工程材料及成型技术基础第2章金属材料的凝固与固态相变

1、1第二章第二章 金属材料的凝固与固态相变金属材料的凝固与固态相变 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律结晶的现象与规律 同素异晶同素异晶( (构构) )转变转变 金属的铸锭组织第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶2一、一、 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.凝固凝固 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。2.结晶结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。晶体物质由液态转变成固态的过程。3研究目的：铸造生产过程直接影响机件的晶体质量。而铸态组织（凝固得到）也影响工件锻造、轧制的各种性能。41、金属的结晶、金属的结晶（1）结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原

2、子规则排列的晶体状态的过程。或从原子的近程有序排列过渡到远程有序排列。从广义上讲，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡到另一种原子排列状态（晶态）的转变均属结晶。5故金属从液态过渡为固体晶态的转变为一次结晶；而金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变为二次结晶。（2）理论结晶温度：原子由近程有序到远程有序排列共存的固定温度（Tm）。纯金属都有一定的熔点，在熔点温度时液体和固体共存。因此，金属熔点又称平衡结晶温度或理论结晶温度。6To二、二、 结晶的现象与规律结晶的现象与规律一）一）. .结晶的一般过程结晶的一般过程1）纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线理论冷

3、却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)7 将待测的纯金属在坩埚内加热熔化，用热电偶测温，然后停止加热缓慢冷却。每隔一段时间记录一次温度。用所得数据绘制液态金属在冷却时的温度和时间的关系曲线，称此曲线为冷却曲线。图图3-21 热分析装置示意图热分析装置示意图92）.结晶潜热通过冷却曲线可以看出，当液态金属下降到一定温时，在冷却曲线上出现了平台。产生这种现象的原因是液态金属结晶时释放出了热量，称此热量为结晶潜热。冷却曲线上往往会出现一个平台，这是由于液态金属结晶时放出的潜热与散失的热量相等，使得坩埚内的温度保持不变。10如图，金属冷到低于平衡结晶温度

4、（T1）后才开始结晶，有一过冷度T（T=T1T0）。在平衡结晶温度下，液态金属与其晶体处于平衡状态。这时，液体中的原子结晶为晶体的速度与晶体溶入液体的速度相等。从宏观上看，既不结晶也不溶解。只有冷到低于理论结晶温度T0才能有效地进行结晶。11 过冷现象过冷现象 过冷度过冷度 T = T0 T1 过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。 12二二).).结晶的一般规律结晶的一般规律 形核形核 长大长大13实践证明，结晶总是从形成一些微小的晶体（晶核）开始，然后晶核不断长大；同时液体中不断产生新的晶核并不断长大，直到每个晶粒长大到相互接触、液体消失为止结晶的普遍规律（形核长大）(图)。图3-2

5、3结晶过程示意图15形核、长大形核、长大161.形核液态金属中原子排列呈现短程有序，这些短程有序的原子团尺寸各异，时聚时散，称为晶胚。当晶胚的尺寸大于某一临界值时，晶胚就能自发地长大而成为晶核。17 形核方式形核方式 液态金属结晶时，有两种形核方式：液态金属结晶时，有两种形核方式：一种是均匀形核，另一种是非均匀一种是均匀形核，另一种是非均匀形核。形核。 晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自发形核自发形核 T = 200 * *非自发形核非自发形核 T = 20 形核率形核率 是指单位时间内单位体积液体中形是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用成晶核的数量。用N表示。表示。 18

6、2.长大结晶过程的进行一方面要依靠新晶核连续不断地产生，另一方面还要依靠巳有晶核的不断长大。19长大方式晶核长大初期外形比较规则，但随着晶核的长大，晶体形成棱角。由于棱角处散热速度快，因而优先长大，如树枝一样先形成枝干，称一次晶轴，然后再形成分枝，称为二次晶轴，依此类推。晶核的这种成长方式称为树枝状长大(图）。长大速率: 是指单位时间内晶核生长的线长度。用G表示。20晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状21晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状22金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶233.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素影响晶核

7、的形核率和晶体长大率的因素v过冷度过冷度的影响的影响v未熔杂质未熔杂质的影响的影响24过冷度的影响过冷度的影响25形核率和长大速率都随过冷度的增大而增大。但两者的增加速率不同，形核率的增长率大于长大速率的增长率，如图所示。在通常金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，则N/G比值越大，因而晶粒越细小。26三）细化晶粒的途径三）细化晶粒的途径人们通常希望金属材料晶粒细小均匀，因为晶粒越小，材料的强度越高，塑性和韧性越好。晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。晶粒的大小取决于形核率和长大速率的相对大小，即N/G比值越大，晶粒越细小。可见，凡是能促进形核、抑制长大的因素，都能细化

