清华大学工程材料22学习教案

1、会计学1清华大学清华大学(qn hu d xu)工程材料工程材料22第一页，共63页。 在常压下，二元合金的相状态决定在常压下，二元合金的相状态决定(judng)(judng)于温度和成分。二元合金相图用温度于温度和成分。二元合金相图用温度成分坐标系的平面图来表示。成分坐标系的平面图来表示。铜镍二元合金铜镍二元合金(hjn)(hjn)相图相图 图中的每一点表图中的每一点表示示(biosh)(biosh)一定成分一定成分的合金在一定温度时的合金在一定温度时的稳定相状态。的稳定相状态。 第1页/共63页第二页，共63页。二元合金的结晶二元合金的结晶 一、发生一、发生(fshng)(fshng)匀晶

2、反应的合金的结晶匀晶反应的合金的结晶 1. 1. 结晶过程结晶过程 匀晶反应：匀晶反应： LL固溶体固溶体 Cu-Ni Cu-Ni、Fe-CrFe-Cr、Au-AgAu-Ag合金具有匀晶相图。合金具有匀晶相图。Cu-Ni相图相图(xin t) aa1c aa1c 线为液相线线为液相线, , 该线该线以上合金以上合金(hjn)(hjn)处于液相处于液相; ; ac1c ac1c 线为固相线线为固相线, , 该线该线以下合金以下合金(hjn)(hjn)处于固相。处于固相。 单相区单相区 L L相：相：液相液相, Cu, Cu和和NiNi形成的液溶体形成的液溶体; 相：相：CuCu和和NiNi组成的

3、组成的无限固溶体。无限固溶体。 双相区双相区: :L + L + 相区相区。第2页/共63页第三页，共63页。匀晶结晶匀晶结晶(jijng)(jijng)过程过程第3页/共63页第四页，共63页。 2. 2. 匀晶结晶特点匀晶结晶特点(tdin)(tdin) (1) (1) 形核与长大形核与长大 与纯金属一样与纯金属一样, , 固溶体结晶也包括形核、固溶体结晶也包括形核、长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。 (2) (2) 变温结晶变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进行固溶体结晶在一个温度区间内进行, , 变温结晶变温结晶。第4页/共63页第五页，共6

4、3页。 (3) (3) 两相的成分两相的成分(chng fn)(chng fn)确定确定 在两相区内在两相区内, , 温度一定时温度一定时, , 两相的成分两相的成分(chng fn)(chng fn)(即即L L相中相中NiNi的质量分数和的质量分数和相中相中NiNi的质量分数的质量分数) )确定。确定。 过温度过温度T1T1作水平线作水平线, , 交液相线和固相线于交液相线和固相线于a1a1、c1c1。 a1 a1、c1c1点在成分点在成分(chng fn)(chng fn)轴上轴上的投影点即为的投影点即为L L相和相和相相中中NiNi的质量分数。的质量分数。 随着温度随着温度(wnd)(

5、wnd)的下降的下降, , 液相成分沿液液相成分沿液相线变化相线变化, , 固相成分沿固相成分沿固相线变化。固相线变化。匀晶结晶匀晶结晶(jijng)第5页/共63页第六页，共63页。 (4) (4) 两相的质量比一定两相的质量比一定 在两相区，温度一定时在两相区，温度一定时, , 两相的质量符合两相的质量符合杠杆杠杆(gnggn)(gnggn)定律。定律。 在在T1T1温度时：温度时： QL: L QL: L 相的质量相的质量(zhling);(zhling); Q: Q:相的质量相的质量(zhling); (zhling); a1b1 a1b1、b1c1 b1c1 为线段长度。为线段长度。

6、 液相的质量分数液相的质量分数: : 相的质量分数相的质量分数: :第6页/共63页第七页，共63页。老师提示老师提示 杠杆的两个端点为给定杠杆的两个端点为给定(i dn)(i dn)温度时两温度时两相的成分点相的成分点, ,支点为合金的成分点。支点为合金的成分点。 杠杆定律只适用于相图中的两相区；杠杆定律只适用于相图中的两相区； 杠杆定律只能在平衡状态下使用。杠杆定律只能在平衡状态下使用。第7页/共63页第八页，共63页。 (5) (5) 容易产生枝晶偏析容易产生枝晶偏析 固溶体结晶时成分固溶体结晶时成分(chng fn)(chng fn)变化。变化。 慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分慢冷

7、时原子扩散充分进行，固溶体成分(chng (chng fn)fn)均匀。均匀。 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分快冷时原子扩散不充分，固溶体成分(chng fn)(chng fn)不均匀。不均匀。 枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分(chng fn)(chng fn)分分布不均匀。布不均匀。Cu-Ni合金合金(hjn)枝晶偏析示意图枝晶偏析示意图 对材料的机械性能、抗腐蚀性对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。能、工艺性能都不利。 扩散退火：把合金加热到低于扩散退火：把合金加热到低于固相线固相线100 100 左右左右, , 长时间保温长时间保温(bown),

