工程材料课件ch02.2合金的结晶

2 22 2合金的结晶合金的结晶 2 2 1 二元合金的结晶 2 一 发生匀晶反应的合金的结晶 2 二 发生共晶反应的合金的结晶 4 三 发生包晶反应的合金的结晶 7 四 发生共析反应的合金的结晶 8 五 含有稳定化合物的合金的结晶 9 2 2 2 合金的性能与相图的关系 10 一 合金的使用性能与相图的关系 10 二 合金的工艺性能与相图的关系 11 2 2 3 铁碳合金的结晶 12 一 铁碳相图 老师提示 重点内容 12 二 典型铁碳合金的平衡结晶过程 17 三 铁碳合金的成分 组织 性能关系 24 四 Fe Fe3C 相图的应用 26 合金的结晶过程较为复杂 通常运用合金相图来分析合金的结晶过程 相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图 也称为 平衡图或状态图 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到 一种状态 此时合金系的状态稳定 不随时间而改变 合金在极其缓慢冷却的条件下的结 晶过程 一般可以认为是平衡的结晶过程 在常压下 二元合金的相状态决定于温度和成分 因此二元合金相图可用温度 成分坐 标系的平面图来表示 铜镍二元合金相图是一种最简单的基本相图 图中的每一点表示一定成分的合金在一定 温度时的稳定相状态 例如 A点表示 Ni 的质量分数为 30 的铜镍合金在 1200 时处于液相 L 固相 的两相状态 B点表示 Ni 的质量分数为 60 的铜镍合金在 1000 时处于单一 固相状 态 2 2 1 二元合金的结晶二元合金的结晶 一 发生匀晶反应的合金的结晶一 发生匀晶反应的合金的结晶 1 1 发生匀晶反应的合金的结晶过程发生匀晶反应的合金的结晶过程 Cu Ni 相图为典型的匀晶相图 相图中aa1c 线为液相线 该线以上合金处于液相 ac1c 为固相线 该线以下合金处 于固相 液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔 化的终点和始点 单相区 L 为液相 是 Cu 和 Ni 形成的液溶体 为固相 是 Cu 和 Ni 组成的无限固溶体 双相区 L 相区 Fe Cr Au Ag 合金也具有匀晶相图 以 b 点成分的合金 Ni 含量为 b 为例分析结晶过程 在 1 点温度以上 合金为液相 L 缓慢冷却至 1 2 温度之间时 合金发生匀晶反应 L 从液相中逐渐结晶出 固溶体 2 点温度以下 合金全部结晶为 固溶体 其 它成分合金的结晶过程也完全类似 2 2 匀晶结晶特点匀晶结晶特点 1 生核与长大 与纯金属一样 固溶体从液相中结晶出来的过程中 也包括有生 核与长大两个过程 但固溶体更趋于呈树枝状长大 2 变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进行 即为一个变温结晶过程 3 两相的成分确定 在两相区内 温度一定时 两相的成分 即 Ni 含量 是确定的 确定相成分的方法是 过指定温度T1作水平线 分别交液相线和固相线于 a1点 c1点 则 a1点 c1点成分轴上的投影点即相应为 L相和 相的成分 随着温度的下降 液相成 分沿液相线变化 固相成分沿固相线变化 到温度T2 时 L相成分及 相成分分别为 a2和 c2点在成分轴上的投影 4 两相的质量比一定 在两相区内 温度一定时 两相的质量比是一定的 如在 T1 温度时 两相的质量比可用下式表达 式中 QL为 L相的质量 Q 为 相的质量 b1c1 a1b1 为线段长度 可用其浓度坐 标上的数字来度量 上式可写成 这个式子与力学中的杠杆定律相似 因而亦被称作杠杆定律 由杠杆定律不难算出合 金中液相和固相在合金中所占的相对质量 即质量分数 运用杠杆定律时要注意 它只适用于相图中的两相区 并且只能在平衡状态下使用 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点 而支点为合金的成分点 杠杆定律证明 5 容易产生枝晶偏析 由于固溶体结晶时成分变化 缓慢冷却时原子的扩散能充分 进行 形成的是成分均匀的固溶体 如果冷却较快 原子扩散不能充分进行 则形成成分 