8、晶粒。27v1）提高冷却速度）提高冷却速度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小v2）变质处理）变质处理v3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。在工业生产中通常采用如下几种方法：28提高冷却速度增加过冷度的方法是提高液态金属的冷却速度。例如，选用吸热和导热性较强的铸型材料（用金属型代替砂型）；采用水冷铸型；降低浇注温度等。但这些措施只对小型或薄壁的铸件有效292.变质处理是在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。例如在铝和铝合金以及钢中加入钛、锆等。但是铝硅合金中加入钠盐不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的长大来细化合

9、金晶粒。303.振动、搅拌对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可依靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。在实际生产中，液态金属被注入到铸型模具中成型得到铸件，若注入铸造模具中而得到铸锭。31有些金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型性。当外部的温度和压强改变时，这些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为同素异构转变，又称为多晶型转变。3 3、金属的同素异构转变、金属的同素异构转变32例如，纯铁在912C以下是体心立方晶体，在912C-1394C之间是面心立方晶体，而在1394C和1538C（熔点）之间是体心立方晶

10、体。纯铁的纯铁的同素异晶转变同素异晶转变反应式反应式:1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe -Fe33 当发生多晶型转变时，材料的许多性能如密度、塑性、强度、磁性、导电性等将发生突变。多晶型转变对于材料能否通过热处理来改变其性能具有重要的意义。35 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe36四、金属的铸锭组织金属的铸锭组织1.铸锭(件)三晶区的形成不论是铸件，还是铸锭,其宏观组织通常由三部分组成(图3-28)：图3-28铸锭组织示意图1

11、-表面细晶粒区；2-柱状晶粒区；3-中心等轴晶粒区381.1表层细晶区在浇注时，由于铸型模壁温度较低，有强烈地吸热和散热作用，使靠近模壁的一层液体产生很大的过冷度，加上模壁的表面可以作为非均匀形核的核心，因此，在此表层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长，而形成表面很细的等轴晶粒区。391.2柱状晶区 在表层细晶区形成后，型壁被熔液加热至很高温度，使剩余液体的冷却变慢，并且由于细晶区结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷度减小，使继续形核变得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。但是，此时热量的散失垂直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向，晶体才能得到优先生长，即已有的晶体沿着与散热相反的

12、方向择优长而形成柱状晶区。401.3中心等轴晶区柱状晶区形成时也释放大量潜热，使已结晶的固相层温度继续升高，散热速度进一步减慢，导致柱状晶体也停止长大。当心部液体全部冷至实际结晶温度Tm以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。412.铸锭组织的控制合金的铸锭一般都具有明显的三个晶区，但当浇注条件发生变化时，其三个晶区所占的比例也往往不同,甚至获得只由两个晶区或一个晶区所组成的铸锭。42通常有利于柱状晶区发展的因素有：快的冷却速度、高的浇注温度、定向的散热等。而有利于等轴晶区发展的因素有：慢的冷却速度、低的浇注温度、均匀散热、变质处理以及一些物理方法（如机械或电磁的搅拌、

13、超声波振动等）。43概述 纯金属虽然具有良好的导热性导电性和很好的塑性，但强度低，如纯铁屈服强度仅有100-170MPa，纯铝也仅有45-50MPa，远远不能满足大多数工程需要，必须要通过合金化（金属中加入别的金属元素或/和非金属元素）来提高其机械性能.第二节、合金的晶体结构第二节、合金的晶体结构44（一）、合金合金的基本概念 由两种或两种以上的金属元素或金属元素与由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金合金。 组成合金的最基本的、独立的物质组成合金的最基本的、独立的物质叫做叫做组元组元。组元通常是纯元素，但也可

14、以是稳。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。 合金中，具有同一化学成分且结构相同的均合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做匀部分叫做相相。合金中相与相之间有明显的界。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。相组成时称为多相合金。 合金的性能一般都是由组成合金的各相

15、成分、合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况结构、形态、性能和各相的组合情况组织组织所决定的。所决定的。45 （二）、合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。分为固溶体和金属化合物两大类。 1、固溶体 合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为相称为固溶体固溶体。 46 不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗剂原子都会使固溶体的

16、晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为度升高的现象，称为固溶强化固溶强化。 固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 47 固溶强化固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综的

17、强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。 2、金属化合物 金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（FeFe3 3C C）是由铁原子）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。 金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。金属化合物的性能不同于任一

18、组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化弥散强化。金属化合物。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。合金的重要组成相。 绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分物，其性质取决于固溶体与金属化合物的

