金强度和硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金机械性能的重要途径之一。2.金属化合物是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的 Fe3C。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。3.机械混合物当组
17、成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。绝大多数工业用合金都是混合物，它们的性能决定于组成混合物各部分的性能，以及它们的形态、大小和分布。第五节 铁碳合金的基本组织铁碳合金中碳原子和铁原子可以有几种不同的结合方式：一种是碳溶于铁中形成固溶体；另一种是碳和铁化合形成化合物；此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。一、铁素体(F ，)碳溶解于 -Fe 中的 间隙固溶体称为铁素体(ferrite ，简称 固溶体)。用符号 F 表
18、示。晶体 结 构呈体心立方晶格，碳在 铁中的溶解度极小，随温度的升高略有增加，在室温时的溶解度仅有 0.008，在 727 时最大溶解度为 0.0218。铁素体的性能几乎与 纯铁相同，它的强度和硬度较低，塑性和韧性则很高。二、奥氏体(A)碳溶解于 -Fe 中的间隙固溶体称为奥氏体(austenite，源自威廉查 德勒罗伯特- 奥斯汀（1843-1902 年）爵士，英国冶金学家。简称 固溶体)，通常用符号 A 表示。晶体结构呈面心立方晶格。由于 铁晶格中间隙较大，因此在 727时能溶解 0.77碳，在 1148时的最大溶解度达到 2.11，奥氏体存在于 727以上的高温区 间，具有一定的强度和硬
19、度，以及很好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造或轧制时所要求的组织。三、渗碳体(Fe3C，cementite)渗碳体是铁与碳形成的金属化合物 Fe3C，含碳量为 6.69，其晶胞是八面体，晶格构造十分复杂。渗碳体的性能很硬很脆，渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量增多，钢的强度和硬度提高，而塑性下降。四、珠光体(P)珠光体（pearlite）是由 铁素体和渗碳体组 成的机械混合物，用符号P 表示，它是由硬的渗碳体片和软的铁素体片层片相间，交错排列而成的组织。所以其性能介于它们二者之间，强度较高,，同时保持着良好的塑性和韧性。五、莱氏体(L d)奥氏体与渗碳体的机械混合
20、物称为莱氏体，(L d，ledeburite，)。它是 C=4.3的 铁碳合金液体在 1148发生共晶转变的产物。因奥氏体在 727时将转变为珠光体，所以在 727以下， 莱氏体由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为低温莱氏体(L d)。莱氏体的机械性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。第六节 铁碳合金相图铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。相图（phase diagram）又称平衡图或状态图。它是用实验数据绘制而成的。铁碳合金相图是人类经过长期实践并进行大量科学实验总结出来的。由于 C6.69的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因此相图成分轴仅标出含碳量小于6.69的合金部分，另外，Fe 3C 是
21、个稳定的化合物， 可以作为一个组元，因此研究的铁碳合金相图实际上是 Fe-Fe3C 相图。 如图 18-14 所示是简化了的 Fe-Fe3C 状态图。 一、Fe-Fe 3C 相图的主要点、线、区(一) 主要特性点Fe-Fe3C 相图中部分特性点的温度、含碳量及其含义见表 18-1。(二) 主要特性 线1.ACD 线液相线 ，在此线以上的区域 为液相， 当合金液冷却到此线时开始结晶。2.AECF 线固相 线，合金熔液冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固相区。3.ECF 线共晶线，它是一条重要的水平线，温度为 1148，液态合金冷却到此线时，在恒温条件下，将从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合
22、物，即发生共晶反应(eutectic reaction)：LA+Fe 3C所形成的共晶体为莱氏体。4.PSK 线共析线，代号 A1。也是一条重要的水平线，温度为727，当合金冷却到此线时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即共析反应(eutectoid reaction)：A F+FeC 3所形成的共析体为珠光体。5.ES 线代号 Acm。是碳在奥氏体中的溶解度线。在 1148时奥氏体中的溶碳能力最大为 2.11，随着温度降低溶解度沿此 线降低，而在 727时仅为 0.77C，所以含碳量大于 0.77的铁碳合金， 自1148冷至 727的过程中，由于奥氏体含碳量的减少， 将从奥氏体
23、中析出二次渗碳体(Fe 3CII)，以区别于自液体中结晶出的一次渗碳体(Fe3CI)。6.GS 线 代号 A3，奥氏体冷却到此线时 ，开始析出铁素体，使奥氏体含碳量沿此线向 0.77递增。(三) 相 图中的主要相区如表 18-2 所示。二、钢和生铁的划分E 点成分是钢与生铁的分界线，E 点左边的铁碳合金称为钢(steel 含碳量小于 0.0218的称为纯铁)。E 点右边的称为生铁(pig iron)。1.工业纯铁(Armco iron)C1时，强度反而下降了。这是由于二次渗碳体发展成连续网状，削弱了晶粒间的结合力，使钢变得硬、脆，强度下降。对于白口铁来说，由于出现了以渗碳体为基体的莱氏体，性能