8、 (bown), 原子充分扩散原子充分扩散, , 获得成获得成分均匀的固溶体。分均匀的固溶体。第8页/共63页第九页，共63页。 二、发生共晶反应的合金的结晶(jijng) Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相图。 Pb-Sn合金相图中有三个单相区: L：Pb与Sn形成的液溶体 ：Sn溶于Pb中的有限固溶体 ：Pb溶于Sn中的有限固溶体 三个双相区：三个双相区：L+L+、L+L+、+ + 一条一条L+L+三相三相(sn xin)(sn xin)共存线共存线( (水平水平线线cde )cde )。 这种相图称共晶相图这种相图称共晶相图。Pb-Sn合金合金(hjn)相图相图 d d点为

9、点为共晶点共晶点, , 表示表示d d点成分点成分( (共晶成分共晶成分) )的液的液相合金冷却到相合金冷却到d d点温度点温度( (共晶温度共晶温度) )时时, , 共同结晶出共同结晶出c c点成分的点成分的相和相和e e 点成分的点成分的 相。相。 L Ld d(c c+e e) ) 共晶反应：共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两一种液相在恒温下同时结晶出两种种固相的反应，生成的两相固相的反应，生成的两相混合物叫混合物叫共晶体共晶体。 发生共晶反应时三相发生共晶反应时三相共存共存, , 三相各自成分确定三相各自成分确定, , 恒温进行。恒温进行。 第9页/共63页第十页，共63页。 Pb

10、-Sn合金合金(hjn)相图相图 水平线水平线cdecde为共晶反应线为共晶反应线, , 成分在成分在cece之间的合金之间的合金(hjn)(hjn)平衡结晶时都会发生共晶反应。平衡结晶时都会发生共晶反应。 cf cf 线为线为SnSn在在PbPb中的溶解度线中的溶解度线(相的固溶线相的固溶线) )。SnSn含含量大于量大于f f点的合金从高温冷却点的合金从高温冷却(lngqu)(lngqu)到室温时到室温时, , 从从相中析出相中析出相，叫二次相，叫二次：IIII。 egeg线线为为PbPb在在SnSn中溶中溶解度线。解度线。SnSn含量小含量小g g点点的合金的合金, , 冷却过程中同冷却

11、过程中同样发生二次结晶样发生二次结晶, , 析出析出二次二次。第10页/共63页第十一页，共63页。 1. 1. 合金合金I I的平衡的平衡(pnghng)(pnghng)结晶过程结晶过程 合金合金(hjn)(hjn)室温组织为室温组织为+II +II 。 其组成相是：其组成相是：f f点成分的点成分的相相 g g点成分的点成分的相。相。 运用杠杆定律运用杠杆定律, , 两相的质量分数为：两相的质量分数为：第11页/共63页第十二页，共63页。 组织组成物可以是单相组织组成物可以是单相(dn xin), (dn xin), 或是两或是两相混合物。相混合物。组织组成组织组成(z chn)物物 合

12、金组织中那些合金组织中那些具有确定本质具有确定本质, 一定形成机制的特殊形一定形成机制的特殊形态的组成态的组成(z chn)部分。部分。 合金合金I I的室温组织为的室温组织为+II+II 组织由组织由和和II II 二部分二部分(b fen)(b fen)组成组成, , 和和IIII为组织组成物。为组织组成物。 组织组成物组织组成物和和IIII 都为单相组成都为单相组成, , 所以所以组织组成物组织组成物、IIII的质量分数与组成相的质量分数与组成相、的质量分数相等。的质量分数相等。第12页/共63页第十三页，共63页。 2. 2. 合金合金(hjn)II(hjn)II(共晶合金共晶合金(h

13、jn)(hjn)的结晶过程的结晶过程 合金的室温组织：合金的室温组织：共晶体共晶体(+)(+) 组织组成物：组织组成物：(+)(+) 组成相：组成相：和和相相共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态 第13页/共63页第十四页，共63页。 3. 3. 合金合金(亚共晶合金亚共晶合金) )的结晶的结晶(jijng)(jijng)过程过程 合金室温组织：合金室温组织：初生初生+二次二次+(+)+(+) 组织组成物：组织组成物：、二次、二次、(+)(+) 组成相：组成相：、 组成相组成相的质量分数为：的质量分数为：第14页/共63页第十五页，共63页。 过共晶合金过共晶合金(hjn)(hjn)(合金合金

14、(hjn)(hjn)： 位于共晶点右边位于共晶点右边, , 成分在成分在 de de之间的合金之间的合金(hjn)(hjn)。 练习练习(linx)：分析过共晶合金的结晶过程。：分析过共晶合金的结晶过程。 过共晶合金室温过共晶合金室温(sh wn)(sh wn)组织为组织为: : 初生初生+二次二次+(+)+(+)第15页/共63页第十六页，共63页。亚共晶合金亚共晶合金(hjn)组织组织 过共晶合金过共晶合金(hjn)组织组织 亚共晶亚共晶(n jn)合金和过共晶合金和过共晶(n jn)合金合金组织组织初生初生(ch shn)+(ch shn)+二次二次+(+)+(+)初生初生+二次二次+(