19、数量、大小、形态和分布状况。布状况。 48二元合金相图合金在成分、温度变化时，其状态可能发生变化。合金相图就是用图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系。由于相图是在极其缓慢的冷却条件下测定的,又称为平衡相图。49根据相图可以了解不同成分合金在温度变化时的相变及组织形成规律。二元相图都是由一种或几种基本类型的相图组成的。基本类型的二元相图有：匀晶、共晶和包晶相图。501. 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种。但目前使用的相图绝大部分都是通过实验测定方法获得的。例如热分析法。以Cu-Ni合金为例来说明相图的建立方法及主要步骤(图)：51名称名称A

20、金属金属B金属金属晶格类型晶格类型bccbcc熔点熔点高高低低合金合金1100%0%合金合金290%10%合金合金380%20%.合金合金920%80%合金合金1010%90%合金合金110%100%52热热 分分 析析 法法53 配制一系列成分的合金(例如，30%Ni+70%Cu;50%Ni+50%Cu;70%Ni+30%Cu)； 测出上述合金的冷却曲线； 根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点； 将这些临界点标在相图坐标系中的相应位置上，最后把各意义相同的临界点联起来。时间时间温度90 705030AB温度A温度B温度55图4-9用热分析法建立二元Cu-Ni相图562.匀晶相图与合金组织

21、匀晶相图与合金组织 匀晶相图是指两组元在液态和固态均能无限互溶时形成的相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Ag-Au、W-Mo以及陶瓷材料中的Al2O3-Cr2O3相图。下面以Cu-Ni合金相图为例进行分析。572.1. 相图分析相图分析图图4-10 Cu-Ni相图相图Cu、Ni代表二个组元。tA纯组元Cu的熔点；tB纯组元Ni的熔点；tAmtB线液相线，在液相线以上为液相区，为均匀液体，用L表示；tAntB线固相线，在固相线以下为固相区，为均匀固溶体，用表示。在液相线与固相线之间为L+两相区。582.2合金平衡结晶过程合金结晶过程冷却曲线如图4-11所示。当合金从高温缓慢冷却至与液相线相交的t

22、1温度时，开始从液相L1中结晶出成分为1的固溶体。随着温度的下降，固溶体相不断增多，液相不断减少，并且固溶体相的成分沿着固相线变化，液相的成分沿着液相线变化。59 当冷却至t2温度时，固溶体2和液相L2达到平衡。当合金由t2冷至t3时，液相消失，结晶完毕，得到成分为3的单相固溶体。当合金继续冷至室温过程中，不再发生相和成分的变化。所以合金在室温下的组织为单相固溶体。60图图4-11 合金冷却曲线及组织形成示意图合金冷却曲线及组织形成示意图612.3.合金非平衡结晶过程在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，固溶体中原子扩散过程不能充分进行。因此先结晶的枝晶主轴含高熔点组元较多，后结晶的分枝含低熔

23、点组元较多。这种在一个枝晶范围内成分不均匀的现象叫枝晶偏析，或晶内偏析(图4-13，4-14)。62晶内偏析的存在将使合金的塑性、韧性显著下降。因此通常把具有晶内偏析的合金加热到高温进行长时间的保温，使合金元素进行充分的扩散来消除枝晶偏析，称这种处理为扩散退火。63图4-13枝晶偏析示意图图4-14枝晶偏析组织（铝镁铸造合金，因成分偏析而呈不同颜色）643.共晶相图共晶相图（两组元在液态无限互溶，固态有限互溶）3.1.相图分析相图分析651.三个单相区:液相区L固相区固相区。2.这三个相两两组合,形成三个两相区:(L+)(+)(L+)。3.三相区已经缩成一条连接三个单相区的水平线MEN,又称共

24、晶反应线。4.液相线AEB，将液相区L与其它相区隔开。5.固相线AMNB,将固相区,和(+)与其它相区隔开。666.MF代表固溶体的溶解度(最多可溶解的溶质百分量,与温度有关)曲线,NG代表固溶体的溶解度曲线。7.共晶反应线MEN中，E点为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于E以左，M点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于E点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。具有一定成分的液体（LE）在一定温度（共晶温度）下同时析出两种成分的固溶体（M+N）称为共晶反应，即LE-M+N67 结晶产物为共晶体。共晶体的显微组织特征是两相交替分布，其形态与合金的特性及冷

