材料科学基础理论知识

1、1.晶体与非晶体 晶体：其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列的物晶体：其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列的物 质。晶体是长程有序的，具有一定的熔点，物理性质在不同质。晶体是长程有序的，具有一定的熔点，物理性质在不同方向上不同，各向异性方向上不同，各向异性 非晶体：内部质点整体上无序排列，没有固定的熔点，物理非晶体：内部质点整体上无序排列，没有固定的熔点，物理性质各向同性。最常见的如玻璃、松香等性质各向同性。最常见的如玻璃、松香等材料科学基础理论知识材料科学基础理论知识空间点阵、晶格、晶包将晶体中的各原子或分子简化为点，这些点在空间的分将晶体中的各原子或分子简化为点，这些点在空间的

2、分布称为点阵，各个点称为阵点布称为点阵，各个点称为阵点将阵点用直线连接起来构成的空间格架称为晶格，其中将阵点用直线连接起来构成的空间格架称为晶格，其中能保持点阵特征的基本单元称为晶胞。能保持点阵特征的基本单元称为晶胞。典型金属的晶体结构18/1 体心立方结构体心立方结构bac具有体心立方晶格的金属有钾（K）、钼（Mo)、钨（W）、钒（V）、-铁（-Fe，912）等面面心心立立方方结结构构8/12/1金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，具有这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）、-铁（-Fe，9121394）等6/12/11六角密排六角密排结构结构a

3、cb它的晶胞形状是它的晶胞形状是个正六角柱体，在六角柱体的十二个角上各个正六角柱体，在六角柱体的十二个角上各有有个原子，每个原子为相邻的六个晶胞所共有，具有这种品个原子，每个原子为相邻的六个晶胞所共有，具有这种品格类型的金属有：镁、锌、铍、钛格类型的金属有：镁、锌、铍、钛(a-Ti)等。等。2 2 金属及合金的结晶金属及合金的结晶凝固：凝固：由液态向固态转变的过程由液态向固态转变的过程 结晶：结晶：由液态物质转变为固态晶体的过程由液态物质转变为固态晶体的过程理论结晶温度：冷却速度极为缓慢的平衡结晶温理论结晶温度：冷却速度极为缓慢的平衡结晶温度。实际结晶温度要小于理论结晶温度度。实际结晶温度要小

4、于理论结晶温度结晶的能量条件：结晶的能量条件：液态金属的自由能大于固态金液态金属的自由能大于固态金属的自由能，即属的自由能，即F=F液液-F固固，即液态金属的实际，即液态金属的实际结晶温度低于理论结晶温度，差值越大，相变驱结晶温度低于理论结晶温度，差值越大，相变驱动力越大，结晶越容易。动力越大，结晶越容易。金属：金属：是一种具有光泽、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。在自然界中，绝大多数金属以化和态在，是氧化物及硫化物。金属之间的连结是金属键，因此随意更换位置都可再重新建立连结，这也是金属伸展性良好的原因。金 属 的 结 晶：将纯金属熔化为液体，缓慢冷却，隔一段时间记录一次温度，绘制温度

5、随时间的冷却曲线C LT0T1S0T0T0：理论结晶温度：理论结晶温度T1T1：实际结晶温度：实际结晶温度 T=T0-T1T=T0-T1（过冷度）（过冷度）金属结晶过程需要一定的驱动力即过冷度金属结晶过程需要一定的驱动力即过冷度TT，以克，以克服界面能，过冷度与金属本性以及液态金属的冷却服界面能，过冷度与金属本性以及液态金属的冷却速度有关。结晶进行时液态转变为固态时放出大量速度有关。结晶进行时液态转变为固态时放出大量的潜热。的潜热。金 属 与 合 金的 结 晶 过 程：纯金属的结晶在某一固定温度上进行，而合金的结晶温度则在一定温度范围内进行，因此结晶时的温度呈缓慢下降。Ca bLsL+s0a

6、a：结晶开始点：结晶开始点 b b：结晶终了点：结晶终了点 合金的结晶是在一个合金的结晶是在一个温度范围内完成。温度范围内完成。金 属 的 结 晶过程结晶的必要条件结晶的必要条件-过冷度，驱过冷度，驱动力动力金属的结晶过程：金属的结晶过程： 原子团原子团 形核形核 晶核长大晶核长大 小晶粒小晶粒 晶粒（外形不规则的晶粒（外形不规则的小晶体）小晶体）晶体液体液体金 属 的 结 晶（1 1）形核过程形核过程两种形核方式两种形核方式 自发形核自发形核 与与 非自发形核非自发形核自发形核：由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核自发形核：由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。尺寸后