15、+)+(+)第16页/共63页第十七页，共63页。 三、发生包晶反应的合金(hjn)的结晶 Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金(hjn)具有包晶相图。Pt-Ag合金合金(hjn)相相图图 Pt-Ag Pt-Ag合金相图中存合金相图中存在三种相在三种相: : L L相相:Pt:Pt与与AgAg形成的形成的液溶体液溶体(rn t)(rn t) 相相:Ag:Ag溶于溶于PtPt中的中的有限固溶体有限固溶体(rn t)(rn t) 相相:Pt:Pt溶于溶于AgAg中的中的有限固溶体有限固溶体(rn t)(rn t) e e点点为包晶点。为包晶点。 e e点成分的合金冷却到点成分的合金冷却到 e e

16、点温度点温度( (包晶温度包晶温度) )时发生包时发生包晶反应：晶反应： L+L+ 。 反应时三相共存反应时三相共存, , 它们它们的成分确定的成分确定, , 恒温进行。恒温进行。 水平线水平线cedced 为包晶反应为包晶反应线。线。 cfcf为为AgAg在在中的溶解度中的溶解度线线, , egeg为为PtPt在在中的溶解中的溶解度线。度线。 第17页/共63页第十八页，共63页。 2 222点点 c c点成分的点成分的相与相与d d点成分的点成分的L L相相发生包晶反应：发生包晶反应：L+L+ 反应结束反应结束, L, L相与相与相正好相正好(zhngho)(zhngho)全全部反应耗尽部

17、反应耗尽, , 形成形成e e点成分的点成分的固溶体。固溶体。 2 23 3点点 中析出二次中析出二次 。合金合金I I的结晶的结晶(jijng)(jijng)过程过程室温室温(sh wn)(sh wn)组织组织+二次二次组成相组成相 、 第18页/共63页第十九页，共63页。 四、发生共析反应的合金的结晶 共析相图形状(xngzhun)与共晶相图相似。共析相图共析相图(xin t)(xin t) d d 点成分点成分( (共析成分共析成分) )合金合金从液相经过匀晶反应从液相经过匀晶反应(fnyng)(fnyng)生成生成相相, , 冷却到冷却到d d 点温度点温度( (共共析温度析温度)

18、)时时, , 恒温发生共析反应恒温发生共析反应(fnyng):(fnyng):(+)(+) 一种固相转变成完全不同一种固相转变成完全不同的两种固相的两种固相. . 共析反应共析反应(fnyng)(fnyng)产物两产物两相混合物称为共析体。相混合物称为共析体。 共析相图中各种成分合金共析相图中各种成分合金的结晶过程与共晶相图类似。的结晶过程与共晶相图类似。 共析反应在固态下进行共析反应在固态下进行, , 共析产物比共晶产物要细密。共析产物比共晶产物要细密。 第19页/共63页第二十页，共63页。 五、含有稳定化合物的合金的结晶 稳定化合物:具有一定(ydng)的化学成分、固定的熔点, 熔化前不

19、分解, 也不发生其它化学反应。 如:Mg-Si合金能形成稳定化合物Mg2Si。 Mg-Si合金相图属于含有稳定化合物的相图 把稳定化合物看成独把稳定化合物看成独立立(dl)(dl)的组元的组元, , 相图分相图分成几个简单相图。成几个简单相图。 Mg-Si Mg-Si相图可分为相图可分为Mg-Mg-Mg2SiMg2Si和和Mg2Si-SiMg2Si-Si两个相图分析。两个相图分析。含有稳定含有稳定(wndng)化合物的相图化合物的相图第20页/共63页第二十一页，共63页。合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系 合金的性能取决于它的成分和组织。合金的性能取决于它的成分和组织。 相图则可反

20、映相图则可反映(fnyng)(fnyng)不同成分的合不同成分的合金在室温时的平衡组织。金在室温时的平衡组织。 因此因此, , 具有平衡组织的合金的性能与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。相图之间存在着一定的对应关系。 第21页/共63页第二十二页，共63页。 固溶体性能固溶体性能 溶质的溶入量越多，晶溶质的溶入量越多，晶格格(jn )(jn )畸变越大，则畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电合金的强度、硬度越高，电阻越大。阻越大。 当溶质原子含量大约为当溶质原子含量大约为50%50%时，晶格时，晶格(jn )(jn )畸变畸变最大，性能达到极大值。最大，性能达到极大值。

