金属学 及热处理

1、金属学与热处理课件金属学与热处理课件绪绪 论论一、本课程的性质和内容一、本课程的性质和内容性质：金属学与热处理属金属材料、冶金工程专业的专业基础课。内容：1.金属学理论金属的晶体结构、金属的结晶、合金的相结构与相图、金属及合金的塑性变形理论。2.钢的热处理 钢的热处理原理与工艺3.金属材料钢、铸铁、有色金属及合金绪绪 论论 二、本课程的特征二、本课程的特征课程的课程的“两线一纲两线一纲”两线：成分两线：成分结构结构组织组织性能性能 成分成分处理工艺处理工艺组织组织性能性能用用途途纲：第四章纲：第四章 铁碳合金铁碳合金三三、学完本课程后的要求、学完本课程后的要求1.1.掌握金属学的基本理论，即弄

2、清金属及合金的成分掌握金属学的基本理论，即弄清金属及合金的成分结构结构组织组织性能之间的关系；性能之间的关系；2.2.掌握金属及合金的塑变理论与热处理理论与工艺及其用途，即掌握金属及合金的塑变理论与热处理理论与工艺及其用途，即弄清金属及合金的成分弄清金属及合金的成分处理工艺处理工艺组织组织性能性能用用途之间的关系；途之间的关系；3.3.掌握常用金属材料的牌号、用途及其热处理方法；掌握常用金属材料的牌号、用途及其热处理方法；4.4.具有金相分析的基本能力。具有金相分析的基本能力。绪绪 论论四四、学习方法、学习方法前后联系，理论与实践、实验联系。五五、主要参考书、主要参考书金属学与热处理崔忠圻主编

3、（第1版）六、金属材料及研究手段发展史简介第一章第一章 金属金属与合金与合金的晶体结的晶体结构构【重点】【重点】1.1.金属晶体学的基本概念金属晶体学的基本概念 2.2.金属中常见的三种晶体结构及特征参数金属中常见的三种晶体结构及特征参数 3. 3.晶向及晶面指数的确定晶向及晶面指数的确定 4. 4.合金相的结构及性能特征合金相的结构及性能特征 5. 5.晶体缺陷及其对金属材料性能的影响晶体缺陷及其对金属材料性能的影响【难点】【难点】1.1.结合力与结合能结合力与结合能 2. 2.晶体中的间隙晶体中的间隙【授课方式】讲授【授课方式】讲授【教学内容】知识点【教学内容】知识点1 1 金属金属原子间

4、的结合原子间的结合 知识点知识点2 2 金属的金属的晶体晶体结构结构知识点知识点3 3 合金相结构合金相结构 知识点知识点4 4 实际实际金属的金属的晶体晶体结构结构第一节第一节 金属金属原子间的结合原子间的结合什么是金属？具有正的电阻温度系数的物质金属的特性:不透明,具有金属光泽 具有良好的导电性和导热性 具有正的电阻温度系数 具有良好塑性和较高的强度一、一、金属原子的结构特点金属原子的结构特点最外层的电子数少,只有12个, 一般不超过4个. 例铁的最外层电子数为 Fe26 1 1s2 2 2s22 2p6 3 3s23 3p63 3d6 4 4s2 铝的最外层电子数为 Al13 1 1s2

5、 2 2s22 2p6 3 3s23 3p1铜的最外层电子数为 CuCu29 1 1s2 2 2s22 2p6 3 3s23 3p63 3d10 4 4s1 第一节第一节 金属金属二、二、金属键金属键金属正离子与运动于其间的公有化的自由电子依靠静电作用的 结合方式。第一节第一节 金属金属原子间的结合原子间的结合三、结合力与结合能三、结合力与结合能金属双原子模型第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体的特性一、晶体的特性 晶体与非晶体 晶体的概念:其内部粒子在三维空间作有规则的周期性排列的物质。 原子晶体：固态金属（一般情况下） 分子晶体：冰 离子晶体：NaCl 晶体的特性：具有一定的

6、熔点具有一定的熔点 具有各向异性具有各向异性 非晶体：玻璃 非晶态金属第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构 二、二、晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵晶体结构：晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式。阵点：将晶体中的原子或原子群抽象为纯粹的几何点。空间点阵：由阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列。晶格：人为地将阵点用直线连接起来形成的空间格子。晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。晶格常数：描述晶胞大小和形状的参数。14种布拉菲点阵 第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构 三、三、三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构1、面心立方结构例

7、:-FeAl Cu等2、体心立方结构例:-FeW Cr等3、密排六方结构例: Zn Mg Be等4.晶体结构特征参数晶体结构特征参数a42a43a21第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构、晶体中的原子堆垛方式 面心立方结构密排面：ABCABCABC 密排六方结构密排面：ABABAB 第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构、晶体中的间隙 面心立方结构： 八面体间隙半径0.146 四面体间隙半径0.06 体心立方结构： 八面体间隙半径0.067 四面体间隙半径0.126 八面体间隙的最大半径为0.2077a 四面体间隙的最大半径为0.112a 结论：面心立方结构的最大间隙比体心立方结构的

