能力目标
1）能根据碳的质量分数判断铁碳合金力 学性能。 2) 具有分析和应用铁碳合金相图的能力 。 3）具有应用光学显微镜观察铁碳合金显 微组织的能力。
案例引入
你是否相信价值连城的钻石和价格低廉的石墨都是由碳元素 组成的？如图2-1所示，同样是由碳元素组成的，为什么金刚石 是硬度最高的物质，而石墨却很软？
1.铁素体
定义：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用F表示。
晶体结构：体心晶格
溶碳能力：在727℃时溶碳量最大， 为0.0218%，在室温下只有约0.0008%。 力学性能：与纯铁接近，即强度、 硬度较低，但塑性、韧性良好。
显微组织：与纯铁近似，呈明亮 白色的等轴多边形晶粒。它在770℃ 以下具有铁磁性。
1.铁碳合金相图的主要特征点与特征线
（2）铁碳合金相图的主要特征线
特性线 名 称
含义
ACD AECF
液相线 固相线
此线以上合金全部为液相（L）。金属液冷却到AC线以下和CD线以下从 液相中分别结晶出奥氏体和一次渗碳体Fe3CⅠ
金属液冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固态区。液相线与固 相线之间为金属液的结晶区。这个区域内金属液相与固相并存，AEC区 域内为金属液相与奥氏体，CDF区域内为金属液相与渗碳体
匀晶转变 L
1200d
1100
b
1000 1083
L
Cu 20
40 60 Ni%
80
Ni 100
t 冷却曲线
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相 线划定的温区内进行结晶。
枝晶（晶内）偏析
定义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分 不均匀的现象称作枝晶偏析。 形成原因： 冷却速度快，固溶体的化学成分来不及扩散 均匀。
a)
b)
图 2-6 晶体结构示意图
a）单晶体 b）多晶体
3.实际金属的晶体结构
• 晶体缺陷 • （1）点缺陷 指长、宽、高尺寸都很小的缺陷，
常见的点缺陷包括空位、间隙原子和置换原子。
图2-7 空位、间隙原子和置换原子示意图
3.实际金属的晶体结构
• （2）线缺陷 是指空间二维方向上尺寸较小，在 另一维方面上尺寸较大的缺陷。在晶体内部呈线 状分布。
属化合物。其晶体结构与性能和铁、碳都不同。 • 性能：熔点较高，性能硬而脆。当合金中出现金
属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐 磨性，但会降低塑性和韧性。
第二节 金属结晶分析
a) 雪花
b) 冰窗花 图2-12 自然界中的晶体
c) 雾松
在北方寒冷的冬天，我们常常会看到漂亮的雪花、冰窗花和雾松，如
1.合金基本知识
• （3）相
• 合金中凡是成分、结构和性能相同并以界面分开 的各个均匀组成部分称为相。如在铁碳合金中αFe为一个相，Fe3C为一个相。
• （4）组织
• 组织是指借助金相显微镜观察到的具有某种形 态特征的合金组成物。实质上它是一种或多种相 按一定的方式相互结合所构成的整体的总称，它 直接决定着合金的性能。
属或非金属组成的具有金属特性的物质。 • 例如，工业上广泛应用的钢铁材料就是主要
由铁和碳两种元素组成的合金。
1.合金基本知识
• (2)组元 • 组成合金的独立的、最基本的单元称为组元。组
元可以是组成合金的元素或稳定的化合物。 • 根据合金组元的数目，合金可分为二元合金、三
元合金和多元合金。如黄铜是由铜和锌组成的二 元合金。
2.合金的相结构
• （1）固溶体 • 定义：固溶体是指合金在液态下相互溶解，固态
下也相互溶解，即一种组元的晶格溶解了另一组 元的原子而形成的均匀相。
（1）固溶体
• 分类 • 根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，固
溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。
置换固溶体
间隙固溶体
（1）固溶体
性能 固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性 能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含 量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑 性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化
3.晶粒大小及控制
（1）晶粒大小对金属力学性能的影响
一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度、硬度愈高，塑性、 韧性也愈好。所以在实际生产中，总是希望获得细小的晶 粒。
（2）细化晶粒常用的方法
1）增加过冷度 2）变质处理 此外，还可采用机械振动、电磁振动和超声波振动等措施
增加过冷度,既是提高冷却速度
V冷
影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。