25、却速度有关，通常呈片层状。683.2.典型合金平衡结晶过程及组织69。1321.含Sn量小于M点的合金（以合金I为例）。 合金在12点间的结晶过程与匀晶相图上的固溶体结晶完全相同。 在23点之间得到均匀固溶体。 当合金冷到3点温度以下，由于固溶体的溶度超过了它的溶解度限度，将从固溶体中开始析出第二相-固溶体，优先沿晶界或晶内呈点状分布。随着温度继续降低的析出量逐渐增多。这种从固溶体中析出的相，称二次固溶体（以区分从液相中析出的固溶体），记为II。合金IL70最终的室温显微组织为+II71共晶合金2.共晶合金共晶合金( (成分为成分为E E点点) ) 在E点以上合金为液体。当合金缓慢冷却到tE时

26、，发生共晶转变，L LE E M + + N （LE指成分为E点对应的成分的液相，依此类推）, 从液相中同时同地析出和固溶体，转变产物为这两相的机械混合物 。L72 室温组织为100%的共晶体。73123. 亚共晶合金 以合金III为例。合金自1点开始结晶出固溶体 。随着温度继续降低，相的浓度沿固相线变化，L相浓度沿液相线变化。当合金冷却到2点时，剩余液相的浓度已达到E点的成分，在恒温下按共晶反应形成共晶体 。 同理，合金自2点温度冷至室温过程中自固溶体中 也会析出II ，故合金的室温显微组织为+ (+)+II （在图中呈黑色）。合金III74 室温显微组织为+(+)+II（在图中呈黑色）。其

27、中，、(+)、II均称为合金的组织组成物，是合金显微组织的独立部分。这种标注方法阐明了合金的具体结晶过程，反映了相的析出顺序。754. 包晶相图与合金组织包晶相图与合金组织（略）两组元在液态无限互溶，在固态下有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图。例如二元合金系Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等。76 这类相图的特点是，相图上有一恒温反应(图4-14):LC + p D 即在一定温度下,由一定成分的液相LC与一定成分的固相p转变为另一种固相D。由于两相反应从相界面处开始，即D相必然包着p相形成，故称包晶反应。相图及合金结晶过程分析方法均与上述方法类似。77 这类相

28、图的特点是，相图上有一恒温反应(图4-14): L LC C + + p p D D 即在一定温度下, 由一定成分的液相LC与一定成分的固相p转变为另一种固相D。由于两相反应从相界面处开始，即D相必然包着p相形成，故称包晶反应。相图及合金结晶过程分析方法均与上述方法类似。 图4-14 包晶相图 78 第三节第三节铁碳相图铁碳相图一、概述工程材料中又以钢铁（铁碳合金）材料应用最广。钢铁中含碳量其室温平衡组织和性能有巨大影响。前一章介绍了二元相图的几种基本类型。由于铁碳合金是应用最多的工程材料，下面将学习Fe-C相图。79Fe- CFe- C相图相图Fe3C Fe2CFeC温度FeC(6.69%C

29、)80Fe-C相图很复杂，但实用的部分只06.69%C(重量百分比)的部分，如图5-1所示。其中右端（6.69%C）是属化合物Fe3C。我们来分析这部分相图（这段相图称为Fe-Fe3C相图）。就只是这部分相图，也由三个基本类型的相图组成：811.包晶相图部分（区域很小，且无实际意义，通常忽略其作用）；2.共晶相图部分；3.共析相图部分(这种相图类型类似共晶相图,但母相是固相而非液相。后面将近一步学习)。82共晶相图部分共晶相图部分83共析相图部分共析相图部分84二二 、 Fe- Fe3C相图的组元和基本相相图的组元和基本相1.组元组元Fe-Fe3C相图顾名思义其组元一为Fe(纯铁),二为Fe3

30、C(此处又叫渗碳体)纯铁:纯铁熔点为1538，具有同素异构转变，-Fe -Fe -Fe 。固态下的同素异构转变与液态结晶相似，也要经历形核和长大过程。为了与液态结晶相区别，将这种固态下的相变过程称为重结晶。低温下的铁具有铁磁性，770以上铁磁性消失。85渗碳体：具有复杂的斜方结构，无同素异构转变，属于硬脆相。它的数量、形状、分布对钢的性能影响很大，是钢中的主要强化相。862.基本组织基本组织(除液相外)1).铁素体铁素体 ( F ) 碳固溶于体心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体，用或者F表示。碳在其中的固溶度很小，最大溶解度是727时的0.0218%，因此相区在相图中区域很小。87 高温铁素