7、形成的结晶核心。非自发形核非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。是依附于外来杂质上生成的晶核。金属材料的结晶主要是非自发形核。金属材料的结晶主要是非自发形核。（2 2）晶核长大过程）晶核长大过程两种长大方式两种长大方式 平面生长平面生长 与与 树枝状生长树枝状生长。平面生长平面生长树枝状生长树枝状生长平面生长：固液界面处液体的过冷度最大，固液界面处固液界面处液体的过冷度最大，固液界面处固体结晶时发生突起们就会深入到温度较高固体结晶时发生突起们就会深入到温度较高的液体内部，结晶受到抑制，减慢甚至停止的液体内部，结晶受到抑制，减慢甚至停止，液固界面保持稳定的平面形状。，液固界面保持稳定的平面形

8、状。枝状生长界面前方遇到温度比它更低的液体，固液界界面前方遇到温度比它更低的液体，固液界面上产生的突起深入到温度更低的液体内，面上产生的突起深入到温度更低的液体内，突起快速生长，形成晶轴，在新的晶轴伸出突起快速生长，形成晶轴，在新的晶轴伸出新的突起，逐渐长大，这样的生长类似于树新的突起，逐渐长大，这样的生长类似于树枝的生长。枝的生长。 定向凝固：利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的原定向凝固：利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的原理，控制热流方向，使铸件沿规定方向结晶的铸造技术。理，控制热流方向，使铸件沿规定方向结晶的铸造技术。大多数金属合金晶体属于枝状生长大多数金属合金晶体属于枝状生长

9、定向凝固由于消除了横向晶界，从而提高了材料抗高温性能和单向力学性能 定向凝固铸件的组织主要为柱状 美国自美国自19651965年就在年就在普拉特普拉特惠特尼航空公司惠特尼航空公司采用高温合金采用高温合金定向凝固定向凝固技术，这项技术已技术，这项技术已经在许多国家得到应用。采用定向凝固技经在许多国家得到应用。采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡薄壁空心涡轮叶片。应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度提高轮叶片的使用温度提高1010302oc30

10、2oc，涡轮，涡轮进口温度提高进口温度提高2020602oc602oc，从而提高，从而提高发动发动机机的推力和可靠性，并延长使用寿命。的推力和可靠性，并延长使用寿命。 定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用，可以用于制备高温合金铸件3金属及金属合金的多样性1538c1394c912c室温室温-Fe -Fe- Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。晶体结构发生变化的现象。 金属的同素异构转变的意义金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可

11、通过加可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性从而达到改善材料性 能的目的。能的目的。TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770铁磁性A4A3A2金属合金的多样性 铁的多型性转变是钢中固态相复杂多变的根源1538-13941538-1394（A4) A4) 为为 - -FeFe，bccbcc1394(A4)-9121394(A4)-912（A3)A3)为为 - -FeFe，fccfcc912(A3)-770912(A3)-770（A2)A2)为无磁性的为无磁性的 -

12、-FeFe，bccbcc770770度以下为磁性度以下为磁性 -Fe，Fe-C形成多种固溶体、合金碳化物、金属化合物导致金属合金的多样性合 金 的 结 构 概念概念 合金、组元、相；合金、组元、相； 固溶体：置换固溶体、间隙固溶体；固溶体：置换固溶体、间隙固溶体； 金属化合物；金属化合物； 机械混合物机械混合物 固溶强化的概念。固溶强化的概念。合金的结构概念合金：合金：由由两种或两种以上两种或两种以上的元素通过的元素通过熔炼熔炼后后 所获得的新的物质仍然具有所获得的新的物质仍然具有金属特性金属特性。组元：组元：组成合金的基本元素。组成合金的基本元素。相：相： 凡是成分相同、结构相同并与其他部凡

13、是成分相同、结构相同并与其他部 分有分有界面分开界面分开的均匀组成部分。的均匀组成部分。例如：例如：单一的液体单一的液体 单一的固相；单一的固相； 液相、固相两相共存；液相、固相两相共存；问题：问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？铁碳合金中的组织分为固溶体、金属化合物和机械混合物三类铁碳合金中的组织分为固溶体、金属化合物和机械混合物三类合金的结构固溶体 固溶体：固溶体： 由两种组元在液态与固态下彼此相互溶解后由两种组元在液态与固态下彼此相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶

14、体结构。所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。 置换固溶体：置换固溶体：A A组元的原子取代了组元的原子取代了B B组元的原子。组元的原子。 当当A A、 B B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。 间隙固溶体：间隙固溶体：A A组元溶入组元溶入B B组元的的间隙中。只能形成组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。有限固溶体。 例如：例如：c c溶入溶入-Fe-Fe或或-Fe -Fe 所形成的铁素体、奥氏体。所形成的铁素体、奥氏体。置换固

15、溶体和间隙固溶体的区别置换固溶体和间隙固溶体的区别固溶强化固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。度升高，塑性和韧性没有明显降低。 溶质原子溶入溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变位错运动阻力上升位错运动阻力上升金金属塑性变形困难属塑性变形困难强度、硬度升高强度、硬度升高合金的结构合金的结构固溶强化固溶强化 随着溶质原子的增加，所形成的固溶体的强度、硬度升高随着溶质原子的增加，所形成的固溶体的强度、硬度升高的现象。的现象。 例如：例如：纯铁与钢的用途纯铁与钢的用途 例如：例如： FeFe和和C C所形成的化

16、合物所形成的化合物FeFe3 3C C，就是一种典型的金属化，就是一种典型的金属化合物。合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。表示其组成。合金的结构合金的结构金属化合物金属化合物铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C机械混合物 由两种不同晶体结构的晶粒彼此机械混合组成，则称它为由两种不同晶体结构的晶粒彼此机械混合组成，则称它为机械混合物。机械混合物。 它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。机械混合物各相保持原有的晶格，因此它们之间的混合。机械混

17、合物各相保持原有的晶格，因此，机械混合物的性能介于各组成相之间，它不仅取决于各，机械混合物的性能介于各组成相之间，它不仅取决于各相的性能和比例，还于各相的形状、大小和分布有关。相的性能和比例，还于各相的形状、大小和分布有关。 如铁的固溶体和化合物碳化三铁所组成的机械混合物，被如铁的固溶体和化合物碳化三铁所组成的机械混合物，被称为珠光体，它具有较高的强度和硬度，又具有一定的塑称为珠光体，它具有较高的强度和硬度，又具有一定的塑性和韧性。性和韧性。 铁碳合金的基本组织铁素体铁素体F：碳溶解在碳溶解在FeFe中的间隙固溶体中的间隙固溶体( F( F）。塑性）。塑性 好、韧性好，强度、硬度低好、韧性好，

18、强度、硬度低。奥氏体奥氏体A：碳溶解在碳溶解在 Fe Fe中的间隙固溶体（中的间隙固溶体（A A）。塑）。塑 性好。性好。渗碳体渗碳体Fe3C ：铁与碳形成的金属化合物（铁与碳形成的金属化合物（FeFe3 3C C）。硬）。硬 度很度很 高（高（HBW=800HBW=800），塑性、韧性几），塑性、韧性几 乎为零乎为零。珠光体珠光体P：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与二次渗碳体的共析体（与二次渗碳体的共析体（P P）。）。莱氏体莱氏体L：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与一次渗碳体的共晶体（体与一次渗碳体的

19、共晶体（LdLd），硬度），硬度 高，塑性差。高，塑性差。马氏体：马氏体(martensite)是黑色金属材料的一种组织名称，碳溶于-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相，硬而脆。板条状居多。 马氏体（马氏体（MM）的比热容大于奥氏体、珠光体等组织，这是产）的比热容大于奥氏体、珠光体等组织，这是产生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。 马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体定温度（形成奥氏体常常为为260260）后经迅速冷却（淬火），）后经迅速冷却（淬

20、火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。 马氏体在马氏体在Fe-CFe-C相图中没有出现，因为它不是一种平衡组织。相图中没有出现，因为它不是一种平衡组织。平衡组织的形成需要很慢的冷却速度和足够时间的扩散，而平衡组织的形成需要很慢的冷却速度和足够时间的扩散，而马氏体是在非常快的冷却速度下形成的。马氏体是在非常快的冷却速度下形成的。贝氏体：钢过冷奥氏体的中温(Ms550)转变产物，-Fe和Fe3C 的复相组织，形状似羽毛。 该组织具有较高的强韧性配合，硬度相同的情况下贝氏该组织具有较高的强韧性配合，硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体，可以达到