不均匀的固溶体 先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多 后结晶的树枝晶晶枝含低熔点 组元较多 结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均 这种现象称为枝晶偏析 枝晶偏 析对材料的机械性能 抗腐蚀性能 工艺性能都不利 生产上为了消除其影响 常把合金 加热到高温 低于固相线 100 左右 并进行长时间保温 使原子充分扩散 获得成分均 匀的固溶体 这种处理称为扩散退火 Cu Ni 合金枝晶偏析示意图 二 发生共晶反应的合金的结晶二 发生共晶反应的合金的结晶 Pb Sn 合金相图中有三种相 Pb 与 Sn 形成的液溶体 L 相 Sn 溶于 Pb 中的有限固溶体 相 Pb 溶于 Sn 中的有限固溶体 相 相图中有三个单相区 L 三个双相区 L L 一条 L 的三相共存线 水平线cde 这种相图称为共晶相图 Al Si Ag Cu 合金也具有共晶相图 Pb Sn 合金相图 d点为共晶点 表示此点成分 共晶成分 的合金冷却到此点所对应的温度 共晶温度 时 共同结晶出 c点成分的 相和e点成分的 相 一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应 所生成的两相混合物叫 共晶体 发生共晶反应时有三相共存 它们各自的成分是确定的 反应在恒温下平衡地进 行 水平线 cde为共晶反应线 成分在ce之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应 cf线为 Sn 在 Pb 中的溶解度线 或 相的固溶线 温度降低 固溶体的溶解度下降 Sn 含量大于 f 点的合金从高温冷却到室温时 从 相中析出 相以降低 相中 Sn 含量 从固态 相中析出的 相称为二次 写作 II 这种二次结晶可表达为 II eg线为 Pb 在 Sn 中溶解度线 或 相的固溶线 Sn 含量小g点的合金 冷却过程中 同样发生二次结晶 析出二次 1 1 合金合金 I I 的平衡结晶过程的平衡结晶过程 合金 I 的结晶过程 液态合金冷却到 1 点温度以后 发生匀晶结晶过程 至 2 点温度合金完全结晶成 固 溶体 随后的冷却 2 3 点间的温度 相不变 从 3 点温度开始 由于 Sn 在 中的溶 解度沿 cf 线降低 从 中析出 II 到室温时 中 Sn 含量逐渐变为f点 最后合金得 到的组织为 II 其组成相是 f点成分的 相和 g点成分的 相 运用杠杆定律 两相的质量分数为 合金室温组织由 和 II组成 和 II即为组织组成物 组织组成物是指合金组织 中那些具有确定本质 一定形成机制的特殊形态的组成部分 组织组成物可以是单相 或 是两相混合物 合金 I 的室温组织组成物 和 II皆为单相 所以它的组织组成物的质量分数与组 成相的质量分数相等 2 2 合金合金 IIII 的结晶过程的结晶过程 共晶合金的结晶过程示意图 合金 II 为共晶合金 合金从液态冷却到 1 点温度后 发生共晶反应 L 经一定时间到 1 时反应结束 全部转变为共晶体 从共晶温度冷却至室温时 共 晶体中的 和 均发生二次结晶 从 中析出 二次 从 中析出二次 的成 分由c点变f点 的成分由 e点变为 g点 两种相的相对重量依杠杆定律变化 由于析 出的 二次 和 二次 都相应地同 和 相连在一起 共晶体的形态和成分不发生变 化 合金的室温组织全部为共晶体 即只含一种组织组成物 其组成相仍为 和 相 共晶合金组织的形态 3 3 合金合金 的结晶过程的结晶过程 亚共晶合金的结晶过程示意图 合金 是亚共晶合金 合金冷却到 1 点温度后 由匀晶反应生成 固溶体 叫初生 固溶体 从 1 点到 2 点温度的冷却过程中 按照杠杆定律 初生 的成分沿 ac线变化 液相成分沿 ad 线变化 初生 逐渐增多 液相逐渐减少 当刚冷却到 2 点温度时 合 金由c点成分的初生 相和d 点成分的液相组成 然后液相进行共晶反应 但初生 相不变化 经一定时间到 2 点共晶反应结束时 合金转变为 从共晶温度 继续往下冷却 初生 中不断析出 成分由 c点降至 f点 共晶体 形态 成分和总量 保持不变 合金的室温组织为初生 二次 