8、最大间隙大。 面心立方结构晶体中晶体中的的间隙间隙晶体中晶体中的的间隙间隙体心立方结构密排六方结构晶体中晶体中的的间隙间隙第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构四、晶向指数和晶面指数四、晶向指数和晶面指数1.晶向及晶向指数uvw的确定晶向：在晶体中任意两个原子之间的连线所指的方向。晶向指数的确定步骤：1）设空间坐标（坐标原点设在所求晶向上）；2）求晶向上某一点的空间坐标；3）将所求空间坐标化为最小整数；4）将最小整数列入方括号中。第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构2、晶面及晶面指数(hkl)的确定晶面对面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面。晶面指数的确定步骤：1）设空间坐标（坐标

9、原点设在所求晶面外）；2）求截距；3）求截距的倒数；4）将截距的倒数化为最小整数；5）将最小整数列入圆括号中。第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶面指数(hkl)的确定第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构六方晶系晶向指数uvtw晶面指数(hkil)的确定第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶向族与晶面族hkl 100001010010001100100110101011101110011 110011101011101110110111111111 111111111 111111111)001()010()100(100)110()011()101()011()101

10、()110(110)111() 111 ()111()111(111第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构五、晶体的各向异性五、晶体的各向异性晶体中各晶向上原子排列的紧密程度不同,各晶向上的性能不同.伪等向性单晶体(a)与多晶体(b)第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构六、多晶型性六、多晶型性1、多晶型性:具有两种或几种晶体结构图。2、同素异晶（构）转变或多晶型转变：当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。3、同素异构体：-Fe、-Fe、-Fe互为同素异构体。第第三三节节 实际实际金属的晶体结构金属的晶体结构晶体缺陷：晶体中原子排列不规则的区域

11、。晶体缺陷的分类：（1）点缺陷：其特征是在三维方向上的尺寸都很小。（2）线缺陷：其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。（3）面缺陷：其特征是在一个方向上的尺寸很小。另外两个方向上的尺寸相对很大。一、点缺陷一、点缺陷常见的有三种：空位、间隙原子、置换原子1.空位形成原因：原子的热运动，因此空位浓度取决于温度。第第三三节节 实际实际金属的晶体结构金属的晶体结构2.间隙原子形成原因:原子本身的热运动或合金元素原子以及杂质原子。3.置换原子:形成原因:合金元素原子以及杂质原子。第第三三节节 实际实际金属的晶体结构金属的晶体结构二、线缺陷：位错二、线缺陷：位错1.刃型位错:正刃型位

12、错和负刃型位错2.螺型位错:右旋螺型位错和左旋螺型位错3.位错密度:单位体积中所包含的位错线的总长度。即 VL第第三三节节 实际实际金属的晶体结构金属的晶体结构4.位错密度对屈服强度的影响。第第三三节节 实际实际金属的晶体结构金属的晶体结构三、面缺陷三、面缺陷晶体表面、晶界、亚晶界、相界。1.表面能与晶界能2.内吸附与反内吸附3.晶界的特征:低的熔点、易于腐蚀和氧化。四、晶体缺陷对金属力学性能的影响 晶体缺陷晶格畸变提高金属材料的强度和硬度。第第三三节节 实际实际金属的晶体结构金属的晶体结构第第二二章章 纯纯金属的金属的结结晶晶【重点】【重点】1.1.结晶学理论的基本概念结晶学理论的基本概念

13、2.2.金属结晶的过程、条件金属结晶的过程、条件 3. 3.控制晶粒大小的措施控制晶粒大小的措施 4. 4.金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的组织与缺陷【难点】【难点】晶体长大机制晶体长大机制【授课方式】讲授【授课方式】讲授【教学内容】知识点【教学内容】知识点1 1 金属金属结晶的现象结晶的现象 知识点知识点2 2 金属金属结晶的条件结晶的条件 知识点知识点3 3 晶核的形成与长大晶核的形成与长大 知识点知识点4 4 金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的组织与缺陷第第一一节节 金属金属结晶的现象结晶的现象结晶：金属由原子排列不规则的液态转变为原子排列规则的固态晶体的过程。一、结晶过程的宏观现象一、结晶过

14、程的宏观现象（一）过冷现象1.热分析装置与冷却曲线第第一一节节 金属金属结晶的现象结晶的现象2.过冷现象与过冷度3.影响过冷度的因素:金属的本性和纯度、冷却速度。 金属的本性和纯度一定时,冷却速度越快,过冷度越大,金属的实际结晶温度越低。（二）结晶潜热 1摩尔物质从一个相转变为另一个相，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。二、金属结晶的微观过程二、金属结晶的微观过程 金属结晶的过程是形核（即晶核的不断形成）与长大（即晶核的不断长大）的过程。第第一一节节 金属金属结晶的现象结晶的现象第第二二节节 金属金属结晶的热力学条件结晶的热力学条件热力学第二定律:在等温等压条件下,物质系统总是自发地从自由能

