分析钢结晶过程及其组织转变

项目一　金属材料性能与结构分析

金属是指具有良好的导电性和导热性、有一定的强度和塑性、并具有光泽的物质，如铁、铝等。金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料组成的、并具有金属特性的工程材料，它包括纯金属和合金。金属材料具有优越的物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能，它能够适应生产和科学技术发展的需要，因此在工农业生产和日常生活中的各方面有着广泛用途。

金属（金属材料）通常分为黑色金属和有色金属两大类。钢、铸铁、铬、锰属于黑色金属，除黑色金属以外的其他金属称为有色金属，如铜、铝、镁、锌、锡、铅等。

任务一　45钢力学性能的测定

一　学习目标

知识目标

了解金属材料的使用性能的含义；

熟悉拉伸试验测定金属材料的强度、塑性的方法；

明确金属材料硬度、韧性、疲劳强度的测定方法；

了解金属工艺性能的含义。

能力目标

能独立完成金属材料力学性能的测定。

二　任务引入

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括物理、化学和力学性能等；工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能，包括铸造、锻造、焊接、切削加工性能等。金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式的外力作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形，甚至断裂。金属材料在外力作用时所表现出的抵抗变形和破坏的能力称为力学性能，主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。它不仅是设计零件、选择材料的重要依据，而且也是验收鉴定材料性能的重要依据。

45钢是指含碳量为0．42%～0．50%的铁碳合金，主要用来制造齿轮、连杆、轴类等零件，其力学性能各评定指标是通过试验方法测定的。

三 相关知识

1．强度

金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度，强度大小通常用应力来表示。根据载荷作用方式不同，强度分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和抗压强度等，通常以抗拉强度作为判别金属强度高低的基本指标。金属材料的抗拉强度是通过标准试样在万能材料试验机上进行拉伸试验测定的。

（1）拉伸试验　如图1－1（a）所示为拉伸标准试样，试样横截面形状有圆形和矩形两种。拉伸试样一般又分为长试样（L0＝10d0）和短试样（L0＝5d0）两种。

图1-1　圆形拉伸试样

拉伸试验中得出的拉力与伸长量的关系曲线称为拉伸曲线。图1－2是低碳钢的拉伸曲线图，图中纵坐标表示拉力F，单位为N；横坐标表示试样的伸长量ΔL，单位是mm，从图中可以明显地看出低碳钢在拉伸过程中出现的几个变形阶段：

oe——弹性变形阶段：在拉伸试验时，若载荷不超过Fe，则卸载后试样立即恢复原状，这种随载荷的作用而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fe为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。

es——屈服阶段：若载荷超过Fe时，则卸载后试样的变形不能完全消失，保留一部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形，也称为永久变形。当载荷达到Fs时，试样开始产生明显的塑性变形，在曲线上出现了水平的锯齿形线段，即表示外力不增加，试样仍继续发生塑性伸长，这种现象称为屈服。Fs称为屈服载荷。

sb——强化阶段：当载荷超过Fs后，材料开始出现明显的塑性变形。同时欲使试样继续伸长，载荷也必须不断增加。随着塑性变形增加，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。Fb为拉伸试验时的最大载荷。

bz——颈缩阶段：当载荷增加到某一最大值Fb时，试样开始局部截面积缩小，出现“颈缩”现象，变形主要集中在颈部。由于试样截面积逐渐减小，试样变形所需要的载荷也逐步降低，当达到图1－2中z点时，试样在“颈缩”处断裂。

图1-2　低碳钢的拉伸曲线

图1-3　铸铁的拉伸曲线

生产中使用的金属材料多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料不仅没有明显的屈服现象发生，而且也没有明显的“颈缩”，如图1－3所示铸铁的拉伸曲线。

（2）强度指标　金属材料在受外力作用时，其内部产生与外力相抗衡的内部抗力，这个内部抗力称为内力。单位面积上的内力称为应力，用σ表示。金属材料常用的强度指标有弹性极限σe、屈服点σs和抗拉强度σb。

金属材料产生按比例的完全弹性变形所能承受的最大应力称为比例极限σp。但比例极限不易精确测定，通常用开始产生微量塑性变形时的最大应力σe作为完全弹性变形的强度指标，称为弹性极限。

σe＝Fe/S0（MPa）

式中　Fe为弹性变形时的最大载荷（N）；S0为试样原始横截面面积（mm2）。

屈服点σs表示金属材料抵抗微量塑性变形的能力。

式中　Fs为试样产生屈服时的载荷（N）。

材料的屈服点越高，允许的工作应力也越高。因此，材料的屈服点是机械设计和选用材料的依据，也是评定金属材料性能的重要指标。

金属材料在拉断前所能承受的最大应力，称为抗拉强度。

式中　Fb为试样拉断前承受的最大载荷（N）。

抗拉强度表示金属材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形能力。零件在工作中所承受的应力不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂，造成事故。抗拉强度也是机械零件设计选材时的重要依据之一。