31、体高温铁素体：碳固溶于体心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体，用表示。碳在其中的固溶度也很小，最大溶解度是1495时的0.09%，因此相区在相图中区域也很小。882).奥氏体奥氏体 ( A )碳固溶于面心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体，用或者A表示。碳在其中的固溶度较大，最大溶解度是1148时的2.11%，因此相区在相图中区域较大。89 奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图903)渗碳体渗碳体( ( Fe3C )铁与碳形成的金铁与碳形成的金属化合物。属化合物。它既可作为组元，也是钢中的一类重要的基本相。91渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图924)珠光体珠光体 ( P )铁素体和渗碳体组成的机械

32、混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。935).莱氏体莱氏体 ( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。94铁铁素素体体奥氏体奥氏体高高温温铁铁素素体体渗渗碳碳体体钢中的基本相钢中的基本相9596一、铁碳相图分析1、相图中点的含义相图中点的含义972. 五个单相区(, ,液相L，及Fe3C）和七个两相区； 3. 固相线AHJECF , 液相线ABCD ； 4. 三条水平线 （恒温转变线）： HJB水平线（包晶反应线） ECF水平线（共晶反应线） PSK水平线（共析反应线） 5. 三条曲线 GS线 ES线 PQ线 98 五个重要的成份点五个重要的成份点: P、

33、S、E、C、K。 四条重要的线四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 两个重要转变两个重要转变: 共晶转变反应式、共析转共晶转变反应式、共析转变反应式。变反应式。 两个重要温度两个重要温度: 1148 、727 。99 Fe - Fe3C 相图相图FeTFe3C100 Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C T(A+Fe3C)LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+Fe3C(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图共晶相图共析相

34、图共析相图匀晶相图匀晶相图(P+Fe3C)101 Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK(P+Fe3C)P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C(F+Fe3C)A+Fe3CL+Fe3C(A+Fe3C)1021.包晶转变反应式包晶转变反应式:LB + H AJ14953.共析转变反应式共析转变反应式:AS ( FP + Fe3C ) P7272.共晶转变反应式共晶转变反应式:LC ( AE + Fe3C ) Le 114810

35、3二、铁碳合金的分类二、铁碳合金的分类铁碳合金根据其含碳量可分为碳钢和铸铁。 碳钢碳钢是指含有0.022.11C的铁碳合金。 铸铁铸铁是指含大于2.11C的铁碳合金。104按钢中含碳量的不同： 碳钢又分为亚共析钢亚共析钢(含有0.020.77C)，共析钢共析钢(含有0.77C)和过共析钢过共析钢(含有0.772.11C); 铸铁又分为亚共晶白口铁亚共晶白口铁(含有2.114.3C)，共晶白口铁共晶白口铁(含有4.3C)和过过共晶白口铁共晶白口铁(含有4.36.69C)。上述不同种类的钢在平衡条件下有不同的相变过程，其室温平衡组织也不同。105106三三. .典型铁碳合金的结晶过程分析典型铁碳合

36、金的结晶过程分析 工业纯铁工业纯铁 ( ingot iron ) 共析钢共析钢 ( eutectoid steel ) 亚共析钢亚共析钢 ( hypoeutectoid steel ) 过共析钢过共析钢 ( hypereutectoid steel ) 共晶白口铁共晶白口铁 ( eutectoid white iron ) 亚共晶白口铁亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron ) 过共晶白口铁过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )1071081.工业纯铁工业纯铁 ( Wc 0.0218% )1092. 共析钢共析钢 ( Wc = 0.77

37、% )110共析钢在平衡条件下的固态相变及组织共析钢在平衡条件下的固态相变及组织（忽略从液相到固相的结晶过程）共析钢（成分为S点共析点对应的成分，0.77%C）在S点温度以上，钢的组织为单相奥氏体。当冷却到S点温度时,奥氏体将发生共析反应，从奥氏体中同时长出交替排列的片层状铁素体和渗体，这种组织称为珠光体珠光体 。111随着温度继续下降，将从铁素体中析出三次渗碳体。由于三次渗碳体数量少，通常可忽略不计。因此，共析钢在室温下的平衡组织为100%的珠光体。112在在S点发生共析反应：点发生共析反应： （+FeFe3 3C C）113共析钢组织金相图共析钢组织金相图1143.亚共析钢亚共析钢 ( W

38、c = 0.45% )115122点及2点以下合金II亚共析钢在平衡条件下的固亚共析钢在平衡条件下的固态相变及组织态相变及组织 以合金II为例，1点以上为奥氏体 。当奥氏体冷到1点温度时，开始析出铁素体 。由于析出了含碳量极低的铁素体，使未转变的奥氏体含碳量增加。 随着温度的下降，奥氏体的含碳量沿GS GS 线变化，铁素体的含碳量沿GPGP 线变化。当合金冷却到2点（共析线上）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析浓度，在恒温下发生共析转变，生成珠光体 。因此，亚共析钢室温下平衡组织由铁素体和珠光体构成 , 其中铁素体和珠光体的比例取决于钢的含碳量, 钢的含碳量越高，珠光体所占的比例越大。116亚共析