15、较高的状态向自由能较低的状态转变。状态的吉普斯自由能定义为： G = H-TS其中H为焓，S为熵。熵的物理意义是表示系统中原子排列混乱程度的参数。SdTdG第第二二节节 金属金属结晶的热力学条件结晶的热力学条件从图中可看出，只有温度低于理论熔点Tm时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才可能自发地转变为固态金属，因此，金属结晶的热力学条件是固相的自由能低于液相的自由能，且过冷是结晶的必要条件。液-固两相的自由能差G为结晶的驱动力。单位体积自由能的变化GV与过冷度T的关系为：由上式可见：过冷度越大，液、固两相的自由能差越大，即相变的驱动力越大，结晶的速度便越快。TmTHGfV第第三

16、三节节 金属金属结晶的结构条件结晶的结构条件金属熔化时的体积增加35，说明固态金属与液态金属的原子间距相差不大。液态金属结构示意图和固态金属的结构示意图：相越伏（结构起伏）：液态金属中时聚时散，此起彼伏的短程有序的原子集团。相越伏是晶核的胚芽，即晶胚。因此，金属结晶的结构条件是液态金属中的起伏。但只有在过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。第第三三节节 金属金属结晶的结构条件结晶的结构条件液态金属中不同尺寸相起伏出现的几率如下：相 rmax起出现伏的几率 相起伏大小 T 最大相起伏尺寸与过冷度的关系如上图。第第四四节节 晶核的形成晶核的形成形核方式:均匀形核(由相起伏晶胚直接生成晶核) 非均匀形核(

17、依靠于固态杂质质点包括型壁上形成晶核)一、均匀形核一、均匀形核（一）形核时的能量变化和临界晶核半径在一定过冷度条件下，形成一球状晶胚时系统自由能的总变化为：G与晶胚半径的关系曲线如右下页图。图中的rk为临界晶核半径23434rGrSGVGVVTHTGrfmVk22第第四四节节 晶核的形成晶核的形成当r r时，随r的增大系统的自由能降低，故小于r的晶胚长大为晶核；当r = r时，随r的增大或减小均使系统的自由能升高，故等于r的晶胚可能消失，也可能长大成为晶核。临界晶核半径rk与过冷度T成反比，而液体中最大晶胚尺寸rmax随过冷度T的增大而增大。两条曲线的交点所对应的过冷度称为临界过冷度TK。 r

18、k rmax TK T 第第四四节节 晶核的形成晶核的形成THTGrfmVk22第第四四节节 晶核的形成晶核的形成222323131631)2(4)2(34THTSGGGGfmKVVVK只有当过冷度TTK时，液体中最大晶胚尺寸rmax大于或等于临界晶核半径rk时，液体中最大晶胚才有可能长大成为晶核，结晶才能进行。纯金属结晶时均匀形核的临界过冷度大约为0.2Tm。（二）形核功临界形核功GK：临界形核功GK与过冷度的平方成反比，过冷度增大，临界形核功GK显著降低，从而使结晶过程易于运行。形核功由晶核周围的能量起伏提供。第第四四节节 晶核的形成晶核的形成（三）形核率形核率：指在单位时间单位体积液相中

19、形成的晶核数目。形核率受两个方面因素的控制：一方面，随过冷度的增大，临界晶核半径和形核功减小，形核率增大；另一方面，随过冷度的增大，原子的扩散迁移能力减弱，使形核率减小。第第四四节节 晶核的形成晶核的形成二、非均匀形核二、非均匀形核（一）临界晶核半径和形核功非均匀形核示意图非均匀形核的临界晶核半径rk 临界形核功GK 式中称为润湿角。非均匀形核的形核功总是小于均匀形核的形核功,故非均匀形核所需过冷度小于均匀形核所需过冷度。THTGrfmLVLk22)4coscos32()4(3132 LKKrG第第四四节节 晶核的形成晶核的形成（二）影响非均匀形核率的因素1.过冷度2.固体杂质结构3.固体杂质

20、形貌4.过热度5.其他因素第第四四节节 晶核的形成晶核的形成金属结晶形核要点金属结晶形核要点: :1.1.液态金属的结晶必须在过冷的液体中运行，且过冷度必须大于临界液态金属的结晶必须在过冷的液体中运行，且过冷度必须大于临界过冷度。过冷度。2.2.结晶的必要条件是过冷；结晶的热力学条件是固相的自由能小于液结晶的必要条件是过冷；结晶的热力学条件是固相的自由能小于液相的自由能；结晶的结构条件是相起伏；结晶的能量条件是能量起伏。相的自由能；结晶的结构条件是相起伏；结晶的能量条件是能量起伏。3.3.临界晶核半径临界晶核半径r rk k与过冷度成反比，过冷度越大，则与过冷度成反比，过冷度越大，则r rk

21、k值越小，形核值越小，形核率越大，但是形核度有一极大值；临界晶核半径率越大，但是形核度有一极大值；临界晶核半径r rk k与晶核的表面能成与晶核的表面能成正比，表面能越大，形核所需过冷度越大。正比，表面能越大，形核所需过冷度越大。4.4.晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。度下进行。5.5.在工业生产中，实际液态金属的结晶总是以非均匀形核方式为主。在工业生产中，实际液态金属的结晶总是以非均匀形核方式为主。第第五五节节 晶核长大晶核长大晶核长大的必要条件还是过冷。一、固液界面的微观结构一、固液界面的微观结构

