材料冶金知识

材料科学基础,第四章材料的相结构和相图3,1.FeC合金的组织和性能,钢(Steels)和铸铁(Castirons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloysoftheironcarbonsystem）。铁碳相图是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。,在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。,5个单相区，7个两相区三条水平线，三条特征线,1.FeC合金中的组元,铁碳合金中组元：纯铁(Fe)渗碳体（Fe3C）,A.纯铁,纯铁（pureiron）熔点1538，汽化点2738，密度7.87g/。纯铁固态下具有同素异构转变：912C以下为体心立方(bcc)晶体结构，912C到1394C之间为面心立方(fcc)结构,1394C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。纯铁具有磁性转变（768磁性转变、magnetictransformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,纯铁的显微组织,B.渗碳体(Fe3C),渗碳体（cementite）是FeC合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)。Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格，原子周围有六个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体共有，Fe:C=3:1。,Fe3C的晶体结构可以看作由6个铁原子构成的三角棱柱和在柱内的一个碳原子连接而成，角上的铁原子为2个三角棱柱共享。Fe3C的晶体结构的结构单元是4个取向不同的这样的三角棱柱构成。三角棱柱在c轴方向分两层，每层三角棱柱体都有2种取向,。,Fe3C中各铁原子之间是纯金属键，铁原子和碳原子之间可能同时存在金属键和离子键,左图为在（001）面上的投影，一个晶胞内有12个铁原子4个C原子右图为4个相邻的晶胞在（001）面上的投影及其组成的三棱柱（实三棱柱在上层，虚三棱柱在下层）,B.渗碳体(Fe3C),Fe3C熔点为1227，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C3Fe+C(石墨)。所以FeFe3C相图为介稳定系相图，FeC相图为稳定系相图，若把FeFe3C相图与FeC相图画在同一图上，称为FeC合金双重相图。,B.渗碳体(Fe3C),Fe3C在230以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。,2.FeC合金中的基本相,在FeFe3C相图中，FeC合金在不同条件(成分，温度)下，可有六个基本相：L相、相、相（A）、相(F)、Fe3C相、石墨（C）（1）液相(L)Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上)（2）相高温铁素体（hightemperatureferrite）C在Fe的间隙固溶体。在1459时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，（3）渗碳体（cementite）,Fe-C相图,（4）奥氏体（austenite）奥氏体(或A)是C溶解于Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148C时最多可以溶解2.11%的碳，到727C时含碳量降到0.8%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心，单相区存在于NJESG区域内（727-1459）。奥氏体的硬度(HB170220)较低，塑性(延伸率为40%50%)高。奥氏体的显微组织见下图。是顺磁性（paramagnetism）晶粒呈平直多边形。,Fe-C相图,碳在Fe晶格中的位置,奥氏体的显微组织,（5）铁素体（ferrite）铁素体（或F）是C溶于Fe形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。C原子溶于八面体间隙。单相相在CPQ以左部分。铁素体的含碳量非常低，在727时C在Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%，所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50-80)低，塑性(延伸率为30%50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁磁性，具有bcc结构。（6）石墨（C）在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite）(hcp)稳定相存在。所以石墨对于FeC合金中铸铁也是一个基本相。,Fe-C相图,3.FeFe3C相图分析,根据分析围绕三条水平线可把FeFe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线,Fe-C相图,（1）FeFe3C相图的点,FeFe3C相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义如下表：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点,Fe-C相图,（2）FeFe3C相图的线,FeFe3C相图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线(水平)和三条重要的相界线。