铁碳合金组织观察与分析X

1、会计学1铁碳合金组织观察与分析铁碳合金组织观察与分析X3.13.1纯金属的结晶纯金属的结晶3.1.13.1.1纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件1 1、冷却曲线（热分析曲线）冷却曲线（热分析曲线） 金属由高温向低温冷却过程中所得到的温度和金属由高温向低温冷却过程中所得到的温度和时间关系曲线叫冷却曲线。时间关系曲线叫冷却曲线。2 2、冷却曲线（热分析曲线）的绘制过程、冷却曲线（热分析曲线）的绘制过程 冷却曲线是温度随时间而变化的曲线，是用热分冷却曲线是温度随时间而变化的曲线，是用热分析法测得的。析法测得的。 即将液态金属放在坩埚中并以极其缓慢的速度冷即将液态金属放在坩埚中并以极其缓慢的速度冷却，在

2、冷却过程中观察记录温度却，在冷却过程中观察记录温度T T随时间随时间t t的变化数据的变化数据，并绘制成曲线图，并绘制成曲线图图3-1纯金属结晶时的冷却曲线3、结晶过程的宏观现象、结晶过程的宏观现象由冷却曲线可见，由冷却曲线可见，开始时开始时，液态金属的，液态金属的温度随时间降低温度随时间降低，冷却至冷却至T0时时不再随不再随时间而降低，冷却曲线上时间而降低，冷却曲线上出现一个平台出现一个平台。这个平台所对应的温度就是纯金属的这个平台所对应的温度就是纯金属的实际结晶温度实际结晶温度。因为结晶时放出结晶潜热，补偿了此时向环境散发的热量，使温度保持恒定因为结晶时放出结晶潜热，补偿了此时向环境散发的

3、热量，使温度保持恒定。温度温度T0称为称为平衡结晶温度平衡结晶温度。(一一) 过冷现象过冷现象实际情况中，金属的冷却结晶不可能无限缓慢进行，所以纯金属材料的实际情况中，金属的冷却结晶不可能无限缓慢进行，所以纯金属材料的实际实际结晶温度结晶温度T1总是低于平衡结晶温度总是低于平衡结晶温度T0，这种现象叫这种现象叫过冷现象过冷现象。过冷度过冷度:金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度T1(熔点熔点)与理论结晶温度与理论结晶温度T0之差之差( T)。 T= T1- T0 过冷度影响因素过冷度影响因素: 冷却速度、金属性质和纯度。冷却速度、金属性质和纯度。 说明：说明：冷却速度冷却速度，则过冷度，则过冷

4、度，实际结晶温度就越低。，实际结晶温度就越低。实践证明，液体金属材料的结晶总是在过冷的情况下才能进行（没有过实践证明，液体金属材料的结晶总是在过冷的情况下才能进行（没有过冷，结晶不出稳定的固体）。冷，结晶不出稳定的固体）。 注意！注意！过冷度是金属结晶的过冷度是金属结晶的必要条件必要条件。(二二) 结晶潜热结晶潜热相变潜热相变潜热: 一摩尔物质从一个相转变为另一个相时一摩尔物质从一个相转变为另一个相时, 伴随着放出或吸收的伴随着放出或吸收的热量热量.熔化潜热熔化潜热: 金属熔化时金属熔化时,从固相转化为液相吸收的热量从固相转化为液相吸收的热量.结晶潜热结晶潜热: 金属结晶时金属结晶时, 从液相

5、转化为固相放出的热量从液相转化为固相放出的热量.3.1.13.1.1纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件过冷度结晶潜热4、金属结晶的热力学条件、金属结晶的热力学条件亥姆霍兹自由能是受温度、压力、容积等亥姆霍兹自由能是受温度、压力、容积等多因素影响的多因素影响的物质状态函数物质状态函数，从物理意义来，从物理意义来说，是说，是指在一定条件下物质中能够自动向外指在一定条件下物质中能够自动向外界释放做功的那一部分能量。界释放做功的那一部分能量。u热力学第二定律表明，在等温等容的热力学第二定律表明，在等温等容的条件下，一切自发变化过程都是朝着亥条件下，一切自发变化过程都是朝着亥姆霍兹自由能降低的方向进行。姆

6、霍兹自由能降低的方向进行。图图3-23-2液体和晶体亥姆霍液体和晶体亥姆霍兹自由能随温度变化曲线兹自由能随温度变化曲线3.1.13.1.1纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件温度温度低于低于T0时时，即，即有一定过冷度有一定过冷度，晶体晶体的亥姆霍的亥姆霍兹自由能兹自由能低于液体低于液体，这时，这时结晶可以自发进行结晶可以自发进行。过冷度过冷度 T T越大，液体和晶体的亥姆霍兹自由能差越大，液体和晶体的亥姆霍兹自由能差 E E越大，结晶倾向越大越大，结晶倾向越大。在温度在温度T0时时，液体和晶体亥姆霍兹自由能，液体和晶体亥姆霍兹自由能相等，二者相等，二者处于平衡状态处于平衡状态。T0就是就是平衡结

7、晶温度平衡结晶温度，即，即理论结晶温度理论结晶温度。由于由于液体和晶体液体和晶体的的结构不同结构不同，同一物质的，同一物质的液体和晶体在液体和晶体在不同温度下不同温度下的的亥姆霍兹自由能亥姆霍兹自由能变化是不同变化是不同的，如图的，如图3 32 2所示。所示。说明说明：由于由于液体和晶体液体和晶体的的结构不同结构不同，同一物质的，同一物质的液体和晶体在液体和晶体在不同温度下不同温度下的的亥姆霍兹自由能亥姆霍兹自由能变化是不同变化是不同的，如图的，如图3 32 2所示。所示。3.1.23.1.2纯金属结晶的规律纯金属结晶的规律当液态金属的温度下降到接近当液态金属的温度下降到接近T T0 0时，某