22、（微观到原子尺度）（一）光滑界面（二）粗糙界面(金属）第第五五节节 晶核长大晶核长大二、晶体长大机制二、晶体长大机制（一）二维晶核长大机制：长大速度十分缓慢；（二）螺形位错长大机制：长大速度较慢；（三）连续长大机制：长大速度很快。（金属）第第五五节节 晶核长大晶核长大三、固液界面前沿液体中的温度梯度三、固液界面前沿液体中的温度梯度（一）正温度梯度（二）负温度梯度第第五五节节 晶核长大晶核长大四、晶体生长的界面形状四、晶体生长的界面形状晶体形态晶体形态（一）在正温度梯度下生长的界面形态平面长大、晶体长大后具有规则的外形（非金属、化合物或少数几种金属性不强的金属）；（二）（二）在负温度梯度下生长的

23、界面形态呈树枝状长大、晶体长大后呈树枝状（大部分金属和以金属为溶剂的固溶体）。第第五五节节 晶核长大晶核长大五、长大速度五、长大速度G G长大速度与过冷度的关系 G T第第五五节节 晶核长大晶核长大晶体长大的要点：晶体长大的要点：1.1.具有粗糙界面的金属具有粗糙界面的金属, ,其长大机制为连续长大，长大速度大，所需其长大机制为连续长大，长大速度大，所需过冷度小。过冷度小。2.2.具有光滑界面的金属化合物、半金属、（如硅和锑等）或非金属等，具有光滑界面的金属化合物、半金属、（如硅和锑等）或非金属等，其其长大机制可能有两种方式，其一为二维晶核长大方式，其二为螺其其长大机制可能有两种方式，其一为二

24、维晶核长大方式，其二为螺型位错长大方式，它们的长大速度都很慢，所需的过冷度较大。型位错长大方式，它们的长大速度都很慢，所需的过冷度较大。3.3.晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关，晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关，在正的温度梯度长大时，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯在正的温度梯度长大时，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿状；粗糙界面的形态为平行于齿状；粗糙界面的形态为平行于T Tm m等温面的平直界面，呈平面长大方等温面的平直界面，呈平面长大方式。在负的温度梯度长大时，一般金属和半金属的界面都呈树枝状。式。在负的温度梯度长大时，一

25、般金属和半金属的界面都呈树枝状。但也有特殊。但也有特殊。第第五五节节 晶核长大晶核长大六、晶粒大小的控制六、晶粒大小的控制晶粒大小的表示：晶粒度、晶粒的平均面积或晶粒的平均直径。晶粒度：用G表示，N表示在放大100倍下，每平方英寸内晶粒的数目。12GN第第五五节节 晶核长大晶核长大晶粒大小影响金属材料的性能。影响晶粒大小的因素是形核率和晶核的长大速度。单位面积中的晶粒数目ZS为：细化晶粒的方法：1.控制过冷度2.变质处理在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核或抑制晶粒的长大而细化晶粒的方法。3.振动、搅动21)( 1 . 1GNZS第第六六节节 晶核铸锭的组织与缺陷晶核铸锭的

26、组织与缺陷一、铸锭三晶区的形成一、铸锭三晶区的形成（一）表层的细晶区（二）柱状晶区（三）中心等轴晶区第第六六节节 晶核铸锭的组织与缺陷晶核铸锭的组织与缺陷二、铸锭组织的控制二、铸锭组织的控制1.铸型的冷却能力2.浇注温度与浇注速度3.熔化温度三、铸锭缺陷三、铸锭缺陷（一）缩孔1.集中缩孔2.分散缩孔（疏松）（二）气孔（三）夹杂物第第三三章章 二元合金的相结构与结二元合金的相结构与结晶晶【重点】【重点】1.1.合金及相图的基本概念以及相关定律合金及相图的基本概念以及相关定律 2.2.三种基本类型的二元合金相图分析三种基本类型的二元合金相图分析 3. 3.二元合金结晶的过程分析二元合金结晶的过程分

27、析 4. 4.杠杆定律的应用杠杆定律的应用【难点】【难点】合金相图的建立合金相图的建立【授课方式】讲授【授课方式】讲授【教学内容】知识点【教学内容】知识点1 1 合金的相结构合金的相结构 知识点知识点2 2 合金相图的建立合金相图的建立 知识点知识点3 3 匀晶、共晶、包晶相图及合金的结匀晶、共晶、包晶相图及合金的结晶晶 知识点知识点4 4 其他类型的二元相图及二元相图的其他类型的二元相图及二元相图的分析方法和使用分析方法和使用第第一一节节 合金中的相合金中的相合金：合金：由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或烧结等方法而成的具有金属特性的物质。如钢、黄铜、硬质合金等。组元：组元：组成

28、合金最基本的、独立的物质。二元合金：黄铜 Cu-Zn 碳钢 Fe-C三元合金：不锈钢 Fe-C-Cr多元合金:超硬铝 Al-Zn-Mg-Cu合金系：合金系：由相同组元以不同比例配制成的一系列成分不同的合金。如Fe-C合金系：Q195、Q235、45、08、T1O、T12等。相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。如Fe-C合金系中的基本相：铁素体和渗碳体Fe3C相，铁素体属于一种固溶体相；渗碳体Fe3C属于金属化合物相。组织：合金中不同形状、大小、数量和分布的相，相互组合而成的综组织：合金中不同形状、大小、数量