21、 性能与成分的关系曲线性能与成分的关系曲线具有透镜状。具有透镜状。 合金合金(hjn)的使用性能与相图的使用性能与相图的关系示意图的关系示意图 一、合金(hjn)的使用性能与相图的关系 两相组织合金的性能两相组织合金的性能 性能与成分呈直线关系性能与成分呈直线关系变化。变化。 组成相或组织组成物越组成相或组织组成物越细密，强度越高细密，强度越高( (图中虚线图中虚线) )。 形成化合物时，性能形成化合物时，性能- -成成分曲线在化合物成分处出现极大分曲线在化合物成分处出现极大值或极小值。值或极小值。第22页/共63页第二十三页，共63页。 二、合金的工艺性能与相图(xin t)的关系 合金的铸

22、造性能 纯金属和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。 液、固相线温度间隔大时液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大，形成枝晶偏析的倾向性大, ,阻碍未结晶液体的流动，增多阻碍未结晶液体的流动，增多分散分散(fnsn)(fnsn)缩孔。缩孔。 铸造合金常选共晶或接近铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。共晶的成分。合金的铸造性能合金的铸造性能与相图与相图(xin t)的关系示意图的关系示意图第23页/共63页第二十四页，共63页。 合金的锻造性合金的锻造性 单相合金的锻造性能好。变形抗力小单相合金的锻造性能好。变形抗力小，变形均匀，不易开裂，变形能力，变形均匀，不易开裂，变形能

23、力(nngl)(nngl)大。大。 双相组织的合金变形能力双相组织的合金变形能力(nngl)(nngl)差差些。些。 组织中存在有较多的化合物相（很脆组织中存在有较多的化合物相（很脆）时，合金变形能力）时，合金变形能力(nngl)(nngl)差。差。第24页/共63页第二十五页，共63页。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：重点内容老师提示：重点内容 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材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料的应用以及(yj)(yj)热加工和热处理工艺的制订也热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。具有重要的指导意义。 铁

24、和碳可以形成一系列化合物，如铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3CFe3C、Fe2CFe2C、FeCFeC等。等。 有实用意义的是有实用意义的是Fe-Fe3CFe-Fe3C部分，称为部分，称为 Fe-Fe3C Fe-Fe3C相相图。图。 此时相图的组元为此时相图的组元为FeFe和和Fe3CFe3C。第25页/共63页第二十六页，共63页。Fe-Fe3CFe-Fe3C相图相图(xin t) (xin t) A A：15381538、0 %0 %C C：11481148、4.30 %4.30 %E E：11481148、2.11 %2.11 %F F：11481148、6.69 % 6.69 %

25、G G：912 912 、0 %0 %J J：14951495、0.17 %0.17 %N N：13941394、0 %0 %P P：727 727 、0.02 %0.02 %S S：727 727 、0.77 %0.77 %Q Q：600 600 、0.0057 %0.0057 % 重要重要(zhngyo)点温度、碳质量分数点温度、碳质量分数 第26页/共63页第二十七页，共63页。 1. 1. 铁碳合金的组元铁碳合金的组元 (1) Fe (1) Fe 铁是过渡族元素铁是过渡族元素, , 熔点为熔点为15381538。 密度是密度是7.87g/cm37.87g/cm3。 纯铁从液态结晶纯铁从

26、液态结晶(jijng)(jijng)为固态后为固态后, , 继续冷继续冷却到却到13941394及及912912时时, , 先后发生两次同素异构转先后发生两次同素异构转变。变。 纯铁的机械性能：强度低、硬度纯铁的机械性能：强度低、硬度(yngd)(yngd)低、塑性低、塑性好。好。 抗拉强度抗拉强度 b 180 MPa b 180 MPa230 MPa230 MPa 屈服强度屈服强度 0.2 100 MPa 0.2 100 MPa170 MPa 170 MPa 延伸率延伸率 30% 30%50% 50% 断面收缩率断面收缩率 70% 70%80% 80% 冲击韧度冲击韧度 ak 1.6 ak

27、1.6106 J/m2106 J/m22 2106 J/m2 106 J/m2 硬度硬度(yngd) 50 HB(yngd) 50 HB80 HB 80 HB (2) Fe (2) Fe3 3C C Fe Fe3 3C C是是FeFe与与C C的一种具有复杂结构的间隙化合的一种具有复杂结构的间隙化合物物, , 通常称为渗碳体通常称为渗碳体, , 用用CmCm表示。表示。 渗碳体的机械性能特点渗碳体的机械性能特点是硬而脆。是硬而脆。 800 HB 800 HB 0 00 00 030 MPa30 MPa硬度硬度冲击冲击韧度韧度a ak k 断面断面收缩率收缩率 延伸率延伸率抗拉强度抗拉强度极限极

28、限 b b 第27页/共63页第二十八页，共63页。2. 2. 铁碳合金铁碳合金(hjn)(hjn)中的相中的相 (1) (1) 液相液相L L 液相液相L L是铁与碳的液溶体。是铁与碳的液溶体。 (2) (2) 相相 相又称高温铁素体相又称高温铁素体, , 是碳在是碳在-Fe-Fe中的间隙固溶中的间隙固溶体体, ,呈体心立方晶格呈体心立方晶格, , 在在13941394以上以上(yshng)(yshng)存在存在。F F或或表示表示, , 是碳在是碳在-Fe-Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体, , 体心立体心立方晶格，碳的固溶度极小方晶格，碳的固溶度极小, , 室温时约为室温时约为0.000