2．塑性

塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。金属材料的塑性值也是通过拉伸试验测得的，常用塑性指标有断后伸长率δ和断面收缩率ψ。

断后伸长率是试样被拉断时标距长度的伸长量与原始标距长度之比的百分数，用符号δ表示。

同一材料的试样，长短不同测得的δ是不同的，长、短两种试样的δ分别用δ10和δ5表示。不同材料进行比较时，必须是相同标准试样测定的数值才有意义。

断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比的百分数，用符号ψ表示。

金属材料的伸长率δ和断面收缩率ψ越大，表明材料的塑性越好。塑性好的材料，偶尔过载时由于能发生一定量的塑性变形而不至于突然断裂，在一定程度上保证了零件的工作安全性，因此，对于重要的结构零件要求必须具备一定的塑性。

3．硬度

硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

硬度的测试方法有压入法、刻划法和回跳法等，生产中最常用的是压入法。常用硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

（1）布氏硬度　布氏硬度的测试原理是用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下压入被测试金属的表面（图1－4），停留一定时间后卸除载荷，然后测量被测试金属表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的表面积S，求出压痕在单位面积上所承受的平均压力值（F/S），以此作为被测试金属的布氏硬度值，用符号HBS（HBW）来表示，用淬火钢球作压头时用HBS表示，用硬质合金球作为压头时用HBW表示。

图1-4　布氏硬度试验原理

在实际测试时，硬度值不需要计算，只需用读数显微镜测出压痕直径“d”，然后根据“d”值，查“压痕直径与布氏硬度对照表”，即可求得所测的硬度值。

布氏硬度的表示方法为在符号HBS或HBW前面标硬度值，符号后面按顺序用数字表示试验条件：①球体直径（mm）；②试验力（kg）；③试验力保持时间（s，10～15s不标注）。例如170HBS 10/1 000/30表示用直径10mm的钢球，在9 807N的试验力作用下，保持30s时，测得的硬度值为170。

布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，试验数据的重复性好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在450HBS以上的就不能使用。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。由于压痕较大，不能用于成品及半成品的检验。

（2）洛氏硬度　洛氏硬度测定采用顶角为120°的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，在规定载荷作用下压入被测试金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。图1－5所示是用金刚石压头进行洛氏硬度试验的示意图。

图1-5　洛氏硬度试验

洛氏硬度值是根据h3－h1来确定的，习惯上用k（常数）－（h3－h1）值表示硬度值。数值越大表示金属材料越硬，数值越小表示材料的硬度越低。

为了用同一硬度计测定从软到硬不同金属材料的硬度，可采用不同的压头和总载荷，组成不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。最常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中HRC标尺应用最为广泛。

洛氏硬度试验法操作迅速简便，压痕较小，测量范围大，广泛用于各种材料工件以及薄、小和表面要求较高的工件测定硬度。由于压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度值不够准确，通常需要在不同的部位测试数次，取平均值来代表金属材料的硬度。

（3）维氏硬度　维氏硬度的试验原理基本上和布氏硬度试验相同，其压头是用一个夹角为136°的金刚石正四棱锥体，以选定的试验力压入被测金属的表面，保持一定时间后卸除试验力。然后再测量压痕的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（F/S），以此作为被测试金属的硬度，用符号HV表示。

由于维氏硬度测试的压痕轮廓为正方形，便于测量、误差小、精度高、测量范围大，适于各种软、硬金属，尤其适于极薄零件和渗碳、渗氮工件的硬度测定。但其值测定比较麻烦，效率低，所以不宜用于大批量生产工件的常规测定。

4．冲击韧度

金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧度，常用一次摆锤冲击试验来测定。常用的冲击标准试样根据其缺口形状不同，有U型和V型两种。如图1－6所示为冲击试验机和一次摆锤冲击试验过程示意图。试验时根据能量守恒原理，以试样受冲击破坏时单位面积消耗的功Ak来计算冲击韧度αk的数值，即）。αk值越大，表示材料的冲击韧性越好。

图1-6　一次摆锤冲击试验过程

实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲头等。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来作为设计依据显然是不符合实际的。

5．疲劳强度

实际生产中有许多机器零件，如齿轮、弹簧、曲轴和轴承等，都是在交变载荷下工作的。虽然零件在工作过程中所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳断裂是在事先无明显塑性变形的情况下突然发生的，故具有很大的危险性。

金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定，测定的疲劳强度值用σ－1表示。实际上，金属材料不可能作无数次交变载荷试验。对于黑色金属，一般规定106～107周次，有色金属、不锈钢等取107～108周次。