29、和分布的相，相互组合而成的综合体。在显微镜下呈现一定的形貌图象，又称为显微组织。合体。在显微镜下呈现一定的形貌图象，又称为显微组织。第第一一节节 合金中的相合金中的相合金的性能取决于其组织。合金的性能取决于其组织。第第二二节节 合金的相结构合金的相结构根据晶体结构特点，合金中的相结构分为固溶体和金属化合物两大类。一、固溶体一、固溶体固溶体：一种组元溶入另一种组元的晶格中所形成的均匀固相。（一）固溶体的分类1.按溶质原子在晶格中的的位置分为:置换固溶体和间隙固溶体。2.按溶解度(固溶度)分为:有限固溶体和无限固溶体。第第二二节节 合金的相结构合金的相结构3.按溶质原子分布的规律性分为:无序固溶体

30、和有序固体。第第二二节节 合金的相结构合金的相结构（二）影响固溶体溶解度的因素1.晶体结构2.原子尺寸3.电负性4.电子浓度（三）固溶体的结构特征1.保持溶剂的晶格类型；2.溶质原子周围的溶剂晶格畸变。（四）固溶体的性能特征1.固溶强化：在固溶体中，随溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。2.在固溶体中，随溶质浓度的增加，固溶体电阻率升高，而电阻温度系数下降。第第二二节节 合金的相结构合金的相结构二、金属化合物二、金属化合物金属化合物：组元间以一定的金属结合而成的具有一定金属性质的化合物。如钢中的:Fe3C黄铜中的CuZn铝合金中的CuAl2（一）金属化合物的分类1.

31、正常价化合物如铝合金中Mg2Si2.电子化合物如铝合金中CuZn、Cu5Zn8、CuZn33.间隙相如VC4.间隙化合物如钢中的:Fe3C第第二二节节 合金的相结构合金的相结构第第二二节节 合金的相结构合金的相结构（二）金属化合物的晶体结构特征和性能特征晶体结构特征：一般不同于其任一组元的晶格。性能特征：具有高的熔点、硬度和脆性。如ZrC的熔点高达3805C，硬度高达HV2840，45钢的硬度约HV400。三、合金的相组成类型三、合金的相组成类型1.单相固溶体合金，如单相黄铜H90、H70；2.两相或多相固溶体合金，如保险丝用铅-锡合金； 3.固溶体+一个或多个金属化合物相，如碳钢，合金钢，铝

32、合金等。第第三三节节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立相图：表示在平衡条件下合金系中合金的状态（组成相）与温度、成分间关系的图解。又称状态图或平衡图。一、二元相图的表示方法一、二元相图的表示方法二、二元合金相图的测定方法二、二元合金相图的测定方法热分析法、金相法、膨胀法等。以热分析法测定CuNi合金相图书资料为例：1.配制一系列不同成分的CuNi合金；2.测定所配合金的冷却曲线；3.在冷却曲线上找出合金的上临界点(开始结晶温度)点和下临界点(终了结晶温度点)；4.将上述临界点标在温度-成分坐标中并用光滑曲线连接即得到CuNi合金相图。第第三三节节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立第第三

33、三节节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立三、相律及杠杆定律三、相律及杠杆定律（一）相律及其应用相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系，其表达式为：f=C-P+2 f：为平衡系统的自由度数，即平衡系统的独立可变因素（如温度、压力、成分）的数目； C：为平衡系统的组元数； P：为平衡系统的相数。对于金属及合金系统，一般在一个大气压（即压力不变）下生产和研究，故其相律的表达式为：f=C-P+1第第三三节节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立相律应用1.利用相律确定系统中可能共存的最多平衡相数；2.利用相律解释纯金属与二元合金结晶时的一些区别。（二）杠杆定律1.当某一温度

34、二元合金由两平衡相构成时，两平衡相成分点为该温度线与两条平衡曲线的交点；2.当某一温度二元合金由两平衡相构成时，两相的相对量符合杠杆定律。杠杆定律的证明：WL+W=1WLCL+WC=1C由上两式可得：arrbWWL第第三三节节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立第第四四节节 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图:两组元在液态和固态都能无限互溶的二元合金系所形成的相图。例：Cu-Ni、Ag-Au、Fe-Ni、Cr-Mo等。匀晶转变：从液相中结晶出单相固溶体的过程。其表达式为： L（固溶体）一、相图分析一、相图分析点：线：区：第第四四节节 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的

35、结晶二、固溶体合金的平衡结晶过程第第四四节节 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶固溶体合金的结晶与纯金属结晶的区别：1.异分结晶即：固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶。同分结晶平衡分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中的溶质浓度之比值。LCC0第第四四节节 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶2.固溶体在形核时，既需要结构起伏和能量起伏，同时还需要成分起伏。3.固溶体合金的结晶需要一定的温度范围。三、固溶体合金的不平衡结晶三、固溶体合金的不平衡结晶第第四四节节 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶平