29、8%0.0008%。在。在727 727 时溶碳量最大（时溶碳量最大（0.0218%0.0218%）。）。 铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。机械铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。机械性能与纯铁大致相同。性能与纯铁大致相同。(3) (3) 相相 相也称相也称铁素体铁素体, , 用用 相常称相常称奥氏体奥氏体, , 用符号用符号A A或或表示表示, , 是碳在是碳在-Fe -Fe 中的间隙固溶体中的间隙固溶体, , 面心立方晶格，碳的固溶面心立方晶格，碳的固溶度较大度较大, , 在在1148 1148 时溶碳量最大达时溶碳量最大达2.11%2.11%。 奥氏体的强度较低奥氏体的强度较低, ,

30、 硬度不高硬度不高, , 易于塑性变形易于塑性变形。 (4) (4) 相相 (5) Fe3C (5) Fe3C相相 Fe3C Fe3C相是相是FeFe与与C C的一种具有复杂结构的间隙的一种具有复杂结构的间隙(jin x)(jin x)化合物化合物, , 性能特点是硬而脆。性能特点是硬而脆。 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态、粒状等形态, , 对铁碳合金的机械性能有很大影响对铁碳合金的机械性能有很大影响。 第28页/共63页第二十九页，共63页。 3. 3. 相图中重要相图中重要(zhngyo)(zhngyo)的点和线的点和线 (1)

31、 (1) 重要重要(zhngyo)(zhngyo)的点的点 J J点（包晶点）点（包晶点） C C点（共晶点）点（共晶点） 共晶反应在恒温下进行共晶反应在恒温下进行, , 反应过程中反应过程中L L、A A、Fe3CFe3C三相三相(sn xin)(sn xin)共存，三相共存，三相(sn xin)(sn xin)成成分一定。分一定。第29页/共63页第三十页，共63页。 共晶反应共晶反应(fnyng)(fnyng)产物是奥氏体与渗碳产物是奥氏体与渗碳体的混和物体的混和物, , 称莱氏体（称莱氏体（LeLe）。）。 其中的渗碳体称共晶渗碳体。其中的渗碳体称共晶渗碳体。 显微镜下莱氏体形态：显微

32、镜下莱氏体形态： 块状或粒状块状或粒状A(727A(727时转变成珠光体时转变成珠光体) )分分布在渗碳体基体上。布在渗碳体基体上。第30页/共63页第三十一页，共63页。 S S点（共析点）点（共析点） 共析反应在恒温下进行共析反应在恒温下进行, , 反应过程中反应过程中, A, A、F F、Fe3CFe3C三相三相(sn xin)(sn xin)共存，三相共存，三相(sn xin)(sn xin)成分一定。成分一定。 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物合物, , 称珠光体称珠光体, , 以符号以符号P P表示。表示。 珠光体中的渗碳体称共析渗碳

33、体。珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。第31页/共63页第三十二页，共63页。 珠光体形态珠光体形态(xngti)(xngti)：显微镜下珠光体：显微镜下珠光体的形态的形态(xngti)(xngti)呈层片状。相间分布渗碳体呈层片状。相间分布渗碳体片与铁素体片。片与铁素体片。 珠光体性能：强度较高珠光体性能：强度较高, , 塑性、韧性和塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。硬度介于渗碳体和铁素体之间。珠光体机械性能珠光体机械性能抗拉强度极限抗拉强度极限/ /b b 冲击韧性冲击韧性a ak k 延伸率延伸率硬度硬度770 MPa 770 MPa 3 310105 5 J/m J/m2 2 4 4

34、10105 5 J/mJ/m2 2 20%20%35%35%180 HB 180 HB 第32页/共63页第三十三页，共63页。 E E点点 1148 1148，2.11%C2.11%C 碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 P P点点 727 727，0.0218%C0.0218%C 碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 B B点点 1495,0.53 %C 1495,0.53 %C包晶转变时液态合金包晶转变时液态合金(hjn)(hjn)的成分的成分 第33页/共63页第三十四页，共63页。 水平线水平线HJB :HJB :包晶反应包晶反应(fnyng)(fnyng)

35、线线 发生包晶反应发生包晶反应(fnyng)(fnyng)。 水平线水平线ECF :ECF :共晶共晶(n (n jn)jn)反应线反应线 发生共晶发生共晶(n (n jn)jn)反应。反应。 水平线水平线PSK :PSK :共析反应共析反应(fnyng)(fnyng)线线 发生共析反应发生共析反应(fnyng)(fnyng)。亦称。亦称A1A1线。线。(2) Fe-Fe(2) Fe-Fe3 3C C相图中重要的线相图中重要的线 GSGS线线 A A中开始析出中开始析出F F临界温度线临界温度线, , 称称A A3 3线。线。 ESES线线 碳在碳在A A中的固溶线，叫中的固溶线，叫A Acm