合金的组成相为 和 它们的质量分数为 成分在 cd之间的所有亚共晶合金的结晶过程与合金 相同 仅组织组成物和组成相 的质量分数不同 成分越靠近共晶点 合金中共晶体的含量越多 合金的组织组成物质量分数可应用杠杆定律求得 位于共晶点右边 成分在 de之间的合金为过共晶合金 例如图中的合金 结晶过 程与亚共晶合金相似 室温组织为初生 二次 亚共晶合金组织 过共晶合金组织 三 发生包晶反应的合金的结晶三 发生包晶反应的合金的结晶 Pt Ag Ag Sn Sn Sb 合金具有包晶相图 Pt Ag 合金相图中存在三种相 Pt 与 Ag 形成的液溶体 L 相 Ag 溶于 Pt 中的有限固溶体 相 Pt 溶于 Ag 中的有限固溶体 相 e点为包晶点 e点成分的合金冷却到 e点所对应的温度 包晶温度 时发生包晶反应 L 发生包晶反应时三相共存 它们的成分确定 反应在恒温下平衡地进行 水 平线ced 为包晶反应线 cf为 Ag 在 中的溶解度线 eg为 Pt 在 中的溶解度线 Pt Ag 合金相图 合金 I 的结晶过程 合金冷却到 1 点温度以下时结晶出 固溶体 相成分沿 ac线 变化 L 相成分沿ad 线变化 合金刚冷到 2 点温度而尚未发生包晶反应前 由 c点成分 的 相与d 点成分的 L 相组成 此两相在e 点温度时发生包晶反应 L 相包围 相而 形成 反应结束后 L 相与 相正好全部反应耗尽 形成e 点成分的 固溶体 温 度继续下降 从 中析出二次 最后室温组织为 二次 其组成相和组织组 成物的成分和质量分数可根据杠杆定律来确定 四 发生共析反应的合金的结晶四 发生共析反应的合金的结晶 下图中的下半部为共析相图 其形状与共晶相图类似 共析相图 d 点成分 共析成分 的合金从液相经过匀晶反应生成 相后 继续冷却到d 点温度 共析温度 时 在此恒温下发生共析反应 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相 此两相混合物称为共析体 共析 相图中各种成分合金的结晶过程的分析与共晶相图相似 但因共析反应是在固态下进行的 所以共析产物比共晶产物要细密得多 五 含有稳定化合物的合金的结晶五 含有稳定化合物的合金的结晶 在某些二元合金中 常形成一种或几种稳定化合物 这些化合物具有一定的化学成分 固定的熔点 且熔化前不分解 也不发生其它化学反应 例如 Mg Si 合金 就能形成稳定 化合物 Mg2Si Mg Si 合金相图属于含有稳定化合物的相图 含有稳定化合物的相图 在分析这类相图时 可把稳定化合物看成为一个独立的组元 并将整个相图分割成几 个简单相图 因此 Mg Si 相图可分为 Mg Mg2Si 和 Mg2Si Si 两个相图来进行分析 老师提示老师提示 合金的性能取决于它的成分和组织 相图则可反映不同成分的合金在室温时 的平衡组织 因此 具有平衡组织的合金的性能与相图之间存在着一定的对应关系 2 2 2 合金的性能与相图的关系 一 合金的使用性能与相图的关系一 合金的使用性能与相图的关系 具有匀晶相图 共晶相图的合金的机械性能和物理性能随成分而变化的一般规律见下 图 固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关 溶质的溶入量越多 晶格畸变越大 则合金 的强度 硬度越高 电阻越大 当溶质原子含量大约为 50 时 晶格畸变最大 而上述性 能达到极大值 所以性能与成分的关系曲线具有透镜状 两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化 两相单独的性能已知后 合金的某些性能可按组成相性能依百分含量的关系叠加的办法求出 例如硬度 对组织较敏感的某些性能如强度等 与组成相或组织组成物的形态有很大关系 组成 相或组织组成物越细密 强度越高 见图中虚线 当形成化合物时 则在性能 成分曲线上 于化合物成分处出现极大值或极小值 合金的使用性能与相图的关系示意图 二 合金的工艺性能与相图的关系二 合金的工艺性能与相图的关系 合金的铸造性能与相图的关系 纯组元和共晶成分的合金的流动性最好 缩孔集中 铸造性能好 相图中液相线和固 相线之间距离越小 液体合金结晶的温度范围越窄 对浇注和铸造质量越有利 合金的液 