8、些局部区域时，某些局部区域会有一些原子规则地排列起来，形成原子小集团，会有一些原子规则地排列起来，形成原子小集团，这些小集团很不稳定，遇到热流和振动就会立即消这些小集团很不稳定，遇到热流和振动就会立即消失，时聚时散，此起彼伏。失，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，部分小集团有了较好的稳当低于理论结晶温度时，部分小集团有了较好的稳定性，将进一步长大成为结晶核心，称为定性，将进一步长大成为结晶核心，称为晶核晶核。液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶3.1.23.1.2纯金属结晶的规律纯金属结晶的规律纯金属结晶的结晶过程纯金属结晶的结晶过程3.1.23.1.2纯金属结晶的

9、规律纯金属结晶的规律(2)(2)非自发形核非自发形核实际金属液体实际金属液体中常常会存在一些杂质或异类质中常常会存在一些杂质或异类质点，结晶时它们优先成为结晶核点，结晶时它们优先成为结晶核心，心，这种依附于杂质表面而形成这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为晶核的过程称为非自发形核非自发形核。晶核形成之后，会不断吸收周晶核形成之后，会不断吸收周围液体中的金属原子逐渐长大。围液体中的金属原子逐渐长大。开始时，因其内部原子规则排开始时，因其内部原子规则排列的特点，外形比较规则，但由列的特点，外形比较规则，但由于晶核长大需要不断散热，所以于晶核长大需要不断散热，所以在散热条件比较优越的在散热条件比较

10、优越的棱边和顶棱边和顶角处就会优先长大角处就会优先长大，如图，如图3-43-4所所示。示。其其生长方式像树枝一样生长方式像树枝一样，先长，先长出枝干，再长出分枝，最后把枝出枝干，再长出分枝，最后把枝间填满，得到间填满，得到树枝状晶体树枝状晶体，简称，简称树枝晶树枝晶。3.1.23.1.2纯金属结晶的规律纯金属结晶的规律3.1.33.1.3金属结晶后的晶粒大小金属结晶后的晶粒大小表表3-13-1晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒大小对纯铁力学性能的影响由表可见，由表可见，晶粒越细小晶粒越细小，不仅，不仅强度强度提提高高，而且，而且塑性、韧性塑性、韧性也不能提也不能提高高，这是因为，这是因为晶粒越细

11、小晶粒越细小，晶界越多晶界越多，晶格畸变越多晶格畸变越多，强度、硬度，强度、硬度越高。越高。另外，晶粒另外，晶粒越细小越细小，晶界晶界就会就会越曲折越曲折，晶粒晶粒与晶粒与晶粒之间之间相互相互咬合咬合的的机会就机会就越多越多，越，越不利不利于于裂纹裂纹的的传播传播，变形变形能够更加能够更加均匀均匀地地颁布颁布到各到各个晶粒，个晶粒，不会不会因因应力集中应力集中而断裂，所以塑性、韧性更好。而断裂，所以塑性、韧性更好。3.1.33.1.3金属结晶后的晶粒大小金属结晶后的晶粒大小1. 1. 增加过冷度增加过冷度图图3-53-5形核率和长大率与形核率和长大率与TT之间的关系之间的关系u金属金属结晶结晶

12、后后大小取决于大小取决于形核率形核率N N和长大率和长大率G G。uN N越大，越大，G G越小，即越小，即N/GN/G越大越大则晶粒越细则晶粒越细。实践证明，金属结晶时，实践证明，金属结晶时，N N和和G G的值一般的值一般都都随随T的的增加增加而而增大增大的，如图的，如图3-53-5所示。所示。由图可见，当由图可见，当T T较小时较小时，N N比比G G增增长的长的慢慢，而当，而当T T较大时较大时，N N比比G G增长增长要要快快得多，使得多，使单位体积单位体积中中晶核数目晶核数目大大大大增多增多，故，故晶粒变细晶粒变细。虽然增大虽然增大T能细化晶粒，但对于能细化晶粒，但对于铸铸锭或大铸

13、件锭或大铸件，由于，由于散热慢散热慢，要获得较大，要获得较大的的T很困难，而且很困难，而且过大过大的的冷却速度冷却速度往往往导致往导致铸件开裂铸件开裂而造成废品。因此，而造成废品。因此，生生产中还采用其他方法细化晶粒。产中还采用其他方法细化晶粒。说明说明: :2.2.变质处理变质处理变质处理在冶金和铸造生产中应用十分广泛，如变质处理在冶金和铸造生产中应用十分广泛，如钢中钢中加加入入铝、钛、钒、硼铝、钛、钒、硼等，等，铸铁铸铁中加入中加入硅钙硅钙等，铸造等，铸造铝硅合铝硅合金金中加入中加入钠盐钠盐等。等。定义定义: :应用应用: :3.3.附加振动附加振动3.1.43.1.4铸锭的组织及其控制铸

