第5讲-金属材料组织和性能控制-2.doc

金属材料组织和性能控制原理和方法v 加工（应变）硬化和退火处理 v 凝固原理及其应用 三、合金的结晶v 工业上广泛使用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织和性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。v 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时可能发生的变化。v 掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。首先介绍几个概念：v 相：是系统中均匀的、与其它部分有界面分开的部分。所谓均匀的，是指这部分的成分和性质从给定范围或者宏观来说是相同的，或是以一种连续的方式变化，也就是没有突然的变化。 一个多相系统必然是不均匀的，在相界处有物理性质或者化学性质或者两者兼有的突变。例如一个包含有冰和水的两相系统。v 相变：相与相之间的转变就是相变。v 相平衡：如果系统中各相长时期共存而不相互转化，则是处于相平衡状态。实际上相平衡是一种动态平衡，从系统内部来看，分子或原子仍在相界处不停地转变，只不过同一时期内各相之间的转化速度相同。 合金可以依据其所含的相的数目来分类，如果合金仅由一个相组成，就叫做单相合金。如果合金由两相或者两个以上的相组成，则叫做多相合金。 处于平衡状态下的多相系统，每个组元在各相中的化学位都彼此相等，这就是合金的相平衡条件。 相图的表示和试验测定方法v 单元相图： 以水为例，说明单元系相图的表示和测定方法。 绘制水的相图，首先要在不同的温度和压力条件下，测出水-汽、冰-汽、水-冰两相平衡时的温度和压力，然后以温度为横坐标，压力为纵坐标，把每一个数据都在图上标出一个点，再将这些点连接起来，就成了单元相图。 如图5-2（a）中有三条曲线：水与蒸汽两相平衡曲线OC，冰与蒸汽两相平衡曲线OB，水与冰两相平衡曲线OA。它们将相图分成三个区域：蒸汽区、水区、冰区。在每个区域中只有一个相可以存在，也就是说压力和温度可在一定范围内任意变动，而不产生新相。而在OA、OB、OC三条曲线上，如果任意指定一个变量如温度，那么第二个变量压力的数值则完全由曲线确定。而OA、OB、OC三条曲线交于一点O，它是冰、水、汽三相平衡点，要保持三相平衡共存，温度和压力都不能变动。 如果外界压力保持为一个大气压，那么单元系相图只用一个温度轴来表示，如图5-2（b）水的情况。在水、冰、汽各单相区，温度可在一定范围内变化，而不改变原来相数和状态。在熔点和沸点处，为两相共存，温度不能变动，所以相变为恒温过程。v 二元系相图 二元系相图不同于单元系相图，它有成分的变化。此时，如果外界压力保持不变，则二元相图需要用两个坐标轴来表示：纵坐标表示温度，横坐标表示成分。 如果合金由A、B两组元组成，横坐标一段表示纯组元A，而另一端表示纯组元B，那么任何一个合金都可以在横坐标上找到相应的一点。 任一成分的合金在任一温度下，都能在温度-成分坐标图中找出相应的一点，由此可以从相图上得知这种合金在一定温度下存在的相及各相成分。 二元相图是根据各种成分合金的临界点绘出的。现以Cu-Ni二元合金为例，说明应用热分析法测定临界点及绘制二元相图的过程。v 首先配制一系列不同成分的Cu-Ni合金，测出从液态到室温的冷却曲线，得出各临界点。图5-4（a）给出纯铜、含镍30%、50%、70%的Cu-Ni合金及纯镍的冷却曲线。 可见，纯镍和纯铜的冷却曲线都有一个水平平台，表示其凝固临界点。其他三种成分的合金没有水平阶段，但都有两次转折，代表各个临界点，温度较高的临界点是始凝温度，温度较低的点是终凝温度。这表明合金是在一定温度范围内凝固的。v 然后，将测得的这些临界点标在以温度为纵坐标、成分为横坐标的图中，再将同类临界点连接起来，就得到图5-4(b)所示的铜-镍二元相图。 在相图中，由始凝温度连接起来的相界面称为液相线，由终凝温度连接起来的叫做固相线。相图中由相界线划出的区域叫做相区，表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。 在二元相图中，有单相区和两相区。二元相图的相区最多有两个相。若是在单相区，合金在此相区范围内可独立改变温度和成分，而不破坏原来的状态。若为两相区，则温度和两相成分有着对应关系，不能各自独立地改变。