产生疲劳破坏的原因，一般认为是由于材料有杂质、表面划痕及其他能引起应力集中的缺陷。

四　任务实施

通过拉伸试验测得45钢的强度为σs＝355MPa，σb＝600MPa；塑性为δ5＝16%，ψ＝40%；通过布氏硬度试验测定硬度值为229HBS；通过摆锤一次冲击试验测定韧性为AKU＝39J。

五　能力训练

齿轮（材料为40Cr钢）的性能测定

齿轮的强度、塑性、韧性、硬度及疲劳强度的测定与45钢的测定方法相似。

任务二　分析纯铁的晶体结构与结晶过程

一　学习目标

知识目标

了解晶体、晶格、晶胞、晶粒的概念及常见的三种晶格类型；

明确金属实际晶体结构；

掌握纯铁的同素异晶转变；

熟悉合金的概念及合金的相结构；

了解金属与合金的结晶过程。

能力目标

熟悉金属或合金的结晶过程及规律，能有效控制金属的结晶过程，改善金属材料的组织和性能。

二　任务引入

纯铁是由铁矿石经冶炼而成的，先得到温度较高的铁水，铁水经冷却后形成高温固态铁，然后再逐渐冷却到室温。液态铁水经过什么变化形成固态铁，高温固态铁冷却过程中铁的结构是否发生变化？

三　相关知识

材料的性能取决于材料的组织结构，而材料的组织结构是由它的化学组成和加工工艺决定的。也就是说不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种金属材料，在不同的加工条件下其性能也是不同的。金属性能的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决定的。

1．常见的金属晶格类型

（1）晶体与非晶体　自然界中的固态物质都是由原子组成的，根据原子排列的状况不同，可以将物质分为晶体和非晶体两大类。

①晶体：物质的原子都是按一定几何形状有规则地排列的称为晶体，如金刚石、石墨及固态金属和合金。

②非晶体：在物质内部，凡是原子呈无规则、杂乱地堆砌在一起的称为非晶体，如松香、普通玻璃、沥青、石蜡等。

晶体与非晶体因原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性，而非晶体没有固定的熔点，呈各向同性。

（2）晶格与晶胞 晶体内部的原子是按照一定规则排列的。为了便于理解，将金属晶体中原子看成一个小球，图1－7（a）是金属晶体中原子在空间作有规则排列的简单模型。为了说明排列的方式，人为地把原子看成一个点，用假想的线将各原子的中心连接起来，这样就得到一个抽象化了的空间格架，如图1－7（b）所示。这种用于描述原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格。

图1-7　晶体、晶格和晶胞

由上图可见，晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格结构特征的最小几何单元，称为晶胞，如图1－7（c）所示。

（3）常见的晶格类型　金属的晶体结构类型很多，但绝大多数（占85%）金属属于以下三种类型：

①体心立方晶格：体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和立方体的中心，各排列一个原子，如图1－8（a）所示。属于这类晶格类型的金属有钨（W）、铬（Cr）、钒（V）及α－Fe等。

图1-8　金属的晶体结构

②面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体八个顶角和六个面的中心各排列一个原子，如图1－8（b）所示。属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）及γ－Fe等。

③密排六方晶格：密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，在柱体的每个顶角上，以及上、下底面的中心都排列一个原子，在晶胞中间还排列有三个原子，如图1－8（c）所示。属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、锌（Zn）等。

（4）晶粒　金属结晶后形成的外形不规则而内部晶格排列方向一致的微小晶体称为晶粒。

如果一块晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，称这块晶体为单晶体，单晶体中所有晶胞都按相同方向排列，如图1－9（a）所示。单晶体材料只在特定情况下使用，例如制造半导体硅元件所用的材料，就是单晶硅。

图1-9　单晶体和多晶体结构

由许多晶格位向不同的晶粒集合组成的晶体称为多晶体，如图1－9（b）所示。工业用的金属材料一般都是多晶体。

2．实际金属晶体结构

在实际使用的金属材料中，由于加进了其他种类的外来原子以及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来有规律的原子堆积方式受到干扰。晶体中所出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体缺陷，常见的晶体缺陷有以下几种：

（1）点缺陷　如果晶格上应该有原子的地方没有原子，在那里就会出现“空洞”；同时，也可能在晶格某些空隙处出现多余的原子或挤进外来原子，这种原子堆积上的缺陷叫做空位和间隙原子。由图1－10可知，间隙原子所产生的效果是使周围原子受到挤压，而空位附近的原子受到拉伸。空位和间隙原子都使晶格产生变形，这种现象叫做晶格畸变。

图1-10　点缺陷

（2）线缺陷　晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做位错。把这些发生位错的原子用假想线连接起来，这根线或者近似于直线、或者近似于螺旋线，前者叫做刃型位错〔图1－11（a）〕，后者叫做螺型位错〔图1－11（b）〕。