36、cm线。从线。从A A中析出中析出FeFe3 3C C，叫二次渗碳体，叫二次渗碳体(Fe(Fe3 3C CIIII) )。亦是。亦是A A中开始析出中开始析出FeFe3 3C CIIII的的临界温度线。临界温度线。 PQPQ线线 是碳在是碳在F F中固溶线。是中固溶线。是F F中开始析出中开始析出FeFe3 3C CIIIIII的的临界温度线。临界温度线。 FeFe3 3C CIIIIII数量极少数量极少, , 往往予以忽略。往往予以忽略。第34页/共63页第三十五页，共63页。 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3类7种： (1)工业(gngy)纯铁 w

37、(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% 第35页/共63页第三十六页，共63页。几种几种(j zhn)(j zhn)碳钢的钢号和碳质量分数碳钢的钢号和碳质量分数 类型类型亚共析钢亚共析钢 共析钢共析钢过共析钢过共析钢钢号钢号 204560T8T10T12碳质量分数碳质量分数/%

38、0.200.450.60 0.801.001.20第36页/共63页第三十七页，共63页。典型铁碳合金典型铁碳合金(hjn)在在Fe-Fe3C相图中的位置相图中的位置第37页/共63页第三十八页，共63页。 1. 1. 工业纯铁平衡结晶过程工业纯铁平衡结晶过程(guchng) (guchng) 碳质量分数碳质量分数0.01%0.01%1 1点以上点以上(yshng) (yshng) 液相液相L L1 12 2点点 L+ L+ 2 23 3点点 3 34 4点点 +A +A4 45 5点点 A A5 56 6点点 A+F A+F6 67 7点点 F F7 78 8点点 F F晶界析出晶界析出Fe

39、3CIIIFe3CIII 室温室温(sh wn)(sh wn)平衡组织为平衡组织为 F+ F+ Fe3CIIIFe3CIII第38页/共63页第三十九页，共63页。纯铁的室温平衡纯铁的室温平衡(pnghng)组织组织 F呈白色块状; Fe3CIII量极少, 呈小白片状分布(fnb)于F晶界处。 若忽略Fe3CIII, 则组织全为F。室温室温(sh wn)(sh wn)平平衡组织衡组织: : F+ Fe3CIII F+ Fe3CIII第39页/共63页第四十页，共63页。2.2.共析钢平衡结晶过程共析钢平衡结晶过程(guchng) (guchng) 老师提示老师提示：重点内容：重点内容碳质量分数

40、为碳质量分数为0.77% 0.77% 12点点 L+A23点点 A 33点点 AP 34点点 P 共析钢的室温共析钢的室温(sh wn)平衡组织为平衡组织为: P 第40页/共63页第四十一页，共63页。共析钢的室温共析钢的室温(sh wn)(sh wn)组织组织 共析钢的室温组织共析钢的室温组织(zzh)(zzh)组成物全部是组成物全部是P P。 组成相为组成相为F F和和Fe3C, Fe3C, 它们的质量分数为：它们的质量分数为： P P( (层片状层片状) ) 第41页/共63页第四十二页，共63页。 3. 3.亚共析钢平衡结晶过程亚共析钢平衡结晶过程 以碳质量分数以碳质量分数(fnsh

41、)(fnsh)为为0.4%0.4%的铁碳合金为例的铁碳合金为例1 12 2点点 L+ L+。2 222点点 L+A L+A 反应结束反应结束(jish)(jish)还有还有L L223 3点点 L+A L+A3 34 4点点 A A4 45 5点点 A+F A+F5 555点点 AP AP F F不变化不变化 556 6点点 P+F P+F第42页/共63页第四十三页，共63页。4040钢的室温平衡钢的室温平衡(pnghng)(pnghng)组织组织 F F呈白色块状呈白色块状; P; P呈层片状呈层片状, , 放大倍数不高时放大倍数不高时呈黑色块状。呈黑色块状。 碳质量分数碳质量分数(fns

42、h)(fnsh)大于大于0.6%0.6%的亚共析钢的亚共析钢, , 室温平衡组织中的室温平衡组织中的F F呈白色网状呈白色网状, , 包围在包围在P P周围。周围。 含含0.4%C0.4%C的亚共析钢组织组成物为的亚共析钢组织组成物为F F和和P P。 室温平衡室温平衡(pnghng)(pnghng)组织组织: : F+P F+P第43页/共63页第四十四页，共63页。含含0.4%C的亚共析钢组织的亚共析钢组织(zzh)组成物为组成物为F和和P。钢的钢的组成相组成相为为F F和和FeFe3 3C C：第44页/共63页第四十五页，共63页。亚共析钢的碳质量亚共析钢的碳质量(zhling)分数估