39、钢组织金相图亚共析钢组织金相图1174.过共析钢过共析钢 ( Wc = 1.2% )118过共析钢在平衡条件下的固态相变及组织过共析钢在平衡条件下的固态相变及组织 如图所示，点1以上为奥氏体 。当奥氏体冷到1点温度时，开始沿着晶界析出二次渗碳体。由于析出了含碳量极高的二次渗碳体，使未转变的奥氏体含碳量减少。随着温度的下降，奥氏体的含碳量沿ES ES 线线变化。当合金冷却到2点（共析线上）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析浓度，在恒温下发生共析转变，生成珠光体 。因此，亚共析钢室温下平衡组织由二次渗碳体和珠光体构成 。 12119过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图1205.共晶白口铁共晶白口铁 (

40、 Wc = 4.3% )121 共晶白口铁组织金相图共晶白口铁组织金相图1226.亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )123 亚共晶白口铁组织金相图亚共晶白口铁组织金相图1247.过共晶白口铁过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )125 过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铁组织金相图126 请指出这些铁碳合金在下面相图中的成分位置。请指出这些铁碳合金在下面相图中的成分位置。 127四、含碳量对碳钢平衡组织和性能的影响四、含碳量对碳钢平衡组织和性能的影响以上分析表明，碳钢在室温下的平衡组织皆由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)两相组成。随着含碳量的增加，碳钢中铁素体的数量逐渐减少，

41、渗碳体的数量逐渐增多，从而使得组织按下列顺序发生变化：FF+PPP+Fe3CII128铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相。珠光体由铁素体和渗碳体所组成，渗碳体以细片状分布在铁素体的基体上，起了强化作用，因此，珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。129随着含碳量升高，钢的强度、硬度增加，塑性下降。当钢中的含碳量超过1.0%以后，钢的硬度继续增加，而强度开始下降，这主要是由于脆性的二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出所致。130硬度随含碳量增加而增加。强度随含碳量增加而增加（到约0.8wt%c达到峰值）。塑性和韧性随含碳量增加而下降。131工业纯铁工业纯铁(铁素体组织,不同颜色代表不同位向的晶粒)3、碳

42、钢132亚共析钢亚共析钢（0.2%C)(铁素体组织+珠光体两相组织(黑色)133亚共析钢亚共析钢(0.45%C)(铁素体组织+更多的珠光体组织(黑色)134共析钢共析钢(0.77%C)(几乎100%珠光体组织,在较大的放大倍数下可分辨交替排列的层片状铁素体相和渗碳体相)135过共析钢过共析钢(1.45%C)(珠光体组织和沿原奥氏体晶界析出的网状二次渗碳体组织)136五、五、 Fe - Fe3C 相图的应用相图的应用选择材料方面的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用137 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选

43、用碳含量较低的钢材。因此选用碳含量较低的钢材。 各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。的钢种。 纯铁磁导率高，可作软磁材料使用，例如做电纯铁磁导率高，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。磁铁的铁心等。 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击

44、、形状复杂的铸件，用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。的磨球等。1.1.选择材料方面的应用选择材料方面的应用138 2.2.在铸造工艺方面的应用在铸造工艺方面的应用 根据根据FeFeFeFe3 3C C相图可以确定合金的浇注温相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上度。浇注温度一般在液相线以上5050100100。 3.3.在热锻、热轧工艺方面的应用在热锻、热轧工艺方面的应用 锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。一锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下般始锻、

45、始轧温度控制在固相线以下100100200200范围内，终锻、终轧温度不能过低。亚共范围内，终锻、终轧温度不能过低。亚共析钢热加工终止温度多控制在析钢热加工终止温度多控制在GSGS线以上一点，线以上一点，过共析钢变形终止温度应控制在过共析钢变形终止温度应控制在PSKPSK线以上一点，线以上一点，一般始锻温度为一般始锻温度为1150115012501250，终锻温度为，终锻温度为800800850850。139 4.4.在热处理工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用 FeFeFeFe3 3C C相图对于制订热处理工艺有着特相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、别重要

46、的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据淬火的加热温度都是依据FeFeFeFe3 3C C相图确定的。相图确定的。 在运用在运用FeFeFeFe3 3C C相图时应注意以下两点：相图时应注意以下两点： FeFeFeFe3 3C C相图只反映铁碳二元合金中相相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变化。化。FeFeFeFe3 3C C相图反映的是平衡条件下铁碳相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图来分析了。其组织转变就不能只