固相线温度间隔大时 形成枝晶偏析的倾向性大 同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体 的流动 而降低其流动性 增多分散缩孔 所以 铸造合金常选共晶或接近共晶的成分 单相合金的锻造性能好 合金为单相组织时变形抗力小 变形均匀 不易开裂 因而 变形能力大 双相组织的合金变形能力差些 特别是组织中存在有较多的化合物相时 因 为它们都很脆 合金的铸造性能与相图的关系示意图 2 2 3 铁碳合金的结晶铁碳合金的结晶 一 铁碳相图一 铁碳相图 老师提示 老师提示 重点内容重点内容 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础 对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制 订也具有重要的指导意义 铁和碳可以形成一系列化合物 如 Fe3C Fe2C FeC 等 有实用意义并被深入研究的 只是 Fe Fe3C 部分 通常称其为 Fe Fe3C 相图 此时相图的组元为 Fe 和 Fe3C Fe Fe3C 相图 Fe Fe3C 相图中各点的温度 碳质量分数及含义 符号 温度 碳质量分数 C 含 义 A 1538 0 纯铁的熔点 B 1495 0 53 包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4 30 共晶点 Lc AE Fe3C D 1227 6 69 Fe3C 的熔点 E 1148 2 11 碳在 Fe 中的最大溶解度 F 1148 6 69 Fe3C 的成分 G 912 0 Fe Fe 同素异构转变点 A3 H 1495 0 09 碳在 Fe 中的最大溶解度 J 1495 0 17 包晶点 LB H AJ K 727 6 69 Fe3C 的成分 N 1394 0 Fe Fe 同素异构转变点 A4 P 727 0 0218 碳在 Fe 中的最大溶解度 S 727 0 77 共析点 A1 AS FP Fe3C Q 600 0 0057 600 时碳在 Fe 中的溶解度 室温 0 0008 1 1 铁碳合金的组元铁碳合金的组元 1 Fe 铁是过渡族元素 熔点或凝固点为 1538 相对密度是 7 87g cm3 纯铁从 液态结晶为固态后 继续冷却到 1394 及 912 时 先后发生两次同素异构转变 纯铁是如何结晶的 工业纯铁的机械性能特点是强度低 硬度低 塑性好 主要机械性能如下 抗拉强度 b 180 MPa 230 MPa 屈服强度 0 2100 MPa 170 MPa 延伸率 30 50 断面收缩率 70 80 冲击韧度 ak 1 6 106 J m2 2 106 J m2 硬度 50 HB 80 HB 2 Fe3CFe3C 是 Fe 与 C 的一种具有复杂结构的间隙化合物 通常称为渗碳体 用 Cm 表示 渗碳体的机械性能特点是硬而脆 大致性能如下 抗拉强度极限 b 延伸率 断面收缩率 冲击韧性ak 硬度 30 MPa 0 0 0 800 HB 2 2 铁碳合金中的相铁碳合金中的相 Fe Fe3C 相图中存在五种相 1 液相 L 液相 L 是铁与碳的液溶体 2 相 相又称高温铁素体 是碳在 Fe 中的间隙固溶体 呈体心立方晶格 在 1394 以上存在 在 1495 时溶碳量最大 为 0 09 3 相 相也称铁素体 用符号 F 或 表示 是碳在 Fe 中的间隙固溶体 呈体心立方晶格 铁素体中碳的固溶度极小 室温时约为 0 0008 600 时为 0 0057 在 727 时溶碳量最大 为 0 0218 铁素体的性能特点是强度低 硬度低 塑性好 其 机械性能与工业纯铁大致相同 4 相 相常称奥氏体 用符号 A 或 表示 是碳在 Fe 中的间隙固溶体 呈面心立方晶格 奥氏体中碳的固溶度较大 在 1148 时溶碳量最大达 2 11 奥氏体的 强度较低 硬度不高 易于塑性变形 5 Fe3C 相 Fe3C 相是一个化合物相 其晶体结构和性能已于前述 渗碳体根据生成 条件不同有条状 网状 片状 粒状等形态 对铁碳合金的机械性能有很大影响 3 3 相图中重要的点和线相图中重要的点和线 1 重要的点 