14、锭的组织及其控制3.1.43.1.4铸锭的组织及其控制铸锭的组织及其控制1.1.铸锭的组织铸锭的组织图图3-63-6铸锭组织示意图铸锭组织示意图由于凝固时由于凝固时表面表面和中心的和中心的结晶条件结晶条件不同不同, ,铸锭的铸锭的宏观组织宏观组织是是不均匀不均匀的的, ,通常由通常由表层表层细晶区细晶区, ,柱状晶区和中心等晶区柱状晶区和中心等晶区三个晶区三个晶区组成组成1、表层细晶区、表层细晶区:模壁激冷（大模壁激冷（大T ）及非自发形核）及非自发形核细小晶粒薄层。细小晶粒薄层。2、柱状晶区、柱状晶区:结晶潜热使结晶潜热使T且方向性散热且方向性散热垂直模壁单相长大垂直模壁单相长大柱状晶区。柱

15、状晶区。3、中心等轴晶区、中心等轴晶区: T进一步进一步+结晶潜热使温度均匀结晶潜热使温度均匀以杂质和被冲下的晶枝以杂质和被冲下的晶枝 碎块为晶核均匀长大、形成粗大的等轴晶区。碎块为晶核均匀长大、形成粗大的等轴晶区。1.1.铸锭的组织铸锭的组织一般的铸锭都是作为坏料，还要进行轧制等各种加工，一般的铸锭都是作为坏料，还要进行轧制等各种加工，柱状晶性能方向性强且柱状晶性能方向性强且柱晶间结合薄弱，轧制时容易在柱晶处开裂柱晶间结合薄弱，轧制时容易在柱晶处开裂，故要尺量减少或避免形成明显的，故要尺量减少或避免形成明显的柱状晶区柱状晶区根据根据柱晶区的形成与温度梯度的方向性有直接关系柱晶区的形成与温度梯

16、度的方向性有直接关系，减少柱晶区需从破坏稳定，减少柱晶区需从破坏稳定的温度梯度及柱晶的稳定入手。如的温度梯度及柱晶的稳定入手。如降低浇注温度、降低模具的散热条件、增加降低浇注温度、降低模具的散热条件、增加液体流动性或振动以及变质处理液体流动性或振动以及变质处理等。等。柱状晶区的特点：柱状晶区的特点：铸锭三晶区的形成：铸锭三晶区的形成：减少柱状晶区方法：减少柱状晶区方法：2.2.铸锭的缺陷铸锭的缺陷(1)(1)缩孔和疏松缩孔和疏松缩孔缩孔：如果孔隙集中在凝固的如果孔隙集中在凝固的最后部位最后部位，则称为缩孔，则称为缩孔。可以通过可以通过合理设计浇注工艺合理设计浇注工艺，预留出补缩的液体预留出补缩

17、的液体（如加冒口）等方（如加冒口）等方法控制。法控制。疏松：疏松：可以通过可以通过压力铸造压力铸造等方法予以消除。等方法予以消除。大多数金属大多数金属凝固凝固时时体积体积要要收缩收缩，如果没有足够的液体补充，便会，如果没有足够的液体补充，便会形成孔隙。形成孔隙。缩孔的处理：缩孔的处理：一旦铸锭中出现缩孔则一旦铸锭中出现缩孔则应切除掉应切除掉。减少缩孔的方法：减少缩孔的方法：减少疏松的方法：减少疏松的方法：如果孔隙分散地如果孔隙分散地分布于枝晶间分布于枝晶间，则称为疏松。，则称为疏松。合金中各部分合金中各部分化学成分不均匀化学成分不均匀的现象称为的现象称为偏析偏析。铸锭在结晶时，由于各部位铸锭在

18、结晶时，由于各部位结晶先后顺序不同结晶先后顺序不同，合金中的，合金中的低熔点元素偏聚于最低熔点元素偏聚于最终结晶区终结晶区，或由于结晶出的，或由于结晶出的固相与液相固相与液相的的比重相差较大比重相差较大，使，使固相上浮或下沉固相上浮或下沉，从而造成铸锭从而造成铸锭宏观宏观上的上的成分不均匀成分不均匀，称为，称为宏观偏析宏观偏析。金属在液态下比在固态下溶解气体多。液态金属凝固时，如果所析出的金属在液态下比在固态下溶解气体多。液态金属凝固时，如果所析出的气体气体来来不及逸出，就会不及逸出，就会保留在铸锭中保留在铸锭中，形成，形成气孔气孔。(2)(2)气孔气孔(3)(3)偏析偏析2.2.铸锭的缺陷铸

19、锭的缺陷内表面未被氧化的气孔在热锻或热轧时可以焊合。如发生氧化，则必须去除。内表面未被氧化的气孔在热锻或热轧时可以焊合。如发生氧化，则必须去除。适当适当控制浇注温度控制浇注温度和和结晶速度结晶速度可可减轻减轻宏观偏析。宏观偏析。处理：处理：处理：处理：宏观偏析宏观偏析3.23.2合金的相结构合金的相结构概述概述3.23.2合金的相结构合金的相结构3.2.13.2.1合金的基本概念合金的基本概念1.1.合金合金合金是指由合金是指由两种或两种以上两种或两种以上的的金属元素或金属元素与非金属元素金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有组成的具有金属特征金属特征的物质。的物质。定义定义：例如，普通黄铜

20、是由铜与锌组成的合金；例如，普通黄铜是由铜与锌组成的合金；钢和铸铁是由碳与铁组成的合金。钢和铸铁是由碳与铁组成的合金。合金的优势合金的优势：2.2.组元组元组成合金的组成合金的基本的物质基本的物质叫组元。叫组元。定义：定义：组元大多数是组元大多数是元素元素，如铁碳合金的主要组元是，如铁碳合金的主要组元是铁和碳铁和碳，有时也可将，有时也可将稳定的化稳定的化合物合物作为组元，如作为组元，如渗碳体渗碳体FeFe3 3C C等。等。组元的特性：组元的特性：由两个组元组成的合金称为由两个组元组成的合金称为二元合金二元合金，由三个组元组成的合金称为，由三个组元组成的合金称为三元合金三元合金等等。当组元不变