若在合金中有三相共存，此时三个平衡相的成分和温度都固定不变，属于恒温转变，在相图上为水平线，叫三相水平线。如图5-5中CED线。v 杠杆法则: 某一成分的二元合金，在某温度时，如处于二元相图的两相区内，则两相之间的重量比可用杠杆法则求得。 如图5-5中成分为x的合金溶液自高温缓冷下来，到温度T1时，与液相线交于1点，开始结晶出固相，其成分可由水平线与固相线之交点H来表示。 进一步冷却时，液、固两相成分分别沿液相线和固相线变化。如当冷至温度T2时，液相的成分以N点表示，即浓度为x1，固相的成分用M点来表示，即浓度为x2。设此时液、固相的重量分别为WL和Wa，合金总重量为W0，则 这就是杠杆法则，某一成分的二元合金在某温度时，如由两相组成，则两相之间的重量比可由相图求得：在此温度作一水平线，与该两相区的相界线相交，两交点内水平线被合金的成分垂线分成两段，两相的重量比与这两线段的长度成反比。 应当注意，在二元相图中杠杆法则只适用于两相区，其他均不使用。 1、匀晶结晶 由液相结晶出单相固溶体的过程，叫做匀晶转变。 绝大多数的二元合金相图都包括匀晶转变部分。有些二元合金如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni和Si-Be等，只发生匀晶转变。 Cu-Ni相图是最典型的匀晶相图。铜和镍两组元在液态和固态时都无限互溶。在图2-12中，aa1c线为液相线，该线以上合金处于液相。ac1c线为固相线，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。 L为液相，是铜和镍形成的液溶体。a为固相，是铜和镍组成的无限固溶体。图中有两个单相区，液相线以上的L相区，固相线以下的a相区。图中还有一个双相区：液相线和固相线之间的L+a相区。v 图2-12示意表示了Cu-Ni二元相图中b成分点的结晶过程。v 说明： 1）合金结晶过程和纯金属一样，也包括生核和长大两个基本过程。 2）固溶体结晶在一个温度范围内进行，也就是一个变温结晶过程。 3）两相区内，温度一定时，两相的成分由杠杆法则确定。 4）固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子的扩散能够充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却速度较快，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶含低熔点组元较多。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。 枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利，生产上常采用扩散退火的方法来减轻枝晶偏析。2、发生共晶反应合金的结晶 大多数二元合金的组元之间在液态时可以无限互溶，而在固态时只能有限溶解，当溶质的含量超出固溶体的溶解限度时，有些合金熔体在凝固过程中可能发生共晶转变：由一个液相同时结晶出两种成分不同的固相，该固相叫做共晶体。如，铁碳合金中的铸铁属于共晶合金。 二元共晶体是一种两相的机械混合物。 共晶合金一般具有良好的铸造性能和一定的机械性能，适于做铸件。 v 图5-44a）是Pb-Sn相图。Pb的熔点是327.5，Sn的熔点是231.9，当相互混熔时，使合金熔点降低。图中tAE和tBE为液相线，tAMENtB线为固相线。a和b是该合金系在固态时的两个基本组成相：a相是Sn溶于Pb中的固熔体，b相是Pb溶于Sn中的固溶体。MF及NG分别表示a固溶体和b固溶体的饱和溶解度曲线，也叫做固溶线。v 相图中的三个单相区是L、a和b相区。L+ a、L+b、a+b是两相区。MEN线为三相（L+ a +b）共存水平线。成份相当于E点的液相（LE），当冷却到这水平线相对应的温度时，将发生共晶转变。即，同时结晶出成分为M点的aN及N点的bN两个固溶体相，反应表达式为，v 共晶反应是在恒温下进行的，在相图中为一条水平线，称作共晶线。其特征如图5-44b)所示。 共晶线上联系着三个单相区，由每个相的成分点各伸出一对包含一个单相区的曲线。液相单相区在中间，位于共晶线之上，而两端是两个固体单相区。固体可以是纯金属、固溶体、中间相或者以中间相为基础的固溶体。v 书上图2-15中，介绍了合金、合金、合金的结晶过程。