图1-11　晶体的位错

位错对金属晶体的生长、相变、扩散、塑性变形、断裂及其他许多物理化学性能都有重要影响，同时材料中的位错愈多，其强度就越高。

（3）面缺陷　实际金属为多晶体，是由大量外形不规则的晶粒组成，各个晶粒的晶格排列方向不一致，晶粒与晶粒之间的接触面称为晶界。晶界是多晶体结构中晶粒间的过渡区，如图1－12（a）所示，在晶界处原子排列是不规则的，处于不稳定的状态。

试验证明，即使在一颗晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶体那样完全一致，而是分隔成许多尺寸很小，位向差也很小（只有几秒、几分，最多达1°～2°）的小晶块，它们镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列与晶界相似，也是不规则的。

图1-12　晶界的结构模型

晶体中由于存在点缺陷、线缺陷、面缺陷使其晶格畸变，引起塑性变形抗力增大，从而使金属的强度提高。

3．合金的晶体结构

纯金属具有良好的电导性、热导性、塑性及金属光泽等物理化学特性，但强度、硬度等力学性能一般都很低，且熔炼困难，价格昂贵，难以满足现代工业对金属材料提出的多品种、高性能的要求。因此，工业上应用较多的都是合金。

（1）合金的基本概念 合金是一种金属与另一种或几种金属、非金属熔合组成的，具有金属特性的物质。如铁碳合金、铜合金、铝合金等。

组元是组成合金的最基本、独立的物质，简称元，通常是组成合金的元素或稳定的化合物。由两个组元组成的合金称二元合金，三个组元的合金称为三元合金，以此类推。相同组元可按不同比例配制出性能不同的系列合金，构成一个合金系统，简称合金系。

相是指金属或合金中化学成分相同、结构相同或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成部分。如液态纯金属与结晶出的固态纯金属，即为液、固两相。

组织是指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌图像。通常又把借助金相显微镜、电子显微镜观测的内部微观形貌图称为“显微组织”。通过对组织的观察分析，可了解材料内部各组织组成相的大小、形态、分布和相对数量等，从而进一步了解材料的性能及其变化规律。

（2）合金的相组织　在液态时，大多数合金的组元都能相互溶解，形成均匀的液相。在结晶时，由于各个组元之间相互作用的不同，在固态合金中可能出现固溶体、金属化合物或多相复合组织。

①固溶体：在固态下，组成合金的一种或多种组元溶入另一组元的晶格中所组成的晶体叫固溶体。在固溶体中，含量少的叫溶质，含量多的叫溶剂。固溶体是合金结构中的重要相结构，因为实际使用的金属材料大多数是单相固溶体合金，或以固溶体为基的多相合金。

根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置不同，固溶体可以分为间隙固溶体和置换固溶体。

溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图1－13（a）所示。溶质原子愈小或溶剂晶体中的空隙愈大，溶质在这种固溶体中的溶解度便愈大。

溶质原子置换了溶剂晶格中某些结点位置上的溶剂原子而形成的固溶体，称为置换固溶体，其示意图如图1－13（b）所示。在合金钢中大多数合金元素都能组成置换固溶体。根据溶质原子在溶剂中的不同溶解度，置换固溶体又分为无限固溶体（溶质原子能以任何比例溶入溶剂中）和有限固溶体（溶质原子溶入溶剂中的量是有限的）。

图1-13　固溶体结构

在固溶体中由于溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生晶格畸变，晶格畸变阻碍了位错的运动，使晶格间的滑移变得困难，从而提高了合金抵抗塑性变形的能力，使合金的强度、硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。

②金属化合物：金属组元间按照一定的原子数比，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。这种化合物可以是金属与金属组成，也可以由金属与非金属组成，其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大，如铁碳合金中的渗碳体。

③多相复合组织：合金中的组元相互作用，一般并非简单地形成一种固溶体或一种金属化合物，而可能形成两种或两种以上的固溶体和金属化合物，最后组成多相复合组织。这种由两种以上相组成的多相组织合金，称多相复合合金。多相复合合金的性能是以组成它的物质的性质之算术平均值来估算的。

4．金属的结晶

金属制品一般都需要经过熔炼、浇注、压力加工、切削加工等工艺过程而制成，其中熔炼浇注形成的铸态组织，对金属材料的性能有重大影响。研究金属与合金的凝固结晶过程及其规律，对于控制金属材料及其制品的组织和性能，是非常重要的。

（1）纯金属的结晶　金属的结晶都是金属原子的聚集状态由无规则的液态，转变为规则排列的固态晶体的过程。每种金属都有固定的熔点，也就是固定的结晶温度t0，这是在极缓慢的冷却条件下用热分析法测定的，通常称之为理论结晶温度。