36、衡结晶得到的组织：溶质浓度均匀的固溶体；不平衡结晶得到的组织：具有枝晶偏析的溶质浓度不均匀的固溶体。偏析枝晶偏析晶内偏析均匀化退火四、区域偏析与区域提纯四、区域偏析与区域提纯（一）区域偏析在大范围内化学成分不均匀的现象。（二）区域提纯第第四四节节 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶五、成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响五、成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响（一）形成成分过冷的条件及其影响因素成分过冷：由固液界面前沿的液相成分和固液界面前沿的液相的温度梯度共同决定的过冷称为成分过冷。第第四四节节 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶（二）成分过冷对晶体成长形状和

37、铸锭组织的影响 温度梯度 温度梯度 温度梯度 固液界面 温度梯度：平面晶 温度梯度：胞状晶 温度梯度：树枝晶第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶共晶相图：两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。例Pb-Sn、Ag-Cu相图。第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶NMEL一、相图分析一、相图分析：Sn溶于Pb中的固溶体，最大溶解度为19%，：Pb溶于Sn中的固溶体，最大溶解度为2.5%；点：A：Pb的熔点，B：Sn的熔点； M：固溶体的最大溶解度点， N：固溶体的最大溶解度点； E：共晶点共晶转变：从一个

38、液相中同时结晶出两个不同固相的转变。即：线：共晶转变线：MEN线；固溶线：MF线，NG线；区：单相区L；两相区：L+，L+，+；三相L+共存区：MEN线。第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶二、典型合金的平衡结晶及其组织二、典型合金的平衡结晶及其组织（一）含Sn量WSn19%的合金（合金）室温下平衡组织：+第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶（二）共晶合金（合金）室温下平衡组织：（+）第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶（三）亚共晶合金（合金） 室温下平衡组织： 初+（+）第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结

39、晶（四）过共晶合金（合金） 室温下平衡组织： 初+（+）第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶相组成物与组织组成物及其相对量的计算以WSn=30%的Pb-Sn合金为例共晶转变完毕时，该合金的相组成物或称为组成相为+，其相对量为： 30 M N %86%100195 .97305 .97W%14%100195 .971930W第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶%4 .74%100199 .61309 .61初W%6 .25%100199 .611930)(W共晶转变完毕时，该合金的组织组成物 初+（+），其相对量为： 初 30 （+） M E 第第五五

40、节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶初晶(先共晶相)和共晶组织的形态1.初晶的形态:金属或以金属为溶剂的固溶体的初晶一般呈树枝状；金属化合物、半金属或非金属的初晶一般具有边比较整齐的规则外形。第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶2.共晶组织的形态:层片状、棒状、球状、针状、螺旋状、放射状等。第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶三、不平衡结晶及其组织三、不平衡结晶及其组织（一）伪共晶在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金得到的全部共晶组织。即非共晶成分的合金得到的共晶组织。第第五五节节 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其

41、合金的结晶（二）离异共晶在先共晶相数量较多而共晶组织甚少的情况下，有时共晶组织中一先共晶相相同的那一相会依附于先共晶相上生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。四、比重偏析与区域偏析四、比重偏析与区域偏析（一）比重偏析（二）区域偏析1.正偏析：铸件中低熔点元素的含量从先凝固的外层到后凝固的内层逐渐增多，高熔点元素的含量则逐渐减少，这种区域偏析称为正偏析。2.反偏析（负偏析）：低熔点元素富集在铸锭（件）先凝固的外层的现象。第第六六节节 包晶相图及其合金的结晶包晶相图及其合金的结晶包晶相图：两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限互溶，并

42、发生包晶转变的二元系相图。例Pt-Ag、Cu-Sn相图等。第第六六节节 包晶相图及其合金的结晶包晶相图及其合金的结晶一、相图分析一、相图分析：Ag溶于Pt中的固溶体，最大溶解度为10.5%：Pt溶于Ag中的固溶体，最大溶解度为57.6%；点：A：Pt的熔点1772，B：Ag的熔点961.93； c：固溶体的最大溶解度点； d：包晶转变时液相的成分点； e：包晶点。共晶转变：一定成分液相和一定成分的固相作用，形成另一个固相的转变。转变式为：线：包晶转变线：ced线；固溶线：cf线，eg线；区：单相区L；两相区：L+，L+，+；三相L+共存区：ced线。ecdL第第六六节节 包晶相图及其合金的结晶

43、包晶相图及其合金的结晶二、典型合金的平衡结晶过程及其组织二、典型合金的平衡结晶过程及其组织（一）含银量WAg=42.4%的Pt-Ag合金（合金）室温下平衡组织：+第第六六节节 包晶相图及其合金的结晶包晶相图及其合金的结晶WAg=42.4%的Pt-Ag合金温度降低到1186时，合金中相的成分点达到c点，液相的成分达到d点，它们的相对含量由杠杆定律可求出为： 在温度1186点，液相L和固相发生包晶转变：转变结束后，液相L和固相消失，全部转变为固溶体。%2 .57%1005 .103 .665 .104 .42LW%8 .42%1005 .103 .664 .423 .66WecdL第第六六节节 包