21、马氏体的体组织的耐磨性明显优于马氏体，可以达到马氏体的1313倍，因此在钢铁材料中基体组织获得贝氏体是人们倍，因此在钢铁材料中基体组织获得贝氏体是人们追求的目标。追求的目标。 贝氏体等温淬火：是将钢件奥氏体化，使之快冷到贝氏贝氏体等温淬火：是将钢件奥氏体化，使之快冷到贝氏体转变温度区间（体转变温度区间（260260400400）等温保持，使奥氏体转）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺，有时也叫等温淬火；近十年来变为贝氏体的淬火工艺，有时也叫等温淬火；近十年来已经开发出了低温贝氏体，也是利用等温淬火技术，不已经开发出了低温贝氏体，也是利用等温淬火技术，不过等温温度很低，可以低至过等温温度很

22、低，可以低至200200以下。以下。 贝氏体也是一种非平衡组织，因此相图中也不会出现。贝氏体也是一种非平衡组织，因此相图中也不会出现。4 4 杠杆定律杠杆定律当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。现以现以Cu-NiCu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律： 确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：设合金成分为设合金成分为x x，过，过x x做成分做成分垂线。在成分垂线相当于温垂线。在成分垂线

23、相当于温度度t t 的的o o点作水平线，其与液点作水平线，其与液固相线交点固相线交点a a、b b所对应的成所对应的成分分x1x1、x2x2即分别为液相和固即分别为液相和固相的成分相的成分。l 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量：依据元素守恒依据元素守恒l 设合金设合金(x)的总重量为的总重量为1，液相，液相(x1)重量为重量为QL，固相，固相(x2)重量为重量为Q。 则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得解方程组得121122LxxxxQxxxxQ l 式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2

24、(ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。 例：利用相图中的成分，确定共析钢中珠光体的各相的相对含量。 珠光体是铁素体与渗碳体的机械 混合物：铁素体的C%=0.0218% 渗碳体的C%=6.69% 珠光体的C%=0.77% 计算铁素体与渗碳体的相对含量 相图：表示合金系中合金的状态与温度、成分间关相图：表示合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同温系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各相之间关系的图解度、成分下的各相之间关系的图解5相图二元相图的建立：几乎所有的相图都是通过实验几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。得到的，

25、最常用的是热分析法。Fe-Fe3C二元相图 铁碳合金是铁与碳组成的合金，在合金中当碳含量超过铁碳合金是铁与碳组成的合金，在合金中当碳含量超过固溶体的溶解限度后，剩余的碳以两种存在方式：渗碳固溶体的溶解限度后，剩余的碳以两种存在方式：渗碳体体 Fe3C Fe3C 或石墨。在通常情况下，铁碳合金是按或石墨。在通常情况下，铁碳合金是按 Fe-FeFe-Fe3 3C C 系进行转变。但在极为缓慢冷却或加入促进石墨化的元系进行转变。但在极为缓慢冷却或加入促进石墨化的元素的条件下碳才以石墨的形式存在，因此素的条件下碳才以石墨的形式存在，因此Fe-Fe-石墨系是石墨系是更稳定的状态。更稳定的状态。 按照这样

26、情况，铁碳相图常表示为按照这样情况，铁碳相图常表示为 Fe-FeFe-Fe3 3C C 和和 Fe-Fe-石墨石墨双重相图图中实线部分为双重相图图中实线部分为 Fe-FeFe-Fe3 3C C 相图，虚线表示相图，虚线表示 Fe-C Fe-C 相图，实线与虚线重合的部分以实线表示。尽管相图，实线与虚线重合的部分以实线表示。尽管 Fe-Fe-FeFe3 3C C 相图是一个亚稳相图，但一般情况下铁碳合金中的相图是一个亚稳相图，但一般情况下铁碳合金中的相变化遵循相变化遵循 Fe-FeFe-Fe3 3C C 相图，所以通常也将其称为平衡相相图，所以通常也将其称为平衡相图，在图，在 Fe-FeFe-F