图1-14　金属冷却曲线

金属的结晶过程可用冷却曲线来描述，如图1－14所示。从冷却曲线看出，液态金属随着冷却时间的增长，温度将不断下降，但冷却到某一温度时，冷却时间仍在增加而温度不再下降，出现一个水平台阶，这台阶对应的温度即结晶温度。出现水平台阶的原因，是由于结晶时有潜热放出，抵消了冷却散热，所以温度保持不变。结晶完成后，结晶潜热不再产生，金属温度随冷却时间增加而继续下降。

在实际生产中，冷却速度不可能无限缓慢，当以一定的冷却速度冷却结晶时，实际结晶温度t1都低于理论结晶温度t0，这一现象称为“过冷现象”。理论结晶温度与实际结晶温度之差Δt，称为过冷度（Δt＝t0－t1）。

金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。

①金属的结晶过程：液态金属结晶是在一定过冷度的条件下，从液体中首先形成一些微小而稳定的固体质点开始的，这些固体质点称为晶核。晶核不断长大成为晶体，同时新的晶核也不断形成和长大，直到它们相互接触，液体完全消失为止。因此，结晶过程由形核和晶核长大两个过程组成，二者交替产生。实际上，金属在结晶过程中晶核沿各个方向生长的速度是不一样的，晶核主要是沿着生长速度最大的几个方向发展，所以晶体实际上为树枝状结晶体（简称枝晶）。

液态金属原子自发形成的晶核，称为自发晶核。实际结晶过程中，金属液体中的某些杂质，也能成为金属结晶核心而形成晶核，这种晶核称为非自发晶核（人工晶核）。在金属的结晶过程中，通常是自发晶核和非自发晶核同时并存，而且非自发晶核对结晶的推动作用往往更为重要。因此，对非自发晶核的控制已成为调整控制结晶过程的重要手段。

金属液态中晶核的形成先后不一，长大的条件也不同，因而形成的晶粒大小、形状和位向各不相同。晶粒之间最后形成过渡的界面称为晶界。晶界把晶粒连接组成多晶体。最后结晶的晶界原子呈不规则的过渡排列，所以，晶界对金属性能有很大的影响。

②影响晶粒大小的因素及细化晶粒的方法：金属晶粒大小对金属力学性能有很重要的影响，一般情况下，晶粒越细小则金属强度、塑性、韧性越好。

为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。分析结晶过程可知，金属晶粒大小取决于结晶时的形核率N（单位体积单位时间形成的晶核数）和晶核长大速率G（单位时间内晶核长大的线速度）。形核率越大，则结晶后晶粒越多、细；而长大率越大，则晶核长大越快，晶粒就越粗。常用的细化晶粒方法有：

增加过冷度：在一般冷却条件下，冷却速度提高，则过冷度大，而形核率和长大速率均随过冷度的增大而增大。由于随过冷度增大形核率比长大速率增加得快，因此最后结果是细化晶粒。

变质处理：在液态金属浇注前专门加入可成为非自发晶核的固态变质剂，增加晶核数，提高形核率，达到细化晶粒的目的。

振动处理：在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，把生长的枝晶破碎，从而增加晶核数，达到细化晶粒的目的。

（2）合金的结晶　不同成分的合金，在高温液态时通常为均匀单相溶液，而在冷却结晶后，可形成单相的固溶体或金属化合物组织，但更多的是形成由几种固溶体或固溶体和化合物组成的多相复合组织，并且随温度等条件变化，组成相还会变化。一定成分的合金在一定温度下究竟形成什么组织，通常可由相图来确定。

合金相图又称合金状态图或合金平衡图，表示平衡条件下合金成分、温度和组织状态之间关系的图形。根据相图可知道不同成分的合金，在不同温度下的相组织状态，温度变化时可能发生的变化，还可根据组织状态估测合金的性能，作为制定铸造、锻造、焊接和热处理等热加工工艺的主要依据。

在合金相图中，有二元相图、三元相图和多元相图，应用最广、最基本的是二元相图。合金相图都是通过实验方法测得的，如图1－15所示为用热分析法测定的Cu－Ni合金相图。

图1-15　用热分析法测定Cu-Ni合金相图

对于合金组元在液相和固相下均能无限互溶，结晶时只结晶出单相固溶体组织，这种合金系的相图就是典型的匀晶相图，如Cu－Ni二元合金相图。组元在液相无限互溶，在固相有限互溶，在结晶过程中以共晶转变为主的相图就是共晶相图，如Al－Si、Pb－Sb、Pb－Sn、Ag－Cu等。共晶转变是指合金系中某一定化学成分的合金在一定的温度下（恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分的固相，并按一定方式组合在一起，形成有固定化学成分的基本组织。共析转变是指在一定温度下，由一个均匀的固相同时分解析出两个化学成分与晶体结构不同于母相（即原固相）的新固相的转变过程。凡具有这种转变的相图，均称为共析相图，如Fe－C、Cu－Zn、Cu－Sn及Cu－A1等。