47、用相图来分析了。 140钢铁的冶炼钢铁的冶炼高炉高炉炼铁炼铁铸铁锭铸铁锭生产铸铁件生产铸铁件炼钢生铁炼钢生铁转炉转炉平炉平炉电炉电炉生产钢件生产钢件141转炉炼钢转炉炼钢平炉炼钢平炉炼钢电弧炉炼钢电弧炉炼钢1421.炼铁的冶金反应特点炼铁的冶金反应特点:还原反应还原反应 Fe2O3 Fe3O4FeOFeCO气体气体高温高温143 2.炼钢的冶金反应特点炼钢的冶金反应特点: :氧化反应氧化反应炼钢生铁炼钢生铁钢钢氧化反应氧化反应144钢在加热时的转变钢在加热时的转变钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速

48、度的增加，滞后现冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母“C C”，如如A AC1C1、A AC3C3、A ACmCm等；把冷却时的临界温度标以字母等；把冷却时的临界温度标以字母“r r”，如如A Ar1r1、A Ar3r3、A Armrm等。等。 145热处理时加热温度应高于某一临界温度。例如，需要加热到奥氏体化，此临界温度应为Ac1，Ac3，或者Accm146钢在加热时的转变过程钢在加热时的转变过程(1)奥氏体的形成以共析钢为例，说明奥氏体的形成过程。共析钢的原始组织为片状珠光体。当加热到Ac1

49、以上保温时，将全部转变为奥氏体。147这一过程包括四个阶段。奥氏体形核奥氏体长大剩余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化148149奥氏体形核奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体相界面处形成。这是由于此处原子排列紊乱，位错、空位浓度较高，容易满足形成奥氏体所需的能量和碳浓度所致。150151奥氏体长大奥氏体晶核形成之后，它一面与渗碳体相接，另一面与铁素体接触。这使得在奥氏体中出现了碳的浓度梯度，即奥氏体中靠近铁素体一侧含碳量较低，而靠近渗碳体一侧含碳量较高,引起碳在奥氏体中由高浓度一侧向低浓度一侧扩散。152随着碳在奥氏体中的扩散，破坏了原先相界面处碳浓度的平衡，即造成奥氏体中靠近铁素体一侧的碳浓度增高，靠近

50、渗碳体一侧碳浓度降低。153为了恢复原先碳浓度的平衡，势必促使铁素体向奥氏体转变以及渗碳体的溶解。这样，奥氏体中与铁素体和渗碳体相界面处碳平衡浓度的破坏与恢复的反复循环过程，就使奥氏体逐渐向铁素体和渗碳体两方向长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。154155剩余渗碳体溶解铁素体消失以后，随着保温时间延长或继续升温，剩余渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶入奥氏体中，使奥氏体的碳浓度逐渐接近共析成分。这一阶段一直进行到渗碳体全部消失为止。156奥氏体成分均匀化当剩余渗碳体全部溶解后，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的，原来存在渗碳体的区域碳浓度较高，只有继续延长保温时间，才能得到成分均匀的单相奥氏体。15

51、7158（2)奥氏体晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒大小对钢随后的冷却转变及转变产物的组织和性能都有重要影响。通常，粗大的奥氏体晶粒冷却后得到粗大的组织，其力学性能指标较低。需要了解奥氏体晶粒度的概念以及影响奥氏体晶粒度的因素。159奥氏体晶粒度的概念。奥氏体晶粒的大小是用晶粒度来度量的。晶粒度的评定一般采用比较法，即金相试样在放大100倍的显微镜下，与标准的图谱相比。钢的奥氏体晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。奥氏体晶粒度的概念有以下三种：a.起始晶粒度b.实际晶粒度c.本质晶粒度160161a.起始晶粒度:奥氏体转变刚刚完成，即奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的奥氏体晶粒大小称为起始晶粒度。通

52、常情况下，起始晶粒度总是比较细小、均匀的。b.实际晶粒度:钢在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小称为实际晶粒度。热热处理后所获得的奥体晶粒的大小。处理后所获得的奥体晶粒的大小。实际晶粒一般总比起始晶粒大。162c.本质晶粒度:根据YB27-64试验方法，即在93010保温38h后测定的奥氏体晶粒大小称为本质晶粒度。如晶粒度为14级，称为本质粗晶粒钢，晶粒度为58级，则为本质细晶粒钢。本质晶粒度表示在规定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性大小。而不能认为本质细晶粒钢在任何加热条件下晶粒都不粗化。度量钢本身晶度量钢本身晶粒在粒在930以下以下,随温度升高随温度升高,晶粒长大的程度。晶