,Fe-C相图,A.三条水平恒温转变线,包晶线：HJB线（1459），J为包晶点，wc=0.090.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即：L0.53+0.090.17（LB+HJ）,共晶线：ECF水平线（1148），C点为共晶点，wc=2.116.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即：L4.302.11+Fe3C（LCE+Fe3C）转变产物为和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。,共析线：PSK水平线（727），S点为共析点。凡wc0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：0.770.0218+Fe3C（SP+Fe3C）转变产物为和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常用A1表示。,B.两条磁性转变线,230为水平线为Fe3C的磁性转变线，230以上Fe3C无磁性，230以下为铁磁性。常用A0表示770为的铁磁性转变线。770以上无铁磁性，770以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里点。,C.几条重要的相界线(固态转变线),GS线：A中开始析出或全部溶入(升温时)的转变线。常用A3表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析相开始析出线。常称为A3线或A3温度。,ES线：C在中溶解度曲线。常用Acm表示，称为Acm温度。低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将中析出的Fe3C称为二次Fe3C。,PQ线：C在中溶解度曲线。在727时，C在中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次Fe3C。以区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。,（3）FeFe3C相图中的区,5个单相区：L、,Fe3C7个两相区：L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C3个三相共存区：L+Fe3C（ECF线）、L+（HJB线）、+Fe3C（PSK线）,Fe-C相图,4.FeC合金分类,Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁（pureiron）、碳钢（carbonsteel）、铸铁（castiron）。根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。（1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显微组织为固溶体。,（2）钢钢（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之间的Fe、C合金。其特点是：高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（carbonsteel）又可分为：共析钢（eutectoidsteel）：Wc=0.77%亚共析钢（hypoeutectoidsteel）：Wc=0.02180.77%过共析钢（hypereutectoidsteel）：Wc=0.772.11%,Fe-C相图,（3）白口铸铁白口铸铁（whitecastiron）是含碳量在Wc=2.116.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：共晶白口铸铁（eutectoidcastiron）：Wc=4.30%亚共晶白口铸铁（hypoeutectoidcastiron）：Wc=2.114.30%过共晶白口铸铁（hypereutectoidcastiron）：Wc=4.306.69%上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。,Fe-C相图,6.FeC合金的平衡结晶过程及组织,（1）工业纯铁以Wc=0.01%的合金为例,室温组织为：+Fe3CFe3C最多为0.33%转变过程：LL+Fe3C匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀,工业纯铁室温组织图（200）,（2）共析钢（Wc=0.77%）,冷却曲线如图：,过程如下：LL+P+P（+Fe3C）匀晶转变共析转变脱溶沉淀室温组织为P（+Fe3C），P呈层片状，是和Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。如552图中的白色片状为，黑色片状为Fe3C。,（3）亚共析钢,亚共析钢（Wc=0.02180.77%）冷却曲线如图：,FLASH,过程如下：LL+L+L+P+P（析出Fe3C）匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀室温组织为：+P如图中的白色为，黑色片状为P。,特别需注意：室温组织为+P，由于是发生在共析转变之前，称为先共析铁素体。共析转变之前+和转变之后+P的相对量(即共析转变后和P的相对量)可通过杠杆法则来计算,（4）过共析钢（Wc=0.772.11%）,过共析钢冷却曲线如图：,FLASH,过程如下：LL+Fe3CP+Fe3C匀晶转变共析转变脱溶沉淀,室温组织为：P+Fe3C，白色为网状Fe3C，暗黑色为P。