27、e3 3C C 相图中的相或反应生成的各种组织都分相图中的相或反应生成的各种组织都分别称为平衡相或平衡组织。别称为平衡相或平衡组织。 相图是在平衡态下测画出来的。因此也称合金的平衡状态相图是在平衡态下测画出来的。因此也称合金的平衡状态图。相图是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温图。相图是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。由于受到几何表述的限制，虽然合金系中的组元度的关系图。由于受到几何表述的限制，虽然合金系中的组元可以是多个，但是，只能测画出二元合金的二元相图和三元合可以是多个，但是，只能测画出二元合金的二元相图和三元合金的三元相图，三元以上的合金通常是不能直接

28、用相图来表述。金的三元相图，三元以上的合金通常是不能直接用相图来表述。即使三元合金的相图也是很复杂的。本书只介绍二元合金相图。即使三元合金的相图也是很复杂的。本书只介绍二元合金相图。 相图中的组织只包括铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体以及相图中的组织只包括铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体以及莱氏体，像马氏体、贝氏体等都不是平衡状态下获得的，所以莱氏体，像马氏体、贝氏体等都不是平衡状态下获得的，所以不包括在二元合金相图中。不包括在二元合金相图中。铁铁碳碳双双重重相相图图在通常情况下，铁碳合金在通常情况下，铁碳合金是按是按 Fe-FeFe-Fe但在极为缓慢冷但在极为缓慢冷却或加入促进石墨化的元却或加入

29、促进石墨化的元素的条件下碳才以石墨的素的条件下碳才以石墨的形式存在，因此形式存在，因此Fe-Fe-石墨系石墨系是更稳定的状态。是更稳定的状态。铁碳相图分析： 铁碳合金相图中主要特性点的含义 相区相区五个单相区：五个单相区：铁碳相图分析： 铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的符号温度t/ 含碳量wc%含义A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 室温0 04.34.36.696.692.112.110 00.020.020.770.770.00080.0008

30、纯铁的熔点共晶点 渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te-Te -Te同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度 ACDACD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。 AECFAECF线线固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。温度终止线。 ECFECF水平线水平线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%4.3%的液态合金冷却到此的液态合金冷却到此线时，在线时，在1148 1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物

31、，此反应称为共晶反应。的机械混合物，此反应称为共晶反应。 PSKPSK水平线水平线共析线（共析线（A1A1线）线） 含碳量为含碳量为0.77%0.77%的奥氏体冷的奥氏体冷却到此线时，在却到此线时，在727 727 同时析出铁素体和渗碳体的机械同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。混合物，此反应称为共析反应。 GSGS线线（A3A3线）线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。 ESES线线称称AcmAcm线线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。是冷却时由奥氏体中析出二

32、次渗碳体的开始线。三种恒温转变1 包晶转变包晶转变 （1495的的CHJB水平线）水平线）由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变相的转变.2 共晶转变（共晶转变（1148的的ECF水平线）水平线） 一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。和结构均不相同的固相的反应。1148 L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应的产物即莱氏体共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)3 共析转变（共析转变（727的的PS

33、K水平线）水平线） 一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和和结构均不相同的结构均不相同的 新的固相的反应。新的固相的反应。A0.77%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体共析反应的产物即珠光体 PF0.02%c+Fe3C6.69%c相图的应用：温度变化时的组织转变相图的应用：温度变化时的组织转变（一）含碳（一）含碳 0.01%的铁碳（工业纯铁）的组织转变的铁碳（工业纯铁）的组织转变含碳含碳 0.01%的铁碳合金从高温液态冷却时，在的铁碳合金从高温液态冷却时，在 12 点温度区间按匀晶转变结晶出点温度区间按匀晶

34、转变结晶出 固溶体。冷到固溶体。冷到 3 点时，开始发生固溶体的同素异构转变点时，开始发生固溶体的同素异构转变 。奥。奥氏体的晶核通常优先在氏体的晶核通常优先在 相的晶界上形成，然后相的晶界上形成，然后长大。这一转变在长大。这一转变在 4 点结束时，合金全部呈单相点结束时，合金全部呈单相奥氏体。冷却到奥氏体。冷却到 5 点，又发生同素异构转变点，又发生同素异构转变 ，变为铁素体。铁素体形成时，同样优先在奥，变为铁素体。铁素体形成时，同样优先在奥氏体晶界上形核并长大。氏体晶界上形核并长大。6 点以下合金全部点以下合金全部是铁素体。冷到是铁素体。冷到 7 点时，碳在铁素体中的溶解量点时，碳在铁素体