3、发生包晶反应合金的结晶 有些合金在凝固过程到达一定温度时，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相，会发生反应生成另一个固相，这种转变称为包晶转变。 图5-71a）为Pt-Ag相图。图中，ACB线是液相线，ADPB线是固相线，DE和PE分别是Ag在Pt中的a固溶体和Pt在Ag中的b固溶体的溶解限度曲线。水平线DPC就是包晶转变线，所有的成分在DC范围内的合金在此温度都将发生三相平衡的包晶转变，它也是恒温转变。包晶转变区的特征如图5-71b)所示，P点叫做包晶点。v 包晶转变和共晶转变的区别在于： 1）共晶反应的形式是 ，而包晶反应的形式是 。 2）共晶线上的所有合金都在共晶温度凝固完成，而包晶反应仅有DP范围的合金在包晶温度凝固完成， PC范围的合金在包晶反应后还有过剩的液体，这些液体在继续降低温度时会不断结晶出b固溶体，一直冷到PB线才完全凝固。 3）所有共晶反应后的合金组织都为两相混合物，而包晶反应后的合金组织，则只有DP段上的合金为两相混合物a+b，P成分合金为单相b，而PC线段上的合金在包晶反应后为 L+b。 4）共晶反应的液相成分点位于水平线中间，两个固相的成分点分别位于水平线的两端；而包晶反应的液相和一个固相（两个反应相）的成分点位于水平线两端，生成固相则位于水平线中间。v 书中图2-22和2-23图解了合金的结晶过程。4、发生共析反应的合金的结晶 图2-24的下半部为共析相图，其形状与共晶相图相似。区别在于它是一个固相在恒温下转变为另外两个固相，此两相混合物称为共析体。即，5、含有稳定化合物合金的结晶 在某些二元合金中，常形成一种或者几种稳定化合物。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。如图2-25为Mg-Si合金相图，属于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。四、相图的使用和分析1、复杂二元相图的分析方法原则 有许多二元相图看起来比较复杂，而实际上是一些基本相图的总和，只要掌握各类相图的特点和转变规律，就能化繁为简，易于分析。 在分析较为复杂的相图时，一般可参考以下步骤进行：1）先看相图中是否存在化合物，如有稳定化合物存在，则以这些化合物为界，把相图分成几个区域进行分析。2）区别各相区。3）找出三相共存水平线，根据与水平线相邻的相区情况，确定相变特性点及转变反应式，明确在这里发生的转变类型，这是分析复杂相图的关键步骤。 表5-1列出了二元系合金各类转变的图型，可用于帮助分析二元相图。 4）应用相图，分析具体合金随温度改变而发生的转变和组织变化规律。在单相区，该相的成分与原合金相同。在两相区，不同温度下两相成分均沿其相界线变化，两相的相对量由杠杆法则求得。三相平衡时，三个相的成分是固定的，反应前或反应后组成相的相对量也可由杠杆法则求得。 此外，在应用相图时，应注意以下两点： 1）相图只是给出合金在平衡条件下存在的相和相对量，并不表示相的形状、大小和分布，而这些主要取决于相的特性和形成条件。因此，在应用相图来分析实际问题时，既要注意合金中存在的相及形成条件，又要了解这些相的形状、大小和分布的变化对合金性能的影响，并考虑在实际生产条件下如何加以控制。 2）相图指标是平衡状态的情况，而实际生产条件下合金很少能达到平衡状态，因此，在结合相图来分析合金的生产问题时，要重视了解该合金在非平衡条件下可能出现的相和组织。2、相图对合金性能的预测 相图虽然有一定的局限性，但在许多方面仍是很有用的工具。 1）相图能够表明合金可以进行何种热处理并能够为制定热处理工艺提供参考。v 如对于没有固态相变的合金，只能进行消除枝晶偏析的扩散退火，其加热温度应选在固相线以下尽可能高的温度，但前提是不能使合金发生过烧。v 如合金具有同素异构转变时，可以通过重结晶退火或者正火使合金的晶粒细化。v 如当合金的固溶体在加热、冷却过程中有溶解度变化时，如图5-59所示，凡是成分位于ab之间或者略超过b的合金都有可能通过固溶处理（也就是说，加热到高温，使第二相溶入固溶体，然后淬火得到过饱和固溶体）以及随后的时效处理（在一定温度下，使B原子聚集或者析出），来提高强度。这种处理叫做时效强化。但对于含B量小于或者接近a的合金不可能采用这种强化方式。v 如对于某些同素异构转变如共析转变的合金，先经加热形成固溶体g相，然后快冷，则共析转变可能被抑制，而发生性质不同的亚稳定转变。钢在淬火时就发生这种转变。