J为包晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到 1495 时 B点成分的L与 H 点成分的 发生包晶反应 生成J点成分的 A C点为共晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到 1148 时 C点成分的 L 发生共晶反应 生成E点成分的 A 和 Fe3C 共晶反应在恒温下进行 反应过程中 L A Fe3C 三相共存 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物 称莱氏体 以符号 Le 表示 莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体 在显微镜下莱氏体的形态是 块状或粒状 A 室温时 转变成珠光体 分布在渗碳体基体上 S 点为共析点 合金在平衡结晶过程中冷却到 727 时 S点成分的 A 发生共析反应 生成P点成分的 F 和 Fe3C 共析反应在恒温下进行 反应过程中 A F Fe3C 三相共存 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物 称珠光体 以符号 P 表示 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体 在显微镜下珠光体的形态呈层片状 在放大倍数很 高时 可清楚看到相间分布的渗碳体片 窄条 与铁素体片 宽条 珠光体的强度较高 塑性 韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间 其机械性能如下 抗拉强度极限 b 冲击韧性 ak 延伸率 硬度 770 MPa 3 105 J m2 4 105 J m2 20 35 180 HB 2 Fe Fe3C 相图中重要的线 水平线HJB为包晶反应线 碳质量分数为 0 09 0 53 的铁碳合金在平衡结晶过程中 均发生包晶反应 水平线ECF为共晶反应线 碳质量分数在 2 11 6 69 之间的铁碳合金 在平衡结晶 过程中均发生共晶反应 水平线PSK为共析反应线 碳质量分数为 0 0218 6 69 的铁碳合金 在平衡结晶过 程中均发生共析反应 PSK线亦称A1线 GS线 是合金冷却时自 A 中开始析出 F 的临界温度线 通常称A3线 ES线 是碳在 A 中的固溶线 通常叫做Acm线 由于在 1148 时 A 中溶碳量最大可 达 2 11 而在 727 时仅为 0 77 因此碳质量分数大于 0 77 的铁碳合金自 1148 冷 至 727 的过程中 将从 A 中析出 Fe3C 析出的渗碳体称为二次渗碳体 Fe3CII Acm线 亦为从 A 中开始析出 Fe3CII的临界温度线 PQ线 是碳在 F 中固溶线 在 727 时 F 中溶碳量最大可达 0 0218 室温时仅 为 0 0008 因此碳质量分数大于 0 0008 的铁碳合金自 727 冷至室温的过程中 将从 F 中析出 Fe3C 析出的渗碳体称为三次渗碳体 Fe3CIII PQ线亦为从 F 中开始析出 Fe3CIII 的临界温度线 Fe3CIII数量极少 往往予以忽略 二 典型铁碳合金的平衡结晶过程二 典型铁碳合金的平衡结晶过程 根据 Fe Fe3C 相图 铁碳合金可分为三类 1 工业纯铁 w C 0 0218 2 钢 0 0218 w C 2 11 亚共析钢 0 0218 w C 0 77 共析钢 w C 0 77 过共析钢 0 77 w C 2 11 3 白口铸铁 2 11 w C 6 69 亚共晶白口铸铁 2 11 w C 4 3 共晶白口铸铁 w C 4 3 过共晶白口铸铁 4 3 w C 6 69 几种碳钢的钢号和碳质量分数 类型 亚共析钢 共析钢 过共析钢 钢号 20 45 60 T8 T10 T12 碳质量分数 0 20 0 45 0 60 0 80 1 00 1 20 下面分别对图中七种典型铁碳合金的结晶过程进行分析 典型铁碳合金在 Fe Fe3C 相图中的位置 1 1 工业纯铁工业纯铁 w w C C 0 0218 0 0218 平衡结晶过程平衡结晶过程 以碳质量分数为 0 01 的铁碳合金为例 其平衡结晶过程为 