35、中的溶解量达到饱和。因此在达到饱和。因此在 7 点以下，将从铁素体中析出点以下，将从铁素体中析出三次渗碳体三次渗碳体 Fe3C。工业纯铁的结晶过程及室温。工业纯铁的结晶过程及室温组织见图组织见图 ，其室温组织特征是铁素体晶粒和少量，其室温组织特征是铁素体晶粒和少量分布于晶界的分布于晶界的 Fe3C。（二）钢的组织转变（二）钢的组织转变 )w(c)=0.77%共析钢的组织转共析钢的组织转变变此合金在此合金在1 12 2点间按匀晶转变结晶出奥氏体。在点间按匀晶转变结晶出奥氏体。在2 2点凝固完成，点凝固完成，全部为奥氏体。冷到全部为奥氏体。冷到3 3点（点（727727），在恒温下发生共析转变：）

36、，在恒温下发生共析转变：转变产物为珠光体转变产物为珠光体P P。珠光体是共析铁素体和共析渗碳体的层片。珠光体是共析铁素体和共析渗碳体的层片状混合物。共析转变完成后继续冷却过程中，铁素体含碳量沿状混合物。共析转变完成后继续冷却过程中，铁素体含碳量沿PQ PQ 线变化，同时铁素体中析出线变化，同时铁素体中析出Fe3CFe3C。Fe3CFe3C在共析铁素体和在共析铁素体和共析渗碳体的界面上形成并与共析渗碳体连在一起，在显微镜下共析渗碳体的界面上形成并与共析渗碳体连在一起，在显微镜下难以分辩，其数量也很少，对珠光体组织和性能无明显影响，一难以分辩，其数量也很少，对珠光体组织和性能无明显影响，一般可以忽

37、略不计。所以，室温下共析钢的平衡组织为珠光体。般可以忽略不计。所以，室温下共析钢的平衡组织为珠光体。2)含碳0.4%的铁碳合金（亚共析钢）亚共析钢的室温组织亚共析钢的室温组织（白色晶粒为铁素体，（白色晶粒为铁素体，暗黑色是珠光体）暗黑色是珠光体）液态合金冷却时在液态合金冷却时在1 12 2 点间按匀晶转变析出点间按匀晶转变析出 固溶体。冷到固溶体。冷到2 2 点点（14951495），）， 固溶体的碳含量为固溶体的碳含量为0.09%0.09%，液相的含碳量为，液相的含碳量为0.53%0.53%，此时液相和此时液相和 相发生包晶转变相发生包晶转变L L0.530.53+ + 由于合金的含碳（由于

38、合金的含碳（0.40%0.40%）量大于）量大于0.17%0.17%，所以包晶转变终了后，所以包晶转变终了后，还有过剩的液相存在。从还有过剩的液相存在。从2 2 点冷到点冷到3 3点的过程中，液相继续结晶点的过程中，液相继续结晶为奥氏体，所有的奥氏体成分均沿为奥氏体，所有的奥氏体成分均沿JE JE 线变化。到达线变化。到达3 3 点，合金点，合金全部由含碳量全部由含碳量0.40%0.40%的奥氏体所组成。单相的奥氏体冷却到的奥氏体所组成。单相的奥氏体冷却到4 4 点点时，开始析出铁素体。随着温度下降，铁素体不断增多，其含时，开始析出铁素体。随着温度下降，铁素体不断增多，其含碳量沿碳量沿GP G

39、P 线变化，而奥氏体的含碳量则沿线变化，而奥氏体的含碳量则沿GS GS 线变化。当温度线变化。当温度达到达到5 5 点（点（727727）时，剩余奥氏体的含碳量达到）时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77%0.77%，发生共，发生共析转变变成珠光体。在析转变变成珠光体。在5 5 点以下，共析转变之前形成的先共析铁点以下，共析转变之前形成的先共析铁素体中将析出三次渗碳体，但其数量很少，一般可以勿略素体中将析出三次渗碳体，但其数量很少，一般可以勿略17. 009. 03)含碳1.2%的铁碳合金（过共析钢）白色网状相二次白色网状相二次渗碳体，暗黑色渗碳体，暗黑色为珠光体为珠光体 该合金结晶过程：在该合金