2）根据相图可以判断合金的性能 相图与合金在平衡状态下的性能之间有一定的联系。v 图5-96表示各类合金的相图和合金力学性能及物理性能之间的关系。可见，形成机械混合物的合金，其性能是组成相性能的平均值，即性能与成分呈直线关系。固溶体的力学性能及物理性能与成分呈曲线变化。当形成稳定化合物时，化合物的性能在曲线上出现奇点。在形成机械混合物的合金中，各相的分散度对组织敏感的性能有较大的影响。如共晶成分的合金，如果组成相细小分散，则其强度和塑性提高，如图上虚线所示。 从铸造工艺性能来看，共晶合金的熔点低，并且是恒温凝固，所以熔液的流动性比较好，而分散缩孔/缩松少，热裂和偏析倾向小。因此，铸造合金宜选用接近共晶成分的合金。v 图5-97表示合金的流动性、缩孔性质和相图的关系。 此图还表明，形成固溶体合金的流动性不如纯金属和共晶合金，而且液相线和固相线间隔越大，即结晶温度范围越大，形成枝晶偏析的倾向性越大，其流动性也差，分散缩孔多而集中缩孔小。五、铁碳相图和碳钢 碳钢和铸铁是使用最广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。 碳原子溶入a铁形成的固溶体，称为铁素体；碳原子溶于g铁形成的固溶体叫做奥氏体。 碳含量超过铁的溶解限度后，剩余的碳可能有两种存在方式：渗碳体或者石墨。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变，但Fe3C实际上是一个亚稳定相，在一定条件下可以分解为铁固溶体和石墨，因此，Fe-石墨系是更稳定的状态。按照这种情况，铁碳相图通常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨的双重相图，如图5-98所示。v Fe-Fe3C相图可分析如下：ABCD为液相线，AHJECF为固相线。整个相图由包晶、共晶和共析三个恒温转变等所组成。 （1）在HJB水平线（1495）发生包晶转变： 。转变产物是奥氏体。此转变仅发生在含碳0.090.53%的铁碳合金中。 （2）在ECF水平线（1148）发生共晶转变： 。转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，以符号Ld表示。含碳2.116.69%的铁碳合金都发生这个转变。 （3）在PSK水平线(727)发生共析转变： 。转变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，称作珠光体，以符号P表示。所有含碳量超过0.02%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度常标为A1温度。v 此外，Fe-Fe3C相图中还有三条重要的固态转变线： （1）GS线：奥氏体中开始析出铁素体或者铁素体全部溶入奥氏体的转变线，常称此温度为A3温度。 （2）ES线：碳在奥氏体中的溶解限度曲线，此温度叫做Acm温度。低于此温度时，奥氏体中将析出渗碳体，称作二次渗碳体Fe3C，以区别于从液体中经CD线析出的一次渗碳体Fe3C。 （3）PQ线：碳在铁素体中的溶解度线。在727时，碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，600时降为0.008%，因此，铁素体从727冷却下来时，也将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3C。 图中的MO线（770）表示铁素体的磁性转变温度，常叫做A2温度。230水平线表示渗碳体的磁性转变。1、典型铁碳合金的平衡凝固 通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即，含碳量小于2.11%为碳钢，含碳量大于2.11%，为铸铁。 按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，称为白口铸铁。 根据组织特征，可参照图2-30的Fe-Fe3C系相图，将铁碳合金按含碳量划分为7种类型： 1）工业纯铁，0.0218%C 2）共析钢，0.77%C 3）亚共析钢，0.02180.77%C 4）过共析钢，0.772.11%C 5）共晶白口铁，4.3%C 6）亚共晶白口铁，2.114.3%C 7）过共晶白口铸铁，4.36.69%C。 现对每种类型选择一个合金来分析其平衡凝固时的转变过程和室温组织。