合金在 1 点以上为液相 L 冷却至稍低于 1 点时 开始从 L 中结晶出 至 2 点合 金全部结晶为 从 3 点起 逐渐转变为 A 至 4 点全部转变完了 4 5 点间 A 冷却不变 自 5 点始 从 A 中析出 F F 在 A 晶界处生核并长大 至 6 点 时 A 全部转变为 F 在 6 7 点间 F 冷却不变 在 7 8 点间 从 F 晶界析出 Fe3CIII 因此合金的室温平衡组织为 F Fe3CIII F 呈白色块状 Fe3CIII量极少 呈小白片状分 布于 F 晶界处 若忽略 Fe3CIII 则组织全为 F 室温平衡 铁素体 2 2 共析钢共析钢 w w C C 0 77 0 77 平衡结晶过程平衡结晶过程 老师提示 重点内容 碳质量分数为 0 77 的钢为共析钢 其平衡结晶过程为 合金冷却时 于 1 点起从 L 中结晶出 A 至 2 点全部结晶完了 在 2 3 点间 A 冷却不变 至 3 点时 A 发生共析反应生成 P 从 3 继续冷却至 4 点 P 不发生转变 因此共析 钢的室温平衡组织全部为 P P 呈层片状 共析钢的室温组织 共析钢的室温组织组成物全部是 P 而组成相为 F 和 Fe3C 它们的质量分数为 3 3 亚共析钢亚共析钢 0 0218 0 0218 w w C C 0 77 0 77 平衡结晶过程平衡结晶过程 以碳质量分数为 0 4 的铁碳合金为例 平衡结晶过程 合金冷却时 从 1 点起自 L 中结晶出 至 2 点时 L 的碳质量分数变为 0 53 的碳质量分数变为 0 09 发生包晶反应生成 A0 17 反应结束后尚有多余的 L 2 点以下 自 L 中不断结晶出 A 至 3 点合金全部转变为 A 在 3 4 点间 A 冷却不变 从 4 点起 冷却时由 A 中析出 F F 在 A 晶界处优先生核并 长大 而 A 和 F 的成分分别沿GS和GP线变化 至 5 时 A 的碳质量分数变为 0 77 F 的碳质量分数变为 0 0218 此时 A 发生共析 反应 转变为 P F 不变化 从 5 继续冷却至 6 点 合金组织不发生变化 因此室温平衡组织为 F P F 呈白色块 状 P 呈层片状 放大倍数不高时呈黑色块状 碳质量分数大于 0 6 的亚共析钢 室温平 衡组织中的 F 常呈白色网状 包围在 P 周围 温室平衡组织 铁素体 珠光体 含 0 4 C 的亚共析钢的组织组成物为 F 和 P 它们的质量分数为 钢的组成相为 F 和 Fe3C 它们的质量分数为 亚共析钢的碳质量分数可由其室温平衡组织来估算 若将 F 中的碳含量忽略不计 则钢 中的碳含量全部在 P 中 因此由钢中 P 的质量分数可求出钢的碳质量分数 C P 0 77 式中 C 表示钢的碳质量分数 P 表示钢中 P 的质量分数 由于 P 和 F 的密度相近 钢中 P 和 F 的质量分数 P 和 F 的面积百分数来估算 4 4 过共析钢过共析钢 0 77 0 77 w w C C 2 11 2 11 平衡结晶过程平衡结晶过程 以碳质量分数为 1 2 的铁碳合金为例 其平衡结晶过程为 合金冷却时 从 1 点起自 L 中结晶出 A 至 2 点全部结晶完了 在 2 3 点间 A 冷却不 变 从 3 点起 由 A 中析出 Fe3CII Fe3CII呈网状分布在 A 晶界上 至 4 点时 A 的碳质量分 数降为 0 77 4 4 发生共析反应转变为 P 而 Fe3CII不变化 在 4 5 点间冷却时组 织不发生转变 因此室温平衡组织为 Fe3CII P 在显微镜下 Fe3CII呈网状分布在层片状 P 周围 室温平衡组织 珠光体 二次渗碳体 含 1 2 C 的过共析钢的组成相为 F 和 Fe3C 组织组成物为 Fe3CII和 P 它们的质量分 数为 5 5 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 w w C 4 3 C 4 3 平衡结晶过程平衡结晶过程 合金在 1 点发生共晶反应 由 L 转变为 高温 莱氏体 Le 即 A Fe3C 1 2 点间 Le 中的 A 不断析出 Fe3CII Fe3CII与共晶 Fe3C 相连 在显微镜下无法分辨 但此时的莱氏 体由 A Fe3CII Fe3C 组成 由于 Fe3CII的析出 至 2 