40、结晶过程：在1-21-2点间按匀晶过程转变为单相点间按匀晶过程转变为单相奥氏体后，冷到奥氏体后，冷到3 3点开始从奥氏体中析出二次渗碳点开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到体，直到4 4点为止。这种先共析的渗碳体沿奥氏体点为止。这种先共析的渗碳体沿奥氏体界面形成，呈连续的网状。随着渗碳体的析出，奥界面形成，呈连续的网状。随着渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿氏体的含碳量沿ESES线不断下降，当温度到达线不断下降，当温度到达4 4点时点时（727727）奥氏体的含碳量降为）奥氏体的含碳量降为0.77%0.77%，因而在恒温，因而在恒温下发生共析转变，最后得到的组织是珠光体和二次下发生共析转变，最后得到

41、的组织是珠光体和二次渗碳体渗碳体. . 二次渗碳体的形态对过共析钢的性能有很大影响。二次渗碳体的形态对过共析钢的性能有很大影响。含碳量较少时（含碳量较少时（1.0%1.0%1.0%）铁碳合金中，二）铁碳合金中，二次渗碳体呈现出连续的网状，将严重损害钢的塑性次渗碳体呈现出连续的网状，将严重损害钢的塑性和韧性，所以要设法避免产生这种组织。和韧性，所以要设法避免产生这种组织。4)含碳4.3%的铁碳合金（共晶白口铸铁）（白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体合金熔液冷到合金熔液冷到1 1 点（点（11481148）时，在恒温下发生共晶转）时，在恒温下发生共晶转变变L L4.304.30 2.11 2.

42、11+Fe+Fe3 3C C，共晶产物为莱氏体（，共晶产物为莱氏体（LdLd）。莱氏）。莱氏体中的奥氏体和渗碳体分别称为共晶奥氏体和共晶渗体中的奥氏体和渗碳体分别称为共晶奥氏体和共晶渗碳体。冷到碳体。冷到1 1 点以下，共晶奥氏体中不断析出二次渗碳点以下，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难以分辨。温度降体，它通常依附在共晶渗碳体上而难以分辨。温度降至至2 2 点（点（727727）时，共晶奥氏体的含碳量降至）时，共晶奥氏体的含碳量降至0.77%0.77%，在恒温下发生共析转变，转变为珠光体。最后得到的在恒温下发生共析转变，转变为珠光体。最后得到的组织是珠光体二次渗碳体

43、共晶渗碳体。其显微组组织是珠光体二次渗碳体共晶渗碳体。其显微组织如图所示，其中基体为共晶渗碳体，黑色颗粒为珠织如图所示，其中基体为共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体。这种共析温度以下的莱氏体称为低温莱氏体或光体。这种共析温度以下的莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体，用变态莱氏体，用L Ld d/ /表示，它保持了高温莱氏体的形态表示，它保持了高温莱氏体的形态特征，但组成物已发生了转变。特征，但组成物已发生了转变。5)含碳3.0%的铁碳合金（亚共晶白口铸铁）黑色树枝状为珠光体，其余为渗碳体液态合金在液态合金在1-2 1-2 点结晶出奥氏体（称为初晶奥氏体点结晶出奥氏体（称为初晶奥氏体或先共晶奥氏体），此

44、时液相成分按或先共晶奥氏体），此时液相成分按BC BC 线变化，线变化，而奥氏体成分沿而奥氏体成分沿JE JE 线变化。温度降到线变化。温度降到2 2 点点（11481148）时，剩余液相的成分达到共晶点，随）时，剩余液相的成分达到共晶点，随即发生共晶转变，生成莱氏体。在即发生共晶转变，生成莱氏体。在2 2 点以下，先点以下，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中都析出二次渗碳体。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，奥氏体的含碳量沿随着二次渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿ES ES 线线降低。当温度到达降低。当温度到达3 3 点（点（727727）时，所有奥氏体）时，所有奥氏体都

45、发生共析转变成为珠光体。图为该合金的结晶都发生共析转变成为珠光体。图为该合金的结晶过程示意图。过程示意图。6)含碳5.0%的铁碳合金（过共晶白口铸铁）白色的为一次渗碳体，其余为低温莱氏体) 该合金先在该合金先在1 12 2 温度区间从液相结晶出粗大的一温度区间从液相结晶出粗大的一次渗碳体，又称为先共晶渗碳体。同时，液次渗碳体，又称为先共晶渗碳体。同时，液 相成分沿着相成分沿着DC DC 线变化。当冷却到达线变化。当冷却到达ECF ECF 线上的线上的2 2 点时，液相成分到达点时，液相成分到达C C 点，发生共晶转变生成点，发生共晶转变生成 莱氏体。在莱氏体。在2 23 3 点之间，共晶奥氏体