（1）含碳0.01%的合金（工业纯铁） 此合金在相图的位置见图2-31，结晶过程如图所示。合金熔液在12温度区间按匀晶转变结晶出d-Fe固溶体。冷却到3点时，开始发生固溶体的同素异构转变dg。奥氏体的晶核通常优先在d相的晶界上形成，然后长大。这一转变在4点结束，合金全部呈单相奥氏体。冷到56点间，又发生同素异构转变ga，变为铁素体。其同样在奥氏体晶界上优先形核长大。6点以下全部是铁素体。冷到7点时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和。在7点以下，将从铁素体中析出三次渗碳体Fe3C。（2）含碳0.77%的合金（共析钢） 此合金在相图中的位置见图2-32，结晶过程如图所示。在12点间，合金按匀晶转变结晶出奥氏体。在2点凝固完成，全部为奥氏体。冷到3点（727），在恒温下发生共析转变： ，转变产物为珠光体P,它是铁素体与渗碳体的层片状细密混合物。珠光体中的渗碳体叫做共析渗碳体。它经适当的退火处理后也可呈球粒状分布在珠光体的基体上，称作球状（粒状）珠光体。 珠光体中的铁素体和渗碳体的相对量可由杠杆法则求出：（3）含碳0.40%的合金（亚共析钢） 此合金在相图中的位置见图2-34，结晶过程如图所示。合金在12点间按匀晶转变析出d固溶体。冷到2点（1495），d固溶体的含碳量为0.09%，液相的含碳量为0.53%。此时，液相和d固溶体发生包晶转变。由于合金的含碳量大于0.17%，所以合金包晶转变终了以后，还有过剩的液相存在。从2点冷到3点时，液相继续凝成奥氏体，所有的奥氏体成分均沿JE线变化。冷到3点，合金全部由含碳0.40%的奥氏体组成。单相的奥氏体冷却到4点时，开始析出铁素体。随着温度的下降，铁素体不断增多，其含碳量沿GP线变化，而剩余的奥氏体的含碳量则沿GS线变化。但温度达到5点（727）时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77%，发生共析转变形成珠光体。在5点以下，先共析铁素体中将析出三次渗碳体，但其数量很少，一般可以忽略。 亚共析钢冷却到室温后，均由铁素体和珠光体组成。钢的含碳量越高，室温组织中的珠光体也越多。（4）含碳1.2%的合金（过共析钢） 此合金在相图中的位置见图2-35，结晶过程如图所示。合金在12点按匀晶过程转变为单相奥氏体，冷到3点开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4点为止。这种先共析的渗碳体多沿奥氏体晶界呈网状分布，量较多时，还在晶内呈针状分布。随着渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿ES线不断下降，但温度到达4点（727）时，奥氏体的含碳量降为0.77%，从而在恒温下发生共析转变，最后得到的组织是网状的二次渗碳体和珠光体。 在过共析钢中，二次渗碳体的量随钢中含碳量的增加而增加。当含碳量达到2.11%时，二次渗碳体的量达到最大，其相对量可由杠杆法则求得：（5）含碳4.3%的合金（共晶白口铸铁） 此合金在相图的位置见图2-30（5），结晶过程如图5-106所示。合金熔液冷到1点（1148）时，在恒温下发生共晶转变，此合金通常称为莱氏体（Ld）。冷到1点以下，共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，它通常依附在共晶渗碳体上而不能分辨。温度降至2点（727）时，共晶奥氏体的含碳量降至0.77%，在恒温下转变为珠光体。最后得到的组织由珠光体分布在共晶渗碳体上所组成。室温莱氏体（P+Fe3C）保留了高温下共晶转变产物的形态特征，但组成相奥氏体已发生了转变。（6）含碳3.0%的合金 此合金在相图中的位置见图2-30（6），结晶过程如图5-108所示。合金熔液在12点结晶出奥氏体，此时，液相成分按BC线变化，而奥氏体成分沿JE线变化。温度降到2点（1148）时，剩余液相的成分达到共晶成分，发生共晶转变，生成莱氏体。在2点以下，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中都析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿ES线降低。但温度到达3点（727）时，所有奥氏体都发生共析转变，转变为珠光体。（7）含碳5.0%的