43、算分数估算 如果忽略如果忽略F中的碳含量，则中的碳含量，则P的质量的质量(zhling)分数为：分数为： w(P)=w(C)/0.77% 亚共析钢的碳质量亚共析钢的碳质量(zhling)分数估算：分数估算： w(C)=w(P)0.77% 式中式中, w(C)表示钢的碳质量表示钢的碳质量(zhling)分数分数, w(P)表示钢中表示钢中P的质量的质量(zhling)分数。分数。 由于由于P P和和F F的密度相近的密度相近(xin jn), (xin jn), 钢钢中中P P和和F F的质量分数可用显微镜下观察到的的质量分数可用显微镜下观察到的P P和和F F的面积百分数来估算。的面积百分数来

44、估算。 第45页/共63页第四十六页，共63页。 4. 4.过共析钢平衡结晶过共析钢平衡结晶(jijng)(jijng)过程过程 碳质量分数为碳质量分数为1.2%1.2%1 12 2点点 L+A L+A2 23 3点点 A A3 34 4点点 AFe3CII, AFe3CII, Fe3CII Fe3CII呈网状分布呈网状分布(fnb)(fnb) 在在A A晶界上。晶界上。4 444点点 AP AP ， Fe3CII Fe3CII不变化。不变化。445 5点点 P+Fe3CII P+Fe3CII第46页/共63页第四十七页，共63页。T12T12钢的室温钢的室温(sh wn)(sh wn)平衡组

45、织平衡组织 Fe3CII Fe3CII呈网状分布呈网状分布(fnb)(fnb)在层片状在层片状P P周围。周围。 含含1.2%C1.2%C的过共析钢的的过共析钢的组成相组成相为为F F和和FeFe3 3C C 组织组成物组织组成物为为FeFe3 3C CIIII和和P P： P+Fe P+Fe3 3C CIIII第47页/共63页第四十八页，共63页。 此时此时(c sh)(c sh)的莱氏体由的莱氏体由A+ Fe3CII+ Fe3CA+ Fe3CII+ Fe3C组成。组成。2 222点点 AP AP，高温莱氏体，高温莱氏体LeLe转变成低温莱氏体转变成低温莱氏体 Le(P+ Fe3CII+

46、Le(P+ Fe3CII+ Fe3C)Fe3C)。223 3点点 Le Le5.5.共晶白口铸铁共晶白口铸铁(zhti)(zhti)平衡结晶过程平衡结晶过程1 111点点 L LLeLe即即L L(A+Fe(A+Fe3 3C)C)。112 2点点 Le Le中的中的A A析出析出(xch)Fe3CII(xch)Fe3CII。第48页/共63页第四十九页，共63页。共晶白口铸铁的室温平衡共晶白口铸铁的室温平衡(pnghng)组织组织 Le Le由黑色条状或粒状由黑色条状或粒状P P和白色和白色Fe3CFe3C基体组成基体组成。 共晶白口铸铁共晶白口铸铁(zhti)(zhti)的组织组成物：全为的

47、组织组成物：全为Le, Le, 组成相：组成相：F F和和Fe3CFe3C。室温平衡室温平衡(pnghng)(pnghng)组织组织: : Le Le第49页/共63页第五十页，共63页。223 3点点 A A晶界析出晶界析出Fe3CII Fe3CII 组织为组织为 A+Fe3CII+Le A+Fe3CII+Le3 333点点 AP; AP; 高温莱氏体高温莱氏体LeLe转变转变(zhunbin)(zhunbin)为为低温莱氏体低温莱氏体LeLe。334 4点点 P+Fe3CII+Le P+Fe3CII+Le 6. 6.亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁平衡结晶平衡结晶(jijng)(jijng)过

48、程过程 w w（C C）3%3%1 12 2点点 L+A L+A。2 222点点 LLe, LLe, 共晶反应共晶反应(fnyng)(fnyng)结束结束 时时:A+Le:A+Le第50页/共63页第五十一页，共63页。 网状网状Fe3CIIFe3CII分布在粗大块状分布在粗大块状P P的周围的周围, Le, Le由由条状或粒状条状或粒状P P和和Fe3CFe3C基体基体(j t)(j t)组成。组成。 亚共晶白口铸铁的组成相为亚共晶白口铸铁的组成相为F F和和Fe3C; Fe3C; 组织组成物组织组成物:P:P、Fe3CIIFe3CII、LeLe。 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁(zhti)的

49、室温平衡组织的室温平衡组织室温平衡室温平衡(pnghng)(pnghng)组织组织: : P+Fe3CII+Le P+Fe3CII+Le第51页/共63页第五十二页，共63页。 7. 7.过共晶过共晶(n (n jn)jn)白口白口铸铁平衡结晶过程铸铁平衡结晶过程 共析温度时高温莱氏体共析温度时高温莱氏体LeLe转变转变(zhunbin)(zhunbin)为低温莱氏体为低温莱氏体LeLe。 得到得到 Fe3CI+Le Fe3CI+Le 合金先从合金先从L L中中结晶结晶(jijng)(jijng)出出Fe3CIFe3CI。 然后然后L L发生共晶发生共晶反应转变为反应转变为LeLe。第52页/

