工程材料 第1章 金属的结晶

1、第一章 金属的结晶1.1 纯金属的结晶1.2 铁碳合金的结晶7/9/20221武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶1.1纯金属的结晶 金属从一种原子排列状态转变为另一种原子排列状态的过程。结晶液态固体晶态一种固体晶态另一种固体晶态一次结晶二次结晶或重结晶液固液体固体1. 纯金属的冷却曲线 金属结晶时，温度与时间 的关系曲线。 To 理论结晶温度(平衡条件下) Tn 实际结晶温度 结晶潜热纯金属在恒温下结晶7/9/20222武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶 T To Tn 过冷度 冷却速度 T Tn 2. 结晶的条件（1）能量条件 F固 固态自由能 F液 液态自由能 当

2、T To 时， F液 F固 固态晶体熔化为液态 当 T To 时， F液 F固 液态转变为固态晶体 只有过冷时才具备F液 F固 结晶所需的能量条件（结晶的 必要条件） 因此结晶时需要有T7/9/20223武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶（2）结构条件 液态金属中，极小范围内呈现的短程有序原子集团。稳定下来的部分成为结晶的核心 晶核 7/9/20224武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶3. 结晶的过程 形核长大晶体的长大平 面 长 大 冷速较慢时，晶面平行向外推移。 最密排晶面平行向外推移长大的速度最慢树枝状长大 冷速较快时，优先沿一定的晶体学方向长大。 （一般形式）晶

3、核的形成自 发 形 核 仅依靠液态金属原子自身的规则排列形成晶核。非自发形核 依附于外来固态物质表面形成晶核。7/9/20225武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶7/9/20226武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶7/9/20227武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶4. 同素异构转变 固态下，晶体结构会随温度(或压力)变化而改变的现象。 二次结晶（重结晶）体心立方致密度：68%面心立方致密度：74%-Fe-Fe-Fe收缩膨胀体积： Fe Fe7/9/20228武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶5. 细化铸态金属晶粒的措施 常温下： 晶粒尺寸越小

4、强度、硬度越高，塑性、韧性越好。 通过细化晶粒提高金属机械性能 细晶强化（1）增大过冷度T 一般T范围内(右图实线部分): T(N/G)晶粒数量 晶粒尺寸 决定纯金属性能的主要结构因素 晶粒尺寸7/9/20229武汉大学物理科学与技术学院1.1 纯金属的结晶（2）变质处理 在液态金属中加入某些物质（变质剂），使其在金属液中形成大量分散的细小固体质点，起非自发形核作用。由此造成N的增大。（3）振动与搅拌 作用： 打碎正在长大的枝晶； 破碎的枝晶尖起晶核的作用 N； 提供自发形核所需的能量 N。 方法有： 机械、超声波、电磁等。7/9/202210武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶1

5、.2 铁碳合金的结晶1. 铁碳合金的基本相（1）铁素体 碳在-Fe中的间隙固溶体。 符 号：F 或 含碳量：727时，含碳量最大wc=0.0218% 20时， wc=0.0008% 固 溶 体 铁素体奥氏体金属化合物渗碳体合金相合金中结构相同、成分和性能均一并以界面分开的组成部分。7/9/202211武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶力学性能：几乎与纯铁相同， 塑性、韧性较好，强度、硬度较低。 30%50%， 7080， b180280MPa， 0.2100170MPa， k160200J/2 ， HBS50 80显微组织： 材 料：工业纯铁状 态：退火浸蚀剂：4硝酸酒精组 织：

6、F晶粒7/9/202212武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶（2）奥氏体 碳在-Fe中的间隙固溶体。 存在于727以上的高温范围内符 号： A或含碳量： 1148时，含碳量最大 wc=2.11力学性能：塑性良好、强度和硬度较低 = 4050%，b=394MPa， HBS =170220显微组织： 13941538之间存在的，C在-Fe( BCC晶格)中的间隙固溶体 高温铁素体(铁素体)7/9/202213武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶（3） 渗碳体 铁和碳形成的金属化合物。 具有复杂结构的间隙化合物。化 学 式： Fe3C含 碳 量： Wc=6.69%力学性能：