四　任务实施

铁水经形核和晶核长大形成高温固体，其晶体结构会随着温度的变化而发生改变。这种金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异晶体。图1－16为纯铁的冷却曲线，纯铁的同素异晶转变的表示式如下：

同素异晶转变过程与结晶相似，也是经形核和晶核长大来实现的。

图1-16　纯铁的冷却曲线

由于铁能够发生同素异晶转变，所以生产中才有可能对钢和铸铁进行热处理，来改变其组织和性能。

五　能力训练

分析纯铁室温和1 000℃的晶体结构

根据纯铁的冷却曲线分析可知：纯铁室温和1 000℃的晶体结构分别为体心立方晶格的α－Fe和面心立方晶格的γ－Fe。

任务三　分析45钢结晶过程及其组织转变

一　学习目标

知识目标

了解铁碳合金相图的含义；

了解钢与铁的区别；

熟悉铁碳合金基本相组织；

明确铁碳合金相图的点、线、区域的含义；

掌握典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变。

能力目标

能分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；

能确定铁碳合金相图在零件选材、毛坯加工、热处理等方面的应用。

二　任务引入

铁碳合金在结晶时由于铁和碳的含量不同会结晶出不同的晶体，又由于铁有同素异晶转变，所以45钢结晶后在冷却过程中随温度变化晶体结构也会发生变化。

三　相关知识

钢和铸铁是机械制造中应用最多的金属材料。钢铁的品种繁多，成分各不相同，但都是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金。含碳量wC≤2．11%的铁碳合金叫钢，含碳量wC≥2．11%的铁碳合金叫铸铁。在铁碳合金中铁和碳可以生成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。由于含碳量高的Fe2C、FeC脆性大，无实用价值，因此一般只研究碳含量wC＜6．69%的铁碳合金，故铁碳合金相图也可以认为是Fe－Fe3C相图。

1．铁碳合金的基本组织

在铁碳合金中，由于含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁组成化合物，而化合物与固溶体还可结合成多相复合组织，因此铁碳合金中出现以下几种基本组织。

（1）铁素体　碳溶于α－Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用F表示，是体心立方晶格。α－Fe由于晶格原子之间的间隙较小，所以碳在α－Fe中的溶解度也较小，在室温时接近于零，在727℃溶解度最大为wC＝0．021 8%。由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的组织和性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。

（2）奥氏体　碳溶于γ－Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体，为奥氏体，用A表示，如图1－17所示。γ－Fe是面心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较大，所以奥氏体的溶碳能力较强，在1 148℃时，溶碳量可达2．11%。由于奥氏体的溶碳量比铁素体多，因此奥氏体的强度和硬度较铁素体高，并且是单一的固溶体，所以其塑性较好，变形抗力较低。绝大多数钢，在进行压力加工和热处理时，都加热到奥氏体区域。

图1-17　奥氏体

（3）渗碳体　渗碳体是含碳量为6．69%的铁与碳形成的一种具有复杂的斜方晶体结构的金属化合物（图1－18），它的硬度很高，塑性和韧性很差，脆性大。渗碳体是铁碳合金中脆而硬的重要强化相，以不同的形状、大小以及不同的分布出现在钢组织中，对钢的性能影响很大。

（4）珠光体　铁素体和渗碳体组成的两相复合组织称为珠光体，其显微组织如图1－19所示，用P表示。珠光体的含碳量为0．77%，其机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高、硬度适中、有一定的塑性。

图1-18　渗碳体（Fe3C）的晶胞

图1-19　珠光体显微组织

（5）莱氏体　含碳量为4．3%的铁碳合金，在1 148℃时同时由液体中结晶出奥氏体和渗碳体后所形成的复合组织即高温莱氏体，用Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成，即低温莱氏体，用L＇d表示。莱氏体的性能和渗碳体相近，硬度高、塑性差。

2．简化的Fe－Fe3C相图

Fe－Fe3C相图是表示在极缓慢加热（或极缓慢冷却）条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度时所具有的状态或组织的图形。工业用铁碳合金的含碳量一般不超过5%，因此，我们研究的铁碳合金只限于Fe－Fe3C（wC＝6．69%）范围内。

图1-20　简化的Fe-Fe3C相图

相图纵坐标表示温度，横坐标表示含碳量。横坐标左端（原点）为wC＝0%，是纯铁；右端为wC＝6．69%，是Fe3C。

（1）Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义　Fe－Fe3C相图中几个主要特性点的温度、含碳量及其物理含义见表1－1。Fe－Fe3C相图中特性线的意义见表1－2。