21、，而当组元不变，而组元比例发生变化组元比例发生变化，可以得到一系列不同成分的合金，这一，可以得到一系列不同成分的合金，这一系列相同组元的合金称为系列相同组元的合金称为合金系合金系。其性能差别如此之大，起决定作用的是其性能差别如此之大，起决定作用的是“组织组织”和和“相相”两个因素。两个因素。所以，在研究合金的组织、性能之前必须先了解合金组织中的相及其结构。所以，在研究合金的组织、性能之前必须先了解合金组织中的相及其结构。即是使是即是使是相同化学成分的合金材料，其性能也可以有显著区别相同化学成分的合金材料，其性能也可以有显著区别。例如，同一。例如，同一化学成分的某种刃具钢，其淬火态的刃具可以切削

22、其退火态的制件。化学成分的某种刃具钢，其淬火态的刃具可以切削其退火态的制件。关于合金的几个概念：关于合金的几个概念：合金性能的决定因素：合金性能的决定因素：3.3.相相4.4.组织组织一般将用一般将用肉眼和放大镜观察到肉眼和放大镜观察到的组织称为的组织称为宏观组织宏观组织，在，在显微镜下显微镜下观察到观察到的组织称为的组织称为微观组织微观组织。只由只由一种相组成一种相组成的组织称为的组织称为单相组织单相组织；由；由几种不同的相组成几种不同的相组成的组的组织称为织称为多相组织多相组织。组织：组织：宏观组织与微观组织：宏观组织与微观组织：单相组织与多相组织：单相组织与多相组织：3.2.23.2.2

23、固态合金的相结构固态合金的相结构1.1.固溶体固溶体固溶体中固溶体中含量较多含量较多的组元称为的组元称为溶剂溶剂，含量较少含量较少的组元称为的组元称为溶质溶质，固溶体的固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型相同晶格类型与溶剂组元的晶格类型相同按溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分：按溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分：间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体按固溶度分：按固溶度分：无限固溶体无限固溶体有限固溶体有限固溶体溶质原子在固溶体中的溶解有一定限度溶质原子在固溶体中的溶解有一定限度。溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格结构中溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格结构中。1.1.固溶体固溶体图图3-73

24、-7间隙固溶体结构示意图间隙固溶体结构示意图形成条件形成条件：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大, ,一一般般 R R溶质溶质/ /R R溶剂溶剂0.590.59时，才能形成间隙固溶体。时，才能形成间隙固溶体。为有限固溶体为有限固溶体1.1.固溶体固溶体图图3-83-8间隙固溶体晶格畸变示意图间隙固溶体晶格畸变示意图特性特性：溶质原子溶入溶剂晶格间隙后溶质原子溶入溶剂晶格间隙后, ,将使溶剂将使溶剂晶格发生畸，晶晶格发生畸，晶格常数增大格常数增大（如图（如图3 38 8所示），使合金的所示），使合金的强度、硬度增加强度、硬度增加。溶入的溶入的溶质原子越多溶质原

25、子越多，引起的，引起的晶格畸变越大晶格畸变越大。1.1.固溶体固溶体图图3-93-9置换固溶体示意图置换固溶体示意图u在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两者在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两者原子半径的差别原子半径的差别以以及它们在及它们在周期表中的相互位置周期表中的相互位置和和晶格类型晶格类型。u当两组元在元素周期表中当两组元在元素周期表中位置越靠近位置越靠近，且，且晶格晶格类型相同类型相同，原子半径相近原子半径相近时，往往可以任何比例时，往往可以任何比例无限互相溶解，无限互相溶解，形成无限置换固溶体形成无限置换固溶体，u例如铜和镍便能形成无限置换固溶体。例如铜和镍

26、便能形成无限置换固溶体。u反之反之，则只能，则只能形成有限置换固溶体形成有限置换固溶体，u例如铜（面心立方晶格）和锌（密排六方晶格例如铜（面心立方晶格）和锌（密排六方晶格）只能形成有限置换固溶体。）只能形成有限置换固溶体。置换固溶体溶解度的决定因素：置换固溶体溶解度的决定因素：1.固溶体图图3-103-10置换固溶体畸变示意图置换固溶体畸变示意图固溶强化是提高材料力学性能的重要途径之一。固溶强化是提高材料力学性能的重要途径之一。固溶强化：固溶强化：2.2.金属化合物金属化合物图图3-113-11金属化合物晶格示意图金属化合物晶格示意图u金属化合物金属化合物是各种合金钢、硬质是各种合金钢、硬质合

27、金及许多非铁金属的重要组成相合金及许多非铁金属的重要组成相。第二相强化：第二相强化：生产中常利用将生产中常利用将金属化合物相金属化合物相分布分布在在固溶体相固溶体相的的基体上基体上来提高合金的来提高合金的强度、硬度强度、硬度，从而达到，从而达到强化金属材强化金属材料料的的目的目的，称为，称为第二相强化第二相强化。其也是强化金属材料的重要途径之其也是强化金属材料的重要途径之一。一。3.3.合金的组织合金的组织3.33.3二元合金相图二元合金相图纯金属结晶后只能得到纯金属结晶后只能得到单相的固溶体单相的固溶体；合金结晶后，既可获得；合金结晶后，既可获得单相的固溶体，单相的固溶体，也可获得单相的金属