53、粒长大的程度。163影响晶粒长大的因素a.钢的化学成分:钢的本质晶粒度与钢的成分和冶炼时的脱氧方法有关。一般用Al脱氧或者含有Ti、V、Mo、W等元素的钢都是本质细晶粒钢，因为这些元素能够形成难熔于奥氏体的细小碳化物质点，阻止奥氏体晶粒长大。只用硅、锰脱氧的钢或者沸腾钢一般都为本质粗晶粒钢。164钢中随着含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向增大，但是，当含碳量超过某一限度时，奥氏体晶粒长大倾向又减小。这是因为随着含碳量的增加，碳在钢中的扩散速度以及铁的自扩散速度均增加，故加大了奥氏体晶粒的长大倾向。但碳含量超过一定限度后，钢中出现二次渗碳体，对奥氏体晶界的移动有阻碍作用，故奥氏体晶粒反而细小。16

54、5b.加热温度和保温时间:温度的影响最显著。在一定温度下，随保温时间延长，奥氏体晶粒长大。166c.加热速度:加热速度越大，奥氏体转变时的过热度越大，奥氏体的形核率越高，起始晶粒越细，加之在高温下保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大。实际生产中经常采用快速加热，短时保温的办法来获得细小晶粒。167（）奥氏体晶粒大小对钢的力（）奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响学性能的影响a.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提高。b.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。工件产生较大的变形甚至开裂。1682

55、.钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变热处理生产中，钢在奥氏体化后的冷却方式通常分为两种：一种是连续冷却，即将奥氏体化的钢连续冷却到室温；另一种是等温处理，即将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度下的某一温度保温，以进行等温转变。169 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却170 但奥氏体冷至临界温度以下时，如果还未转变，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在一定的时间后发生分解，形成稳定相。这是一个晶格改组和碳原子扩散再分配的过程。171 根据转变温度的高低、转变机理和产物的不同，过冷奥氏体的转变可分为三种基本类型，即珠光体转变（扩散型转变）、贝氏体转变（过渡型或半扩散型转变

56、）和马氏体转变（无扩散型转变）。172(1)过冷奥氏体等温转变曲线图 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线 - TTT曲线曲线 ( C 曲线曲线 )T - timeT - temperatureT - transformation173将一批经奥氏体化的试样急冷至临界点（A1）以下某一温度，并在该温度下等温，然后测定转变量和时间的关系。以温度（）为纵坐标，时间（s）为横坐标（对数坐标），分别将各温度下过冷奥氏体转变开始和转变终了时间点连接起来，可以得到两条曲线，这就是过冷奥氏体等温转变曲线图，通常简称为等温转变图或TTT图。由于图中的曲线形似“C”字母，故

57、也称C曲线。174共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;230 - 50; 低

58、温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf177 A1以下不同温度时的孕育期长短标志着过冷奥氏体的稳定性。以共析钢C曲线为例，在550附近，即C曲线“鼻尖”部分，孕育期最短，过冷奥氏体稳定性最差。过冷奥氏体等温转变可分为三类： “鼻尖”以上的高温转变区为珠光体类型转变； “鼻尖”至Ms之间的中温转变区为贝氏体转变；Ms以下的低温转变区为马氏体转变。1782) 转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能（1）珠光体类型组织与性能珠光体类转

59、变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变，又称高温转变，是典型的扩散型相变。179珠光体是铁素体和渗碳体两相的机械混合物。其组成相通常呈片层状。根据珠光体片间距的大小，可将珠光体类型组织分为三种: 1）珠光体 2）索氏体 3）屈氏体180珠光体类型转变的等温温度区间。1811）珠光体:(P)片间距约为450150nm，形成于A1650范围内。在光学显微镜下可清晰分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。P ; 525HRC;2）索氏体:(S)片间距约为15080nm，形成于650600范围内。只有在800倍以上光学显微镜下观察才能分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。细片状细片状P

60、;2536HRC。1823）屈氏体:(T)片间距约为8030nm，形成于600550范围内。在光学显微镜下已很难分辨出铁素体和渗碳体片层状组织形态。极细片状极细片状P; 3540HRC。 珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌186珠光体、索氏体、屈氏体之间无本质区别，其形成温度也无严格界线，只是其片层厚薄和间距不同。珠光体类组织的机械性能主要取决于片层间距的大小。通常情况下，片层间距愈小，其强度、硬度愈高，同时塑性、韧性也有所改善。187珠光体组织中层片