表1-1　Fe-Fe3C相图中的特性点

表1-2　Fe-Fe3C相图中的特性线

Fe－Fe3C相图上各区域的组织如图1－20所示。

（2）铁碳合金的分类　根据含碳量、组织转变的特点及室温组织，铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类：

工业纯铁，含碳量小于0．021 8%的铁碳合金。

钢，含碳量为0．021 8%～2．11%的铁碳合金。根据其含碳量及室温组织的不同，以S点为界分为三类：共析钢，含碳量0．77%；亚共析钢，含碳量0．021 8%～0．77%；过共析钢，含碳量0．77%～2．11%。

白口铸铁，含碳量为2．11%～6．69%的铁碳合金。根据白口铸铁室温组织的特点，以C点为界分为三类：共晶白口铸铁，含碳量4．3%；亚共晶白口铸铁，含碳量2．11%～4．3%；过共晶白口铸铁，含碳量4．3%～6．69%。

图1-21　典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置

（3）典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变

①共析钢（含碳量为0．77%）：图1－21中合金Ⅰ为共析钢。共析钢在高温时是液态，当降温至1点时，开始从液体中结晶出奥氏体，1～2点间是液体和奥氏体晶体。当冷却至2点时，液体全部结晶为奥氏体，2～3点区间没有组织和成分的变化。当合金冷却至3点（即S点）时，奥氏体发生共析转变：

即生成铁素体和渗碳体的两相复合组织——珠光体。温度继续下降，珠光体不再发生变化。共析钢在室温时的组织是珠光体，呈层片状。

②亚共析钢（含碳量小于0．77%）：图1－21中合金Ⅱ是亚共析钢，其含碳量为0．45%，该液态合金冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，至2点结晶结束。2～3点区间为单一奥氏体。当冷却到3点时，奥氏体中开始析出铁素体，随着温度下降，析出铁素体的量增多，3～4点区间为铁素体和奥氏体两相。当冷却到4点时，剩余的奥氏体发生共析转变，转变为珠光体。4点以下至室温，合金组织不发生变化。

亚共析钢的室温组织为珠光体和铁素体，其显微组织如图1－22所示。

③过共析钢（含碳量0．77%～2．11%）：图1－21中合金Ⅲ是含碳1．2%的过共析钢。当液态合金冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点结晶结束，2～3点之间是单一的奥氏体。当冷却到3点时，奥氏体含碳量达到饱和，继续冷却，过剩的碳便以二次渗碳体（Fe3CⅡ）形式析出。析出的二次渗碳体一般沿奥氏体晶界分布，呈网状。在3～4点区间，合金的组织是奥氏体和二次渗碳体。到达4点时，奥氏体就发生共析转变，变成为珠光体。4点以下直至室温，合金组织不再发生转变。

过共析钢的室温组织是珠光体和二次渗碳体（显微组织如图1－23所示），随着含碳量的增加，二次渗碳体的数量也愈多。

图1-22　亚共析钢的显微组织×500

图1-23　过共析钢的显微组织

④共晶白口铸铁（含碳量为4．3%）：图1－21中的合金Ⅳ是共晶白口铸铁。在高温时处于液态，冷却至1点时发生共晶转变：

即液态合金中同时结晶出奥氏体和渗碳体，生成高温莱氏体。L～2点间，莱氏体中的奥氏体要析出二次渗碳体，温度冷却至2点时，奥氏体发生共析转变，转变为珠光体。继续冷却，组织不发生变化。

共晶白口铸铁的室温组织是珠光体＋二次渗碳体＋共晶渗碳体，即为莱氏体，显微组织如图1－24所示。

图1-24　共晶白口铸铁的显微组织

图1-25　亚共晶白口铸铁的显微组织

亚共晶白口铸铁（含碳量在2．11%～4．3%）和过共晶白口铸铁（含碳量4．3%～6．69%）的结晶过程，从共晶转变开始到室温，基本上和共晶白口铸铁相类似。所不同的是从液相线（AC、CD）到共晶转变线（ECF）之间，亚共晶白口铸铁先从金属液中结晶出奥氏体，过共晶白口铸铁先从金属液中结晶出一次渗碳体。亚共晶白口铸铁在室温时的组织为珠光体＋二次渗碳体＋低温莱氏体，显微组织如图1－25所示。过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体＋低温莱氏体，显微组织如图1－26所示。

图1-26　过共晶白口铸铁的显微组织

四　任务实施

根据铁碳合金相图分析可知：45钢（wC＝0．45%）结晶后得到单相奥氏体，随着温度降低，铁发生同素异晶转变，奥氏体一部分转变为铁素体，此时钢组织为A＋F，温度继续下降到727℃时发生共析转变，奥氏体转变为珠光体，此时组织为P＋F，温度继续下降到室温组织不再变化。