44、晶相图及其合金的结晶包晶相图及其合金的结晶（二）含银量WAg=10.5%42.4%的Pt-Ag合金（合金）室温下平衡组织：+第第六六节节 包晶相图及其合金的结晶包晶相图及其合金的结晶（三）含银量WAg=42.4%66.3%的Pt-Ag合金（合金）室温下平衡组织：+三、不平衡结晶及其组织三、不平衡结晶及其组织1.共晶转变的不完全性2.非包晶线的合金发生包晶转变四、包晶转变的实际应用四、包晶转变的实际应用细化晶粒的作用第第七七节节 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图一、组元间形成化合物的相图一、组元间形成化合物的相图（一）形成稳定化合物的相图（二）形成不稳定化合物的相图第第七七节节 其他

45、类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图CuLL8736二、偏晶、熔晶和合晶相二、偏晶、熔晶和合晶相图图（一）偏晶相图：偏晶转变：一定成分的液相L1在一定温度下分解为一定成分的固相和另一个成分的液相L2的转变。如Cu-Pb相图中的偏晶转变。第第七七节节 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图（二）熔晶相图：熔晶转变：一定成分的固相在一定温度下转变另一个固相和液相的转变。如Fe-B相图中的熔晶转变。 + L L第第七七节节 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图（三）合晶相图：合晶转变：两个一定成分的液相在一定温度下相互作用形成一个固相的恒温转变。如Na-Zn相图中的晶转变。 L L

46、1 1 + L+ L2 2 三、具有固态转变的二元合金相图三、具有固态转变的二元合金相图（一）共析转变一定成分的固相，在一定温度下分解为另外两个一定成分固相的转变过程。如Fe-Fe3C相图中的共析转变。其转变式为:S P +Fe3C所得组织称为共析组织，比共晶组织更细密。(二)包析转变两个一定成分的固相在恒温下转变为一个新的一定成分固相的过程。如Fe-B相图中的包析转变,其转变式为:第第七七节节 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图 + Fe + Fe2 2B B (三)固溶体的同素异构转变 如Fe-Fe3C相图中的铁素体(体心立方)转变为奥氏体(面心立方)，再冷却下来转变为铁素体(体

47、心立方)。 （四）有序-无序转变 如Cu-Zn相图中的无序固溶体相，在一定温度下转变为有序固溶体相 （五）磁性转变 如Fe-Fe3C相图中的铁素体的磁性转变。第第八八节节 二元相图的分析和使用二元相图的分析和使用一、相图分析步骤一、相图分析步骤1）首先看相图中是否存在稳定化合物，以稳定化合物作为组元，把相图分成几部分。2）理解相图中单相区中所标的相，根据相区接触法则即相邻相区的相数差为1（点接触除外），弄清其它相区的组成相。3）找出三相共存水平线，与三个单相区成点接触，与三个两相区成线接触。4）利用相图分析典型合金的结晶过程及组织。二、应用相图时要注意的问题二、应用相图时要注意的问题1）相图反

48、映的是在平衡条件下相的平衡，而不是组织的平衡；2）相图给出的是平衡状态时的情况；3）二元相图只反映二元系合金相的平衡关系。第第八八节节 二元相图的分析和使用二元相图的分析和使用三、根据相图判断合金的性能三、根据相图判断合金的性能1）根据相图判断合金的力学性能和物理性能第第八八节节 二元相图的分析和使用二元相图的分析和使用（二）根据相图判断合金的铸造性能铸造性能：缩孔性质、流动性、成分偏析倾向等。第第四四章章 铁碳合金铁碳合金重点】重点】 1. 1.铁碳合金的组成相及分类铁碳合金的组成相及分类 2.Fe-Fe2.Fe-Fe3 3C C相图分析相图分析 3. 3.典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织典

49、型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 4. 4.铁碳合金相组成物及组织组成物相对量的计算铁碳合金相组成物及组织组成物相对量的计算 5. 5.铁碳合金成分铁碳合金成分-组织组织-性能之间的变化规律性能之间的变化规律 【难点】【难点】钢中杂质元素的影响钢中杂质元素的影响【授课方式】讲授【授课方式】讲授【教学内容】知识点【教学内容】知识点1 1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 知识点知识点2 2 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图分析相图分析 知识点知识点3 3 铁碳合金的平衡结晶过程及组织铁碳合金的平衡结晶过程及组织 知识点知识点4 4 含碳量对铁碳合金的平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳

50、合金的平衡组织和性能的影响 知识点知识点5 5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织第第一一节节 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相一、纯铁一、纯铁熔点：1538，汽化点：2738，密度：在20时为7.87g/cm3。（一）铁的同素异构转变（二）铁素体与奥氏体铁素体：碳溶于-Fe中的间隙 固溶体。表示符号为 F 或 最大溶解度为0.0218%。碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为高温铁素体 。用符号表示最大溶解度为0.09%。铁素体的性能与纯铁基本相同，即强度、硬度不高，塑性、韧性良好。居里点也是770（A2）第第一一节节 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相奥氏体：碳