28、化合物也可获得单相的金属化合物，更常见的是获得既有，更常见的是获得既有固溶体固溶体又有又有金属化合物金属化合物的多的多相组织。相组织。 相图就是表示合金系中合金的相图就是表示合金系中合金的状态与温度、成分状态与温度、成分之间之间关系及变化规律关系及变化规律的图的图解，是表示合金系在解，是表示合金系在平衡条件下平衡条件下（可理解为以极其缓慢地速度冷却或加热，使可理解为以极其缓慢地速度冷却或加热，使其在各温度位置有足够时间充分转变以达到平衡其在各温度位置有足够时间充分转变以达到平衡），在），在不同温度、成分下各相不同温度、成分下各相关系关系的图解。的图解。纯金属、合金结晶后的产物：纯金属、合金结晶

29、后的产物：那么，一定成分的合金在某个温度下是固态还是液态？会形成什么样的组织？那么，一定成分的合金在某个温度下是固态还是液态？会形成什么样的组织？合金相图：合金相图：合金相图的作用及意义合金相图的作用及意义：概述概述：3.33.3二元合金相图二元合金相图图图3-123-12二元合金相图表示法二元合金相图表示法1 1、配制合金系，熔化；、配制合金系，熔化；2 2、测冷却曲线确定临界点；、测冷却曲线确定临界点；3.3.画温度画温度- -成分坐标标定临界点；成分坐标标定临界点；4.4.具有相同意义的点连线。具有相同意义的点连线。 0 20 50 80 100 Cu% 100 80 50 20 0 N

30、i %时间时间时间时间100%Cu20%Ni50%Ni80%Ni100%Ni温度温度 1500 1400130012001100温温度度 温温度度 1083118011301245132513701410LL+ABCu 10 30 50 70 90 Ni Ni (%)14533.3.23.3.2二元合金相图的测绘二元合金相图的测绘目前，合金相图都是根据大量实验结果绘制出来的，最常用的为目前，合金相图都是根据大量实验结果绘制出来的，最常用的为热分析法。下面以铜镍合金为例，简单介绍用热分析法绘相图热分析法。下面以铜镍合金为例，简单介绍用热分析法绘相图的过程。的过程。匀晶相图：匀晶相图：两组元在液态

31、和固态下都以任何比例相互溶解，即两组元在液态和固态下都以任何比例相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体，则其为匀晶相图。在固态下能形成无限固溶体，则其为匀晶相图。（如（如 Cu-Ni Cu-Au Au-Ag Fe-NiCu-Ni Cu-Au Au-Ag Fe-Ni等）等）3.3.33.3.3匀晶相图匀晶相图现以铜镍合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进现以铜镍合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。行分析。3.3.33.3.3匀晶相图匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯

32、镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区（结晶区液固两相区（结晶区）1.铜铜-镍匀晶相图分析镍匀晶相图分析合金结晶时，从液相合金结晶时，从液相L L中结晶出单相的中结晶出单相的 固固溶体，这种结晶过程称为溶体，这种结晶过程称为匀晶转变匀晶转变abcdT,CtL L L匀晶转变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。2

33、.2.铜铜- -镍匀晶转变过程镍匀晶转变过程合金的平衡结晶过程合金的平衡结晶过程及组织及组织合金的平衡结晶过程合金的平衡结晶过程及组织及组织条件：冷却速度非常缓条件：冷却速度非常缓慢（铜原子和镍原子有慢（铜原子和镍原子有足够的时间进行充分扩足够的时间进行充分扩散）散）2.2.铜铜- -镍匀晶转变过程镍匀晶转变过程2.2.铜铜- -镍匀晶转变过程镍匀晶转变过程2.2.铜铜- -镍匀晶转变过程镍匀晶转变过程3.3.43.3.4共晶相图共晶相图共晶相图：共晶相图：3.3.43.3.4共晶相图共晶相图PbSnSn%T, C液相线液相线L固相线固相线 + L+ L + 固溶线固溶线 固溶线固溶线ABEM

34、NFG共晶相图简介共晶相图简介1.铅铅-锡共晶相图分析锡共晶相图分析液溶体液溶体以铅为主成分的固溶体以铅为主成分的固溶体以锡为主成分的固溶体以锡为主成分的固溶体PbSnSn%T, C液相线液相线L固相线固相线 + L+ L + 固溶线固溶线 固溶线固溶线ABEMNFG共晶相图简介共晶相图简介1.铅铅-锡共晶相图分析锡共晶相图分析液溶体液溶体以铅为主成分的固溶体以铅为主成分的固溶体以锡为主成分的固溶体以锡为主成分的固溶体纯铅的熔点纯铅的熔点（327）纯铅的熔点纯铅的熔点（327） 相的最大相的最大固溶点固溶点 相的最相的最大固溶点大固溶点共晶点（共成分共晶点（共成分61.9%；共晶温；共晶温度度

35、1831.铅铅-锡共晶相图分析锡共晶相图分析l 共晶转变可用式共晶转变可用式 表示。表示。 其意义为其意义为E E点成分的点成分的L L相在相在183183时同时结晶时同时结晶出出M M点成分的点成分的 固溶体和固溶体和N N点成分的点成分的 固溶体固溶体 NMEL C183。2.结晶过程分析结晶过程分析PbSnT, CL + L + L + 183MNE010020030097.5%61.9%19.2%FBA合金合金合金合金合金合金合金合金合金合金WSn(%)GFGT/ CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1234PbSnT/ CL + L + L + 183MNE室温组织室温组织:

36、+ 100200300BA结晶过程结晶过程: L L+ + 成分在（成分在（0M点）的点）的合金合金以铅为主以铅为主，锡锡的质量分数的质量分数小于小于固溶体固溶体的最大固溶度的最大固溶度19.2%19.2%1.当合金当合金溶液冷却时，首先溶液冷却时，首先与与AEAE线相交，这时从液相线相交，这时从液相L L中结中结晶出晶出 固溶体。固溶体。2.2.没有共晶反应过程，而是经没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相过匀晶反应形成单相 固溶体。固溶体。3. 固溶体固溶度达到饱和固溶体固溶度达到饱和，温度再降低时，多余的，温度再降低时，多余的锡以锡以固溶体的形式从固溶体的形式从 固固溶体内析出，称之

37、为次生溶体内析出，称之为次生相，以相，以 表示表示，室温，室温 组组织组成物织组成物为为 + 成分在（成分在（N点点100%）的）的合金合金以锡为主以锡为主，铅铅的质量分数的质量分数小于小于固溶体固溶体的最大固溶的最大固溶度度2.5%2.5%FGT/ CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1234PbSnT/ CL + L + L + 183MNE室温组织室温组织: + 100200300BA结晶过程结晶过程: L L+ + 1.当合金当合金溶液冷却时，首先溶液冷却时，首先与与BEBE线相交，这时从液相线相交，这时从液相L L中结中结晶出晶出固溶体。固溶体。2.2.没有共晶反应过程，而是经

38、没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相过匀晶反应形成单相 固溶体。固溶体。3. 的固溶度随温度的下的固溶度随温度的下降而减小，当温度降至室降而减小，当温度降至室温时，会有少量的温时，会有少量的 从从中析出。中析出。tL( + )L( + )LL( + ) 共晶体共晶体冷却曲线冷却曲线( + )SnL + L + L + MNEBFPbT/ C 183100200300AT/ C成分为成分为共晶点成分（共晶点成分（WSn%)的合金为共晶的合金为共晶合金。合金。GWSn(%)61.9%室温组织室温组织: + 共晶体共晶体结晶过程结晶过程: L L+（ + ） + 1.1.液态合金温度降至液态合

39、金温度降至E E点（点（183183）时，发生共晶转变，即在恒温下）时，发生共晶转变，即在恒温下同时结晶出同时结晶出M M点成分的点成分的 固溶体和固溶体和N N点成分的点成分的 固溶体。固溶体。2. 当温度继续下降时，从当温度继续下降时，从 和和固溶固溶体中分别析出少量的体中分别析出少量的 和和 ，由于，由于析出的析出的 和和 都相应地同都相应地同 和和相相连在一起，共晶体的形态和成分不连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化，合金的室温组织全部为发生变化，合金的室温组织全部为共晶体。共晶体。01020304050607080901000100200300400500 PbWSn(%)TL 1

40、83327A19.2MFL+ + 61.9E t/sT/LL + t1 + t2t2 t1t2L + （ + )共共 初初+ 室温组织：室温组织： 初初 + + （ + ）共晶共晶亚共晶合金合金亚共晶合金合金成分在成分在（ME点）的合金点）的合金称为亚共晶称为亚共晶合金合金。1.合金合金溶液冷却时，溶液冷却时，首先与首先与AE线相交，这时从液相线相交，这时从液相L中结晶出饱中结晶出饱和状态的和状态的固溶体，称为初生固溶体，称为初生相相。3. 当温度再下降，先结晶的当温度再下降，先结晶的固溶体固溶体析出少量次生相析出少量次生相，亚共晶合金的，亚共晶合金的显微组织如图，深色的初生显微组织如图，深色

41、的初生固溶体固溶体和条纹状共晶组织（和条纹状共晶组织（+）。2.2.初生初生固溶体含锡量小于合金的含固溶体含锡量小于合金的含锡量，随着初生锡量，随着初生的结晶，剩余的液的结晶，剩余的液相相L L中含锡量成分逐渐增加（随中含锡量成分逐渐增加（随AEAE线变线变化），当温度降至共晶温度化），当温度降至共晶温度183183时，时，剩余液相剩余液相L L的成分刚好达到共晶成分（的成分刚好达到共晶成分（W WSnSn%=61.9%=61.9%），这时这部分剩余液相发），这时这部分剩余液相发生共晶转变，形成以生共晶转变，形成以和和交替分布交替分布的共晶组织的共晶组织+ +。结晶过程结晶过程: L L+ L

42、+ +（+） + +（ + ）t/sT/t1t2t2L + + 01 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 L L + WSn(%)G t1t2SnPb L BAMNFL+ L+ + ET（ + ）过共晶合金合金过共晶合金合金成分在成分在（E点点N点）点）的的合金合金称为过称为过共晶合金共晶合金。室温组织：室温组织： 初初 + + （ + ）共晶共晶结晶过程结晶过程: L L+ L+ +（+） + +（ + ）1.合金合金溶液冷却时，溶液冷却时，首先与首先与BE线相交，这时从液相线相交，这时从液相L中

43、结晶出饱中结晶出饱和状态的和状态的 固溶体。固溶体。2. 2. 结晶的结晶的固溶体含锡量大于合金的固溶体含锡量大于合金的含锡量，随着含锡量，随着的结晶，剩余的液相的结晶，剩余的液相L L中含锡量逐渐减小（随中含锡量逐渐减小（随BEBE线变化），线变化），当温度降至共晶温度当温度降至共晶温度183183时，剩余液时，剩余液相相L L的成分也达到共晶成分的成分也达到共晶成分，形成共晶，形成共晶组织组织+ +。3. 当温度再下降，先结晶的当温度再下降，先结晶的 固溶固溶体析出少量次生相体析出少量次生相，过共晶合金，过共晶合金的显微组织如图，深色的初生的显微组织如图，深色的初生固固溶体和条纹状共晶组织