生产中用“扩散退火”（均匀化退火）加以消除
2.二元合金的结晶过程
（2）共晶相图
定义： 两组元在液态无限互溶，在固态下有限互溶，并发
生共晶反应，形成共晶组织的相图。
图2-18 Pb-Sn合金相图
Pb-Sn合金的结晶过程
Pb
第三节 铁碳合金相图分析
一、基本相及基本组织
2.纯金属的结晶过程 液态金属结晶是由形核和长大两个基本过程来 实现。
2.纯金属的结晶过程
形核 液
晶核长大 固
（1）晶核的形成 1）自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度 下由其内部自发长出结晶核心。
２)非自发形核——晶核依附金属液体中未溶的固态 杂质表面而形成晶核。
（2）晶核的长大
晶核长大的实质就 是原子由液体向固 体表面的转移。
图2-8 线缺陷示意图
3.实际金属的晶体结构
• （3）面缺陷 是指二维尺寸很大而第三维尺寸很 小的缺陷，晶体中最常见的面缺陷主要有晶界和 亚晶界。
图2-9 晶界过渡结构示意图
图2-10 亚晶界结构示意图
二、合金的晶体结构
• 在工业上大量使用的不是纯金属而是合金。 1.合金基本知识 • (1)合金 • 所谓合金，是由两种或两种以上的金属与金
提示：适当控制溶质含量，可明显提高合金的 强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧 性，所以说固溶体使合金一般具有较好的综合 力学性能。
（2）金属化合物
• 定义：合金组元间发生相互作用而形成一种新的 具有金属特性的物质。
• 注：晶体结构与性能和原组元都不同。 • 如：铁碳合金中的渗碳体就是铁和碳所组成的金
一、纯金属晶体结构
• 1.晶体结构基本知识 • （1）晶格
• 为了便于分析，把金属晶体中的原子近似看做固定不动的 刚性小球，用一些假想的线条将各点中心连接起来，形成 一个空间格子，简称晶格。
a)b)ຫໍສະໝຸດ 图2-2 晶体、晶格示意图
a）晶体 b） 晶格
1.晶体结构基本知识
• （2）晶胞 • 能充分反映晶体特征的最小几何单元，这个最小
二、铁碳合金相图的分析
表示在缓慢加热（冷却）条件下（即平衡状态）， 铁碳合金的成分、温度和组织之间关系的图形。
图2-22 简化后的Fe-Fe3C相图
1.铁碳合金相图的主要特征点与特征线
（1）铁碳合金相图的主要特征点
特性 点 A C D E
G P S
温度 /℃ 1538 1148 1227 1148
图2-13 纯金属结晶时的冷却曲线 a）以非常缓慢速度冷却 b）在实际冷却条件下的冷却
1.纯金属结晶的基本规律
（2）过冷现象
金属液的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0。 两者温度之差称为过冷度，以ΔT表示，即ΔT= T0－Tn。
过冷是结晶的必要条件 冷速越快，过冷度越大
结晶潜热的释放维持温 度不变，即出现平台。
铜镍合金相图测定流程
2.二元合金的结晶过程
（1）匀晶相图 匀晶相图是两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图。
a)
b)
图2-17 Cu-Ni合金相图及合金的结晶过程
a）Cu-Ni合金相图 b）合金结晶过程
（2）二元合金的结晶过程
液相线
T,C 1500
1400
1300
1200
纯铜
1100 1000
知识目标
1) 掌握晶体结构的基本概念及常见的金属晶格类 型。 2) 掌握合金的基本概念及基本组织。 3) 了解纯金属及合金的结晶过程。 4) 掌握铁碳合金基本相及基本组织。 5) 掌握典型的铁碳合金结晶过程和室温组织。 6）掌握碳的质量分数对铁碳合金性能的影响 7）学会利用光学显微镜观察铁碳合金组织。
912 727 727
Wc（%）
含义
0 纯铁的熔点
4.3 共晶点。发生共晶反应(LC⇄AE+Fe3C) 6.69 渗碳体的熔点
2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度，碳钢与白口铸 铁的分界点
0
纯铁的同素异构转变点（α-Fe⇄γ-Fe）
0.0218 碳在α-Fe中的最大溶解度
0.77 共析点。发生共析转变（AS⇄Fp+ Fe3C）
图2-20 奥氏体的显微组织
一、基本相及基本组织
3.渗碳体
定义：铁和碳形成的金属化合物，用其分子式Fe3C 表示。
碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，具有复杂的 晶体结构。
性能：硬而脆，是铁碳合金的主要强化相。 形态：可呈片状、网状、粒状、板条状。它的数量和 形态对铁碳合金的力学性能有很大影响。通常，渗碳 体越细小，在固溶体基体中分布越均匀，合金的力学 性能越好；反之，越粗大或呈网状分布则脆性越大。
1083
熔点
Cu 20
固相区
L
液相区 1455
L+
Ni 40 60 80 100
Ni%
纯镍 熔点
固相线
液固两相区 液相线以上为液相区，用 L 表示；固 相线以下为固相区，用 表示；中
间固液两相共存区，用 L+ 表示。
匀晶合金的结晶过程
L
TC
TC
L
1500
1455
L
1400 c 1300