51、溶于-Fe中的间隙固溶体。表示符号为 A 或 最大溶解度为2.11%。奥氏体的性能：塑性很好，不具有铁磁性，是顺磁性相。（三）纯铁的性能与用途性能：塑性、韧性很好，硬度低，约80HBW，强度很低；导磁率高。用途：软磁材料铁芯。二、渗碳体二、渗碳体铁与碳以一定的金属键形成的金属化合物FeFe3 3C C，属间隙化合物，铁碳原子个数比为1:3，其含碳量为6.69%。性能特征：硬度很高为800HBW，但塑性很差。在230（A0）以下具有弱铁磁性。理论熔点为1227。第第一一节节 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相渗碳体的晶体结构图：第第二二节节 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图分析相图

52、分析一、相图中的点、线、区一、相图中的点、线、区及其意义及其意义单相区：5个两相区：7个三相区：三条三相共存线。二、包晶转变二、包晶转变（水平线HJB）三、共晶转变三、共晶转变（水平线ECF）CFeLECC31148 JCHBL 1495第第二二节节 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图分析相图分析%3 .111%7 .880218. 069. 677. 069. 63WWPKSKWCFe共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体的混合物称为莱氏体。表示符号为Ld。四、共析转变四、共析转变（水平线PSK）共析转变所形成的铁素体和渗碳体的混合物称为珠光体。表示符号为P。根据杠杆定律可计算出珠光体中铁素体和渗

53、碳体的相对量，即CFePCS3727 第第二二节节 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图分析相图分析莱氏体组织 珠光体的组织第第二二节节 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图分析相图分析五、三条重要的特性曲线五、三条重要的特性曲线（一）GS线 GS线又称A3线，它是在冷却过程中从奥氏体中析出铁素体的开始线，也是在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线。（二）ES线 ES线又称Acm线，它是碳在奥氏体中的溶解度曲线，当奥氏体冷却到ES线以下，从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3C。（三）PQ线 PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线，当铁素体冷却到PQ线以下，从铁素体中析出三次渗碳体Fe3C。第第三三节节 铁碳

54、合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的分类：1.工业纯铁2.碳钢1)亚共析钢2)共析钢3)过共析钢3.白口铸铁1)亚共晶白口铁2)共晶白口铁3)过共晶白口铁第第三三节节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织一、一、W WC C=0.01%=0.01%的工业纯铁的平衡结晶过程的工业纯铁的平衡结晶过程室温下其平衡组织为:F(F(或 ) +Fe3C(极少量)第第三三节节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织二、共析钢的平衡结晶过程二、共析钢的平衡结晶过程室温下其平衡组织为:P第第三三节节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合

55、金的平衡结晶过程及其组织三、亚共析钢的平衡结晶过程三、亚共析钢的平衡结晶过程室温下其平衡组织为:F+P第第三三节节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织四、过共析钢的平衡结晶过程四、过共析钢的平衡结晶过程室温下其平衡组织为:P+Fe3C第第三三节节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织五、共晶白口铁的平衡结晶过程五、共晶白口铁的平衡结晶过程室温下其平衡组织为:Ld第第三三节节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织六、亚共晶白口铁的平衡结晶六、亚共晶白口铁的平衡结晶过程过程室温下其平衡组织为:P+Fe3C+Ld第第三三节节

56、铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织七、过共晶白口铁的平衡结晶七、过共晶白口铁的平衡结晶过程过程室温下其平衡组织为：Fe3C+Ld第第三三节节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金按组织组成物填图：第第三三节节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金按组织组成物填图：第第四四节节 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响一、对平衡组织的影响一、对平衡组织的影响二、对力学性能的影响二、对力学性能的影响铁碳合金的成分平衡组织组成物（和相组成物）性能之间关系如右图：第第四四节节 含碳

57、量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响三、对工艺性能的影响三、对工艺性能的影响（一）切削加工性能：包括切削速度、切削力、表面粗糙度等。钢的硬度在250HBW左右的切削加工性能好，低碳钢硬度低，易粘刀，影响表面粗糙度，切削加工性能不好。（二）可锻性：金属在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能，取决于塑性又称延展性。低碳钢的可锻性较好，随含碳量增加，可锻性逐渐变差。奥氏体具有良好的塑性，具有良好的可锻性。钢的始轧温度一般在1200左右，终轧温度在850左右。（为什么？）（三）铸造性：包括液态金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。1.流动性:最主要的影响因素是化学成分和

58、浇注温度。第第四四节节 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响成分的影响：结晶温度范围越大，流动性越差。浇注温度的影响：过热度越大，流动性越好。共晶白口铁的铸造性最好。2.收缩性收缩阶段包括：（1）液态收缩（2）凝固收缩（3）固态收缩碳钢随含碳量的增大,其体积收缩率越大.3.枝晶偏析固相线和液相线的水平距离和垂直距离越大，枝晶偏析越严重。第第五五节节 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织一、钢中的杂质元素及其影响（一）锰（有益）来源：炼钢过程中加的脱氧剂。含量：一般WMn0.8%，但有的情况下控制在0.81.2%之间。存在形式：固溶于铁素体中或形成合金