46、析出二次渗点之间，共晶奥氏体析出二次渗碳体。温度降到碳体。温度降到PSK PSK 上的上的3 3 点时，含碳点时，含碳0.770.77的的 奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。结晶示意奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。结晶示意图见上图。过共晶白口铸铁的室温组织为变态莱图见上图。过共晶白口铸铁的室温组织为变态莱氏体一次渗碳体氏体一次渗碳体C C曲线曲线等温转变需要把钢从加热炉中取出放入一定温度的介质中保温一等温转变需要把钢从加热炉中取出放入一定温度的介质中保温一定时间，待组织转变结束后取出冷至室温即可，适用于截面不大定时间，待组织转变结束后取出冷至室温即可，适用于截面不大的工件。的工件。连续冷却就

47、是寻找不同温度的冷却介质，让其通过不同的区而发连续冷却就是寻找不同温度的冷却介质，让其通过不同的区而发生相变。连续转变简单，工件在连续冷却过程中发生组织转变。生相变。连续转变简单，工件在连续冷却过程中发生组织转变。 曲线过冷奥氏体等温转变图。用以表示过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等温转变图。用以表示过冷奥氏体等温转变量与时间的关系，综合反应等温转变规律。因其形状象英文字母量与时间的关系，综合反应等温转变规律。因其形状象英文字母“”，故常称为曲线，亦称为，故常称为曲线，亦称为TTTTTT（Time Temperature Time Temperature TransformationTrans

48、formation）图。无论从理论上，还是从实践上讲，曲线与）图。无论从理论上，还是从实践上讲，曲线与Fe-Fe3CFe-Fe3C状态图具有同等重要的意义。各类钢的曲线，均可从热状态图具有同等重要的意义。各类钢的曲线，均可从热处理手册、钢材手册等文献中查到。处理手册、钢材手册等文献中查到。 S S曲线曲线 过冷奥氏体连续冷却转变图，又称热动力学图，简称过冷奥氏体连续冷却转变图，又称热动力学图，简称CCTCCT（Continuous Cooling TransformationContinuous Cooling Transformation）图。由于一些）图。由于一些CCTCCT图形状象图形状

49、象变形的变形的“S”S”，故有人简称其为，故有人简称其为S S曲线。又由于连续冷却转变的复杂曲线。又由于连续冷却转变的复杂情况和测试上的困难，至今仍有许多钢种的情况和测试上的困难，至今仍有许多钢种的CCTCCT图没能绘成。一个图没能绘成。一个完整的完整的CCTCCT图除有连续冷却时转变开始线以外，还有代表不同速率图除有连续冷却时转变开始线以外，还有代表不同速率的冷却曲线，并在这些冷却曲线与转变开始、终了线的交点旁注有的冷却曲线，并在这些冷却曲线与转变开始、终了线的交点旁注有数字，表示转变量，而在每条冷却曲线下端也注有数字，表示以该数字，表示转变量，而在每条冷却曲线下端也注有数字，表示以该速度冷

50、却后得到的维氏（或洛氏）硬度值。此外，还在图形右上角速度冷却后得到的维氏（或洛氏）硬度值。此外，还在图形右上角注明奥氏体化温度、时间、晶粒度等级等条件注明奥氏体化温度、时间、晶粒度等级等条件。C C曲线的绘制曲线的绘制 C C曲线是利用过冷曲线是利用过冷奥氏体奥氏体转变产物的组织形态或物理性质的变转变产物的组织形态或物理性质的变化来测定。测定方法一般是将标准式样奥氏体化后，迅速冷至化来测定。测定方法一般是将标准式样奥氏体化后，迅速冷至临界点下某一温度等温，使过冷奥氏体在恒温下发生相变。相临界点下某一温度等温，使过冷奥氏体在恒温下发生相变。相变过程中会引起钢内部的一系列变化，如相变潜热的释放、比变过程中会引起钢内部的一系列变化，如相变潜热的释放、比容、磁性及容、磁性及组织结构组织结构的改变等。这可通过金相法测出在不同温的改变等。这可通过金相法测出在不同温度下过冷奥氏体发生相变的开始时间和终了时间，并把它们标度下过冷奥氏体发生相变的开始时间和终了时间，并把它们标注在温度注在温度时间