五　能力训练

分析T8钢的室温组织及性能

T8为含碳量wC＝0．8%的铁碳合金。根据铁碳合金相图分析可知：其室温组织为P＋Fe3CⅡ。因为渗碳体组织硬而脆，所以T8钢硬度高，有一定塑韧性，故经常制作手工刃具。

六 经验交流

铁碳合金相图的应用

在常压下，相图是材料状态与成分、温度之间关系的图解，所以，相图反映了不同材料结晶的特点。相图还可以看作一定温度下材料的成分与其组织之间的关系，而材料的组织及其相对含量又与材料的性能密切相关。因此，相图与材料的成分、材料性能之间存在一定的联系。对于金属材料，相图是研究合金的重要工具，利用它可以大致判断合金的组织、力学性能、热处理工艺性、铸造性能及其他性能等，为材料的选用及工艺制定提供依据。

1．在选材方面的应用

铁碳合金在室温的组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，铁素体的量逐渐减少，渗碳体的量则有所增加，合金的组织按下列顺序发生变化：

F→F＋P→P →P＋Fe3C →P＋Fe3C＋L′d→L′d→L′d＋L′dFe3C

由此可知：含碳量越高，钢中的硬脆相Fe3C越多，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。但含碳量超过0．9%时，由于网状渗碳体的出现，使钢的强度明显降低，当含碳量达1．3%～1．4%时，已不能保证工程使用。

根据铁碳合金的组织随成分变化的规律，可以大致判断出合金的力学性能，从而合理地选材。例如，要求塑韧性好的各种型材和建筑结构，应选用碳含量小于0．25%的钢制作；对于工作中承受冲击载荷，以及要求较高强度、塑韧性的机器零件，应选用含碳量为0．25%～0．55%的钢；对于要求耐磨性好、硬度高的各种工模具，应选用碳含量大于0．55%的钢；对于形状复杂、不受冲击、要求耐磨的铸件应选用白口铸铁。

2．在铸造方面的应用

合金的铸造性能主要表现为液态合金的流动性、缩孔、热裂倾向等，它主要取决于相图上液相线与固相线之间的垂直距离，即结晶的温度间隔。相图上的温度间隔越大，合金的流动性越差，分散缩孔也多，凝固后的枝晶偏析也越严重，因此合金的铸造性差。共晶成分合金的熔点低，且凝固是在恒温下进行，流动性最好，分散缩孔少，热裂倾向也小，所以，铸造合金一般选用接近共晶成分的合金。同时，按铁碳合金相图可确定合适的浇注温度，一般在液相线以上50℃～100℃。

3．在热处理方面的应用

相图是制定热处理工艺的重要依据。由相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，故钢和铸铁可以进行退火、正火、淬火和回火等热处理。另外，碳和其他合金元素可以溶解于奥氏体中，溶解度随温度升高而增加，这就是钢可以进行渗碳处理和其他化学热处理的原因。这方面的应用将在第二章中详细介绍。

4．在锻造方面的应用

室温时碳钢是由渗碳体和铁素体组成的双相组织，塑性差，变形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态，才具有较好的塑性，易于塑性变形。温度越高，塑性越好，越易产生塑性变形。因此，钢材在进行锻造和轧制时，要将坯料加热到单相奥氏体温度。一般始锻温度控制在固相线以下100℃～200℃范围内；终锻温度，对于亚共析钢应控制在稍高于GS线以上；对于过共析钢应控制在稍高于PSK线以上。

问题讨论

1．什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示？

2．什么是硬度，HBS、HBW、HRC各代表用什么方法测出的硬度？各种硬度测试方法的特点有何不同？

3．简述各力学性能指标是在什么载荷作用下测试的？

4．试对晶体、晶格、晶胞、单晶体和多晶体作简单解释。

5．常见金属晶格类型有哪几种？试绘图说明。

6．晶体的各向异性是如何产生的？为何实际晶体一般都显示不出各向异性？

7．实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？对性能有何影响？

8．什么是过冷度？过冷度和冷却速度有何关系？

9．晶粒大小对力学性能有何影响，控制晶粒大小的途径有哪些？

10．什么是固溶体、金属化合物和多相复合组织？它们在晶体结构上有什么特点？

11．解释下列概念，并说明其性能和显微组织特征：铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，莱氏体。

12．根据Fe－Fe3C相图，确定下列三种钢在给定温度时的组织。

13．说明下列各渗碳体的生成条件及显微组织形态：一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体。

14．根据Fe－Fe3C相图解释下列现象：

（1）在进行热轧和锻造时，通常将钢材加热到1 000℃～1 250℃。

（2）钢铆钉一般用低碳钢制作。

（3）在1 100℃时，wC＝0．4%的碳钢能进行锻造，而wC＝4．0%的铸铁不能进行锻造。

（4）钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。

（5）在室温下wC＝0．8%的碳钢比wC＝1．2%的碳钢强度高。