点时 A 的碳质量分数降为 0 77 并 发生共析反应转变为 P 高温莱氏体 Le 转变成低温莱氏体 Le P Fe3CII Fe3C 从 2 至 3 点组织不变化 所以室温平衡组织仍为 Le 由黑色条状或粒状 P 和白色 Fe3C 基体 组成 共晶白口铸铁的组织组成物全为 Le 而组成相还是 F 和 Fe3C 共晶白口铸铁室温平衡组织 130 6 6 亚共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 2 11 2 11 w w C 4 3 C 4 3 平衡结晶过程 平衡结晶过程 以碳质量分数为 3 的铁碳合金为例 合金自 1 点起 从 L 中结晶出初生 A 至 2 点时 L 的碳质量分数变为 4 3 A 的碳质 量分数变为 2 11 此时 L 发生共晶反应转变为 Le 而 A 不参与反应 在 2 3 点间继续 冷却时 初生 A 不断在其晶界上析出 Fe3CII 同时 Le 中的 A 也析出 Fe3CII 至 3 点温度时 所有 A 的碳质量分数均变为 0 77 初生 A 发生共析反应转变为 P 高温莱氏体 Le 也转变 为低温莱氏体 Le 在 3 点以下到 4 点 冷却不引起转变 因此室温平衡组织为 P Fe3CII Le 网状 Fe3CII分布在粗大块状 P 的周围 Le 则由条状或粒状 P 和 Fe3C 基体组 成 亚共晶白口铸铁的组成相为 F 和 Fe3C 组织组成物为 P Fe3CII和 Le 亚共晶白口铸铁室温平衡组织 130 过共晶白口铸铁室温平衡组织 130 7 7 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4 3 C 6 69 4 3 C 6 69 平衡结晶过程平衡结晶过程 合金先从 L 中结晶出 Fe3CI 然后 L 发生共晶反应转变为 Le 到共析温度时高温莱氏 体 Le 转变为低温莱氏体 Le 过共晶白口铸铁的室温平衡组织为 Fe3CI Le Fe3CI呈长 条状 Le 由黑色条状或粒状 P 和白色 Fe3C 基体组成 根据以上对铁碳合金结晶过程的分析将组织标注在铁碳相图中 标注组织的 Fe Fe3C 相图 三 铁碳合金的成分三 铁碳合金的成分 组织组织 性能关系性能关系 按照铁碳相图 铁碳合金在室温下的组织都由 F 和 Fe3C 两相组成 两相的质量分数 由杠杆定律确定 随碳含量的增加 F 的量逐渐变少 由 100 按直线关系变至 0 碳质量 分数为 6 69 C 时 Fe3C 的量则逐渐增多 由 0 按直线关系变至 100 在室温下 碳含量不同时 不仅 F 和 Fe3C 的质量分数变化 而且两相相互组合的形态 即合金的组织也在变化 随碳含量增大 组织按下列顺序变化 F F P P P Fe3CII P Fe3CII Le Le Le Fe3CI Fe3C 各个区间的组织组成物的质量分数用杠杆定律求出 碳质量分数小于 0 0218 的合金 的组织全部为 F 0 77 C 时全部为 P 4 3 C 时全部为 Le 6 69 C 时全部为 Fe3C 在上 述碳含量之间 则为相应组织组成物的混合物 铁碳合金的成分一组织一性能的对应关系 相图的形状与合金的性能之间存在一定的对应关系 硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数 随碳含量的增加 由 于硬度高的 Fe3C 增多 硬度低的 F 减少 合金的硬度呈直线关系增大 由全部为 F 的硬度 约 80 HB 增大到全部为 Fe3C 时的约 800 HB 强度是一个对组织形态很敏感的性能 随碳含量的增加 亚共析钢中 P 增多而 F 减少 P 的强度比较高 其大小与细密程度有关 组织越细密 则强度值越高 F 的强度较低 所 以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大 但当碳质量分数超过共析成分之后 由于强度 很低的 Fe3CII沿晶界出现 合金强度的增高变慢 到约 0 9 C 时 Fe3CII沿晶界形成完整 的网 强度迅速降低 随着碳质量分数的进一步增加 强度不断下降 到 2 11 C 后 合金 中出现 Le 时 强度已降到很低的值 再