,过共析钢的室温组织（500）,（5）共晶白口铸铁（Wc=4.30%）,液相冷至1点，发生共晶转变：L4.302.11+Fe3C此共晶体成为莱氏体(Ld：+Fe3C)，温度降至PSK线发生共析转变形成P，共析转变结束后组织为Fe3C+P+Fe3C，称为低温莱氏体(变态莱氏体)，用Ld表示。,室温组织为：Ld（P+Fe3C+Fe3C）过程如下：LL+Ld（+Fe3C）LdLd（+Fe3C+Fe3C）Ld（P+Fe3C+Fe3C）共晶转变共析转变脱溶沉淀,（6）亚共晶白口铸铁（Wc=2.114.30%）,冷却曲线如图：过程如下：LL+L+Ld+Ld+Fe3C+Ld+Fe3C+Ld+PFe3C+Ld+P匀晶反应共晶转变脱溶转变共析反应,室温组织为：Fe3C+Ld+P,亚共晶白口铸铁组织图（200）,（7）过共晶白口铸铁（Wc=0.772.11%）,冷却曲线如图：,过程如下：LL+Fe3CFe3C+LdFe3C+Ld匀晶反应共晶转变脱溶转变共析反应,室温组织为：Fe3C+Ld,Fe-C合金相和组织相对量的计算,c,室温组织组成物计算：,相的相对量计算,Fe-C合金相和组织相对量的计算,c,相的相对量计算,室温组织组成物计算：,c,c,练习,5个单相区，7个两相区三条水平线，三条特征线,7.Wc对铁碳合金的组织和性能的影响-A,随着含碳量的增加,Fe、C合金的组织发生下列变化+Fe3C+PPP+Fe3CFe3C+Ld+PLdFe3C+Ld称为组织组成物所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体Fe3C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成物。,注：随着Wc的增加，Fe、C合金中的量逐渐减少，Fe3C的量逐渐增多，其变化呈线性关系。所有Fe、C合金都是由和Fe3C组成，两个相的相对量可由杠杆法则来求得。随碳含量的增加，WFe3C增加，Fe3C形态也发生变化，由片状及球状形式分布在基体内(P)，Fe3C进一步成网状分布在晶界上，当Ld形成时，Fe3C又成为基体。,含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系,组织：Fe3CLdFe3C；相：减少，Fe3C增多；Fe3C形态：Fe3C（薄网状、点状）共析Fe3C（层片状）Fe3C（网状）共晶Fe3C（基体）Fe3C（粗大片状）。,7.Wc对铁碳合金的组织和性能的影响-B,F为软韧相，Fe3C为硬脆相，故Fe、C合金的力学性能取决于和Fe3C两相的相对量及它们的相互分布特征。珠光体的强度比高，比Fe3C低，而P的韧性和塑性比低，比Fe3C高，而且P的强度随P片间距的减小而增大。,Wc对铁碳合金的性能的影响,强度：在钢中Fe3C是一种强化相，随钢中Wc的增加使FeC合金强度升高，当Wc超过0.77%后，先消失而Fe3C出现，合金强度增加变缓；当Wc达到0.90%时，由于沿晶界上形成网状分布，强度开始迅速下降，当达到2.11%时，出现Ld，强度降到最低。,硬度：随着碳含量的增加而增大。原因：？,塑性、韧性：完全由来提供，Wc的增加使减少，塑性和韧性显著下降，当基体为Fe3C后，塑性就接近于0。为保证钢有足够的强度和适当的韧性配合，其Wc一般不超过1.31.4%。,对于白口铸铁，组织中存在大量的Ld，而Ld是以Fe3C为基的硬脆组织，因此白口铸铁具有很大的脆性。但由于大Fe3C存在，铸铁的硬度和耐磨性很高。,对工艺性能的影响适合锻造：C%2.11%，可得到单相组织。适合铸造：C%4.3%，流动性好。适合冷塑变：C%0.25%，变形阻力小。适合热处理：0.0218-2.11，有固态相变。,8、钢中的杂质元素及其对性能的影响,9相图的热力学基础,1固溶体的自由能成分曲线G=xAA+xBB+RT（xAlnxA+xBlnxB）Hm=f（xA，xB）,2化学位与相平衡条件（1）化学位：偏摩尔吉布斯自由能。用表示。化学位的确定：在自由能成分曲线上，过成分点的切线与两纵轴的交点。（2）相平衡的条件：两组元在各相中的化学位分别相等。A=A=在自由能成分曲线上，表现为各曲线间有公切线。,3二元系自由能曲线与相图的关系,10三元相图,10.1相图基本知识1三元相图的主要特点（1）是立体图形，主要由曲面构成；（2）可发生四相平衡转变；（3）一、二、三相区为一空间。,2成分表示法成分三角形（等边、等腰、直角三角形）（1）已知点确定成分；（2）已知成分确定点。,3成分三角形中特殊的点和线（1）三个顶点：代表三个纯组元；（2）三个边上的点：二元系合金的成分点；,3成分三角形中特殊的点和线（3）平行于某条边的直线：其上合金所含由此边对应顶点所代表的组元的含量一定。（4）通过某一顶点的直线：其上合金所含由另两个顶点所代表的两组元的比值恒定。,4共线法则与杠杆定律（1）共线法则：在一定温度下，三元合金两相平衡时，合金的成分点和两个平衡相的成分点必然位于成分三角形内的同一条直线上。（由相律可知，此时系统有一个自由度，表示一个相的成分可以独立改变，另一相的成分随之改变。）（2）杠杆定律：用法与二元相同。,5共线法则与杠杆定律两条推论（1）给定合金在一定温度下处于两相平衡时，若其中一个相的成分给定，另一个相的成分点必然位于已知成分点连线的延长线上。（2）若两个平衡相的成分点已知，合金的成分点必然位于两个已知成分点的连线上。,6重心法则在一定温度下，三元合金三相平衡时，合金的成分点为三个平衡相的成分点组成的三角形的质量重心。（由相率可知，此时系统有一个自由度，温度一定时，三个平衡相的成分是确定的。）平衡相含量的计算：所计算相的成分点、合金成分点和二者连线的延长线与对边的交点组成一个杠杆。合金成分点为支点。计算方法同杠杆定律。,1相图分析点：a,b,c-三个纯组元的熔点；面：液相面、固相面；区：L,L+。,10.2三元匀晶相图,2三元固溶体合金的结晶规律液相成分沿液相面、固相成分沿固相面，呈蝶形规律变