44、（溶体和条纹状共晶组织（+）。）。组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注LL+L+(+)+(+)(+)+PbSnSn,%温度，相组成物标注相图相组成物标注相图3.43.4铁碳合金相图铁碳合金相图概述概述：3.43.4铁碳合金相图铁碳合金相图3.4.13.4.1纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变图图3-283-28纯铁在常压下的纯铁在常压下的冷却曲线冷却曲线 当温度等外界条件变化时，晶格类当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变，称为同素异构转变型会发生转变，称为同素异构转变。同素异构转变是同素异构转变是一种固态转变一种固态转变同素异构转变的特点同素异构转变的特点：1、有一定的平衡

45、、有一定的平衡转变温度（相变点转变温度（相变点）2、转变时需要过冷、转变时需要过冷3、转变过程也是由、转变过程也是由形核和长大来完成的形核和长大来完成的4、需要较、需要较大的过冷度大的过冷度5、会产生较、会产生较大的内应力大的内应力注意注意：纯铁的纯铁的磁性转磁性转变不是变不是相变，相变，晶格不晶格不发生转发生转变。变。3.4.23.4.2铁碳全合金的基本组织及其性能铁碳全合金的基本组织及其性能概述：概述：3.4.23.4.2铁碳全合金的基本组织及其性能铁碳全合金的基本组织及其性能铁素体铁素体l 组元：组元：Fe、 Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称

46、铁素铁素体体, 用用F 或或 表示。表示。3.4.23.4.2铁碳全合金的基本组织及其性能铁碳全合金的基本组织及其性能l组织为不规则多面体晶粒组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。，晶界较直。无磁性，强无磁性，强度低、塑性好度低、塑性好，钢材热加钢材热加工都在工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥氏体碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体lFeFe3 3C C是组元，又是基本相，也是组元，又是基本相，也是一个亚稳相，在一定条件是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：下可发生分解：FeFe3 3C3Fe+CC3Fe+C( (石墨石墨), ), 该反应对铸铁有重要该反应对铸铁有重要意义。意义。l由于碳

47、在由于碳在 -Fe-Fe中的溶解度很中的溶解度很小，因而小，因而常温下碳在铁碳合常温下碳在铁碳合金中主要以金中主要以FeFe3 3C C或或石墨石墨的形式的形式存在。存在。l是铁碳合金中主要的强化相是铁碳合金中主要的强化相，通常分为：通常分为：一次渗碳体一次渗碳体Fe3CFe3C（液体中直接结晶生（液体中直接结晶生成，块状分布）；成，块状分布）；二次渗碳二次渗碳体体Fe3C（由奥氏中析出，（由奥氏中析出，网状分布）网状分布） ；三次渗碳体三次渗碳体Fe3C（铁素体中析出，断（铁素体中析出，断续片状分布）续片状分布） 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体l珠光体的组织特点是两相珠光体

48、的组织特点是两相呈片层相间分布呈片层相间分布,性能介性能介于两相之间，具有较高的于两相之间，具有较高的强度和硬度，具有一定的强度和硬度，具有一定的塑性和韧性，是一种综合塑性和韧性，是一种综合性能较好的组织。性能较好的组织。珠光体珠光体莱氏体莱氏体3.4.33.4.3FeFe- - F Fe e3 3C C相图分析相图分析铁碳合金相图铁碳合金相图：是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之 间关系的理论基础；间关系的理论基础；是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。简化后的简化后的Fe- Fe3C相图如下图

49、所示相图如下图所示： Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TA+Fe3CFA+FF+ Fe3C0.77%CK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图液相线固相线A(C)AcmA3F(C)共析线，A1共晶线3.4.33.4.3FeFe- - F Fe e3 3C C相图分析相图分析表表3-2 3-2 简化简化Fe- Fe3CFe- Fe3C相图中的特性点相图中的特性点特性点特性点符号符号温度温度/ c c（% %）含义含义A A153815380 0熔点

50、：纯铁的熔点熔点：纯铁的熔点C C114811484.34.3共晶点：发生共晶转变共晶点：发生共晶转变L L4.34.3Ld(ALd(A2.11%2.11%+Fe+Fe3 3C C共晶共晶) )D D122712276.696.69熔点：渗碳体的熔点熔点：渗碳体的熔点E E114811482.112.11碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度点中的最大溶解度点G G9129120 0同素异构转变点同素异构转变点S S7277270.770.77共析点：发生共析转变共析点：发生共析转变A A0.77%0.77%p(Fp(F0.0218%0.0218%+Fe+Fe3 3C C共析共析) )P P727

51、7270.02180.0218碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度点中的最大溶解度点Q Q室温室温0.00080.0008室温下碳在室温下碳在-Fe-Fe中的溶解度中的溶解度五个重要的成份点五个重要的成份点: P、S、E、C、Fe3C成分点。成分点。1.1.主要特性点主要特性点（1 1）ACAC线线 液体向奥氏体转变的开始线液体向奥氏体转变的开始线。即：。即：LALA。（2 2）CDCD线线 液体向渗碳体转变的开始线液体向渗碳体转变的开始线。即：。即：LFeLFe3 3CC。 ACDACD线统称为液相线线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号