7、 硬度很高，极脆，强度低， 塑性和韧性几乎为零。 HBW 800 ,b30MPa, 0，k0显微组织：层片状、网状、粒状、条状等。7/9/202214武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶2. 铁碳相图（Fe-Fe3C相图） 全面概括了铁碳合金的组织结构、成分与温度之间的关系 （平衡条件下） 含碳量超过5的铁碳合金，脆性很大，难以加工，工业中没有实用价值。因此，一般所说的Fe-C相图，实际上只是Fe-Fe3C相图部分。7/9/202215武汉大学物理科学与技术学院E 碳在-Fe中的最大溶 解度：Wc=2.11%两个基本组元FeFe3C三个基本相图包晶相图共晶相图共析相图AHJECF线

8、 固相线1.2 铁碳合金的结晶（1） Fe-Fe3C相图 特性点和特性线：A 纯铁的熔点： 1538D Fe3C的熔点：1227 ABCD线 液相线7/9/202216武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶 HJB线 （1495 ） 包晶反应线三条水平线： 发生等温反应 J 包晶点 ，Wc=0.17% H 碳在-Fe中的最大溶 解度：Wc=0.09% B 包晶反应时L相的成分 Wc=0.53% 包晶反应：7/9/202217武汉大学物理科学与技术学院C 共晶点 ，Wc=4.30%E 碳在-Fe中的最大溶解度： Wc=2.11%共晶反应:混合物(AE+Fe3C)高温莱氏体Le1.2 铁

9、碳合金的结晶ECF线(1148 ) 共晶反应线 PSK线(A1线,727 )共析反应线S 共析点 ，Wc=0.77%P 碳在-Fe中的最大溶解度： Wc=0.0218%共析反应:混合物(FP+Fe3C)珠光体P7/9/202218武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶ES线(Acm线) PQ线GS线 (A3线)C在-Fe中的溶解度曲线。Fe3C 二次渗碳体C在-Fe中的溶解度曲线。Fe3C 三次渗碳体缓冷时：AF的开始线缓热时：FA的终了线7/9/202219武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶相区5个单相区7个双相区3个三相区7/9/202220武汉大学物理科学与技术学

10、院1.2 铁碳合金的结晶3. 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织返回相图应用7/9/202221武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶（1） 工业纯铁结晶过程室温平衡组织：铁素体F+ Fe3C(极少)7/9/202222武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶（2）共析钢的结晶过程室温平衡组织：珠光体 P (F+Fe3C)由杠杆定律计算两相的质量分数为：7/9/202223武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶（3）亚共析钢的结晶过程室温平衡组织： F + P F与P的相对量以及F与Fe3C的相对量，可由杠杆定律求出。钢中含C量FP7/9/202224武汉大学物理科学

11、与技术学院1.2 铁碳合金的结晶（4）过共析钢的结晶过程室温平衡组织： P + Fe3C(网状)钢中含C量 Fe3C量 7/9/202225武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶T12钢退火后的室温平衡组织7/9/202226武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶（5）共晶白口铸铁的结晶过程室温平衡组织：(低温)莱氏体 Le(P + Fe3C+Fe3C)高温莱氏体 Le(A + Fe3C+Fe3C)7/9/202227武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶（6） 亚共晶白口铸铁的结晶过程室温平衡组织： P +Fe3C + Le7/9/202228武汉大学物理科学与

12、技术学院1.2 铁碳合金的结晶（7）过共晶白口铸铁的结晶过程室温平衡组织： Fe3C + LeFe3C 一次渗碳体，从液相结晶中形成。呈长条状。7/9/202229武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶将各典型铁碳合金的平衡组织标注于FeFe3C相图中组织组成物 合金组织中具有一定形态特征的组成部分。该部分可以是单相，也可以是两相混合物。（例如，亚共析钢中的F和P）相组成物（组成相） 组成某一合金组织的相。 （例如，亚共析钢中的F和Fe3C ，工业纯铁中的F）11487277/9/202230武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶4. 铁碳合金成分组织性能关系随着合金含碳量

13、的改变发生以下变化：组织类型组织组成物的相对量相组成物的相对量硬度： Fe3C相对量越高塑性： Fe3C相对量越差强度： 亚共析钢：P相对量越高 过共析钢：Wc%0.9% Fe3C(网状)相对量