50、共63页第五十三页，共63页。 Fe3CI Fe3CI呈长条状呈长条状 Le Le由黑色条状或粒状由黑色条状或粒状P P和白色和白色(bis)Fe3C(bis)Fe3C基体基体组成。组成。 过共晶白口铸铁的室温平衡过共晶白口铸铁的室温平衡(pnghng)(pnghng)组织组织室温室温(sh wn)(sh wn)平平衡组织：衡组织： Fe3CI+Le Fe3CI+Le第53页/共63页第五十四页，共63页。 三、铁碳合金的成分(chng fn)组织性能关系 1. 1.碳含量与组成相的质量碳含量与组成相的质量分数之间的关系分数之间的关系 铁碳合金（除纯铁）在室铁碳合金（除纯铁）在室温下的组织都由

51、温下的组织都由F F和和Fe3CFe3C两相两相组成组成, , 两相的质量分数由杠杆两相的质量分数由杠杆定律定律(dngl)(dngl)确定。确定。 随碳含量的增加随碳含量的增加, F, F的量的量逐渐变少逐渐变少, Fe3C, Fe3C的量则逐渐增的量则逐渐增多。多。 2. 2.碳含量与组织组成物的碳含量与组织组成物的质量分数之间的关系质量分数之间的关系 室温下室温下, , 随碳含量增大随碳含量增大, , 组织按下列组织按下列(xili)(xili)顺序变化顺序变化： F F、F+PF+P、P P、P+Fe3CIIP+Fe3CII、 P+Fe3CII+Le P+Fe3CII+Le、LeLe、

52、 Le+Fe3CI Le+Fe3CI、Fe3CFe3C 组织组成物的质量分数用组织组成物的质量分数用杠杆定律求出。杠杆定律求出。 3. 3.铁碳合金的性能与碳含量铁碳合金的性能与碳含量之间关系之间关系 （1 1）硬度）硬度 碳含量增加碳含量增加, Fe, Fe3 3C C增多增多, F, F减少减少, ,合金的硬度呈直线关系增合金的硬度呈直线关系增大大, , 由全部为由全部为F F的硬度约的硬度约80 HB80 HB增增大到全部为大到全部为FeFe3 3C C时的约时的约800 HB800 HB。 （2 2）强度）强度 碳含量增加碳含量增加, , 亚共析钢强度亚共析钢强度增加。超过共析成分后增

53、加。超过共析成分后, Fe, Fe3 3C CIIII沿晶界出现沿晶界出现, , 强度增高变慢。到强度增高变慢。到约约0.9%C0.9%C时时, Fe, Fe3 3C CIIII沿晶界形成完沿晶界形成完整的网整的网, , 强度降低。碳质量分数强度降低。碳质量分数到到2.11%2.11%后出现后出现LeLe, , 强度降到很强度降到很低。低。 （3 3）塑性）塑性 铁碳合金中铁碳合金中FeFe3 3C C是极脆的相是极脆的相。随碳含量的增大。随碳含量的增大, , 合金的塑性合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时连续下降。到合金成为白口铸铁时, , 塑性近于零值。塑性近于零值。第54页/共63页

54、第五十五页，共63页。亚共析钢的性能估算亚共析钢的性能估算 硬度硬度8080w w（F F）+180+180w w（P P） (HB) (HB) 或硬度或硬度8080w w（F F）+800+800w w（Fe3CFe3C） (HB) (HB) 强度强度(b)230(b)230w w（F F）+770+770w w（P P）(MPa) (MPa) 延伸率延伸率( )50( )50w w（F F）+20+20w w（P P）(%) (%) 式中的数字相应为式中的数字相应为F F、P P或或Fe3CFe3C的大概的大概(dgi)(dgi)硬度硬度、强度和延伸率、强度和延伸率; ; w w（F F）

55、、）、w w（P P）、）、w w（Fe3CFe3C）为组织中）为组织中F F、P P或或Fe3CFe3C的质量分数。的质量分数。 第55页/共63页第五十六页，共63页。 四、Fe- Fe3C相图的应用 在生产中具有巨大的实际意义, 主要应用: 钢铁材料的选用 加工(ji gng)工艺的制订 1. 1.在钢铁材料选用在钢铁材料选用(xunyng)(xunyng)方面的应用方面的应用 Fe- Fe3C Fe- Fe3C相图所表明的成分相图所表明的成分- -组织组织- -性能的性能的规律规律, ,为钢铁材料的选用为钢铁材料的选用(xunyng)(xunyng)提供了根据提供了根据。 纯铁纯铁 强度低强度低, , 不宜用做结构材料不宜用做结构材料(cilio), (cilio), 但由于其导磁率高但由于其导磁率高, , 矫顽力低矫顽力低, , 可作软磁材料可作软磁材料(cilio)(cilio)使用使用, , 例如做电磁铁的铁芯等。例如做电磁铁的铁芯等。 钢钢 建筑结构建筑结构和各种型