52、L L表示。表示。（3 3）AEAE线线 液体向奥氏体转变的终了线液体向奥氏体转变的终了线。（4 4）ECFECF水平线水平线 共晶线共晶线。AECFAECF线统称为固相线线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。（5 5）ESES线线 又称又称AcmAcm线线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：。即：LFeLFe3 3CC。（6 6）GSGS线线 又称又称A3A3线线，（7 7）GPGP线线 奥氏体向铁素体转变的终了线奥氏体向铁素体转变的终了线。（8 8）PSKPSK水平线水平线 共析线（

53、共析线（727727），又称又称A1A1线线。（9 9）PQPQ线线 碳在铁素体中的溶解度曲线碳在铁素体中的溶解度曲线。四条重要的线四条重要的线: ECF、ES、GS、PSQ。 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TA+Fe3CFA+FF+ Fe3C0.77%CK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图液相线固相线A(C)AcmA3F(C)共析线，A1共晶线（1）单相区单相区 简化的简化的Fe- Fe3C相图中有相图中有F、A、L和和Fe3C 四个单相

54、区四个单相区。（2）两相区两相区 简化的简化的Fe- Fe3C相图中有相图中有五个两相区五个两相区，即，即 L+A两相区、两相区、L+Fe3C两相区、两相区、A+Fe3C两相区、两相区、A+F两相两相 区和区和F+ Fe3C两相区两相区。每个两相区都与相应的两个单相区相邻每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线两条三相共存线，即即共晶线共晶线ECF，L、A和和Fe3C三相共存，三相共存，共析线共析线PSK，A、F和和Fe3C三相共存。三相共存。 v二个重要温度二个重要温度: 1148 、727 。根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为：根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可

55、将铁碳合金分为：1）工业纯铁）工业纯铁 c0.0218%。2）钢）钢 0.0218%c2.11%，又可分为：又可分为： 亚共析钢亚共析钢 0.0218%c0.77%； 共析钢共析钢 c=0.77%； 过共析钢过共析钢 0.77%c2.11%。3）白口铸铁）白口铸铁 2.11%c6.69%，又可分为以下三种：又可分为以下三种： 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11%c4.3% 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 c=4.3% 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4.3%c6.69%3.4.43.4.4典型合金的结晶过程及组典型合金的结晶过程及组织织图图3-303-30六种铁碳合金在相图中的位置六种铁碳合金在相

56、图中的位置3.4.43.4.4典型合金的结晶过程及组典型合金的结晶过程及组织织共析钢共析钢亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢共晶白共晶白口铸铁口铸铁亚共晶白亚共晶白口铸铁口铸铁过共晶白过共晶白口铸铁口铸铁工业纯铁工业纯铁ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TA+Fe3CFA+FF+ Fe3C0.77%CK亚共析钢 过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁工业纯铁共析钢共析钢共晶白口铁共晶白口铁3.4.43.4.4典型合金的结晶过程及组织典型合金的结晶过程及组织工业纯铁的平衡结晶过程冷却过程中匀晶反应：冷却过程中匀晶反应

57、：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C工业纯铁（工业纯铁（C%0.0218%） 相组成物：相组成物：F+Fe3C C%0.0008% ; F C%L+A-A-A+F-F+Fe3CIII单相液体的冷却匀晶反应L相中析出相（奥氏体A）单相固溶体的冷却相发生共析反应生成珠光体P1.1.共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析共析钢共析钢 C%=0.77% L-L+A-A-A+P-PL-L+A-A-A+P-P相组成物：相组成物：F F和和FeFe3 3C C组织组成物组织组成物 ： P 珠光体珠光体1.1.共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析珠光体珠光体共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程室温组织为

58、：室温组织为：P（F+Fe3C）L相冷却相冷却L相相 相相L相相+ 相相 相，并且相，并且L相有剩余相有剩余剩余剩余L相相 相相单相的冷却单相的冷却相相 相，但相，但相有剩余相有剩余共析反应：剩余共析反应：剩余相相P（+Fe3C），存在先析），存在先析相相2.亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢亚共析钢 0.0218%C%L+A-A-A+F-A+P+F-P+F 相组成物相组成物：F，Fe3C 45钢金相钢金相 2.亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织亚共析钢室温下的组织为亚共

59、析钢室温下的组织为F+P。在在0.02180.77%C 范围内珠光体范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。的量随含碳量增加而增加。亚共析钢的亚共析钢的结晶过程结晶过程LL+A AA+F先共析先共析AS(0.77% C) P室温组织为：室温组织为：P+F 单相液体的冷却L相 相单相固溶体（奥氏体）的冷却相中析出二次渗碳体（Fe3C）共析转变： 相（ +Fe3C），存在Fe3C3.过共析钢的结晶过程分析过共析钢的结晶过程分析过共析钢过共析钢 0.77%C%L+A-A-A+Fe3CII-A+P+Fe3CII-P+Fe3CIIT12钢金相钢金相相组成物：F，Fe3C组织组成物：P，Fe3CII 3.过共

60、析钢的结晶过程分析过共析钢的结晶过程分析含含1.4%C钢的组织钢的组织3.过共析钢的结晶过程分析过共析钢的结晶过程分析过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程含含1.4%C钢的组织钢的组织室温组织：室温组织：P+Fe3C单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反应：共晶反应：LLd（+Fe3C）共晶共晶中的中的相不断析出相不断析出Fe3C，不可见。，不可见。 Ld （+Fe3C+ Fe3C）共析反应：共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C + Fe3C） 4.4.共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口铁（共晶白口铁（C%=4.3%） L-L+Ld-Ld (A+Fe3C共晶