24、硬脆难以切削加工，很少应用。根据图中成分-组织-性能关系的规律，可以按照零件或工具性能要求，进行合理的选材。如果需要塑性好韧性高的材料时，则可选用铁素体组织多的碳钢；对于要求综合机械性能较高的材料，可选用组织是铁素体加珠光体的碳钢。当需要硬度高、耐磨性好的材料时，则应选含碳更高的其组织是珠光体加渗碳体的碳钢。2.制定热加工工艺方面的应用在铸造生产方面，根据铁碳合金相图确定浇铸温度，在锻造生产中，可以确定钢材在锻造时必须选择在奥氏体区的适当温度范围内进行，便于塑性变形。在焊接方面，可根据铁碳合金相图分析低碳钢焊接接头的组织变化情况。在热处理时，拟订淬火、退火、正火等各种热处理加热规范。第七节 碳
25、素钢碳素钢(carbon steel，简称碳钢)就是含碳量小于 2.11的铁碳合金，实际使用的含碳量小于 1.5，其中还含有少量 Si、Mn、P、S 等杂质。一、常存杂质对钢性能的影响1.锰锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，锰有很好的脱氧能力，还可以与硫形成 MnS,从而消除了硫的有害作用。锰是碳钢中的有益元素。2.硅硅也是作为脱氧剂而进入钢的，硅的脱氧能力比锰还强，还能提高钢的强度及质量，是有益元素。3.硫硫常以 FeS 形式存在， FeS 与 Fe 形成低熔点的共晶体， 熔点为985，分布在晶界，当钢材在（10001200）进行压力加工时，共晶体熔化，使钢材变脆，这种现象称为热脆性。因此
26、，硫是钢中有害元素，含硫量必须严格控制。4.磷磷也是钢中的有害元素，它使钢在低温时变脆，这种现象称为冷脆性，因此，钢中含磷量也要严格控制。5.氢钢中氢能造成氢脆、白点等缺陷，是有害元素。二、碳钢的分类碳钢有以下三种分类方法。(一) 按 钢的含碳量分类：1.低碳钢（low carbon steel），含碳量 00.252.中碳钢（medium carbon steel），含碳量（0.250.6） 。3.高碳钢（high carbon steel），含碳量 0.6。(二) 按 钢的质量分类根据钢中有害杂质 S、P 的多少来分：1.普通钢，S0.055，P0.0452.优质钢，S、P 均0.043.
27、高级优质钢，S、P 均0.03(三) 按用途分 类1.碳素结构钢，用于制造工程结构(如桥 梁、船舶、建筑、 高压容器等)和机械零件( 如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等) ， 这类钢一般为低、中碳钢。2.碳素工具钢，用于制造各种工具(如刃具、模具和量具等 )，这类钢一般为高碳钢。三、碳钢的牌号和用途为了生产、选用和管理不致造成混乱，对各种钢材进行合理的命名和编号。1.碳素结构钢碳素结构钢是工程中应用最多的钢种，其产量约占钢总产量的（7080）。根据国标(GB700-88)规定，碳素结构钢牌号由以下四部分组成：(1).屈服点字母 Q 钢屈服强度“ 屈”，汉语拼音字首。(2).屈服点 强度数值( 单位
28、 MPa)。(3).质量等 级符号：A、B、C、 D 级，从 A 到 D 依次提高。(4).脱氧方法符号F沸腾钢 、 b半 镇静钢、 Z镇静钢、TZ特殊镇静钢在牌号中若为 Z 和 TZ 则予以省略。例如，Q235AF 表示屈服强度为 235MPa 的 A 级沸腾钢。碳素结构钢的牌号、成分、性能和用途见表 18-3、18-4、18-5。这类钢的炼制过程比较简单，生产费用较低，价格便宜，广泛地应用于工程建筑、车辆、船舶、以及一般的 桥梁、容器等金属结构。碳素结构钢是属于工程结构钢，由于价格低廉，所以也常用于制造要求不高的机器零件，如螺钉、螺栓、螺母等。2.优质碳素结构钢这类钢中有害杂质及非金属夹杂
29、物含量较少，化学成分控制得也较严格，塑性、韧性较好，运用于制造 较重要的机械零件。这类钢的牌号用两位数字表示平均含碳量的万分数，如 45 钢即表示 C=0.45的优质碳素结构钢。根据含锰量的不同，将含锰量为(0.25 0.80)的优质碳素结构钢称为普通含锰钢，将含锰量为(0.701.20)的优质碳素结构钢称为较高含锰量钢(标出锰元素)，优质碳素结构钢的牌号及化学成分、机械性能见表 18-6。08 钢是冷变形钢，15、20 钢是一般的表面渗碳钢，用于制造导套、挡块、磨擦片等耐磨零件。40、 45、50 钢属于调质钢，主要用于制造齿轮、丝杆、连杆和各种轴类零件。 6585 则是碳素弹簧钢。3.碳素
30、工具钢碳素工具钢主要用于制造刀具、量具和模具，具有较高的硬度和耐磨性，其平均含碳量为(0.71.3)，属于高碳 钢。 这类钢的质量较高，要求 S、P 等杂质的含量特别低，是经过精炼的优质钢。碳素工具钢的牌号是在“碳” 字汉语拼音首位字母 “T”的后面附加数字表示，数字表示平均含碳量的千分数，例如 T12 表示平均含碳量为 1.2的碳素工具钢，若为高级优质碳素工具 钢，则在其牌号后加符号 A，如 T12A。所有碳素工具钢都要经过热处理后，才能进一步提高硬度和耐磨性。碳素工具钢的牌号、成分、性能和用途见表 18-7。4.铸钢铸造碳钢(简称为铸钢)主要用于受冲击负荷作用的形状复杂件，如轧钢机机架，重载大型齿轮、飞轮等。 这是因为，对于许多形状复杂件，很难用锻压等方法成形，用铸铁又难以满足性能要求，这时常需选用铸钢件。铸钢的牌号由“ZG ”即“铸钢”两字的汉语拼音字首和两组数字组成，前一组数字表示为铸件的屈服强度( s 或 0.2)的最低值，后一组数字表示抗拉强度( b)的最低值。例如，ZG200-400 表示s200MPa，b400MPa 的铸钢。铸钢的成分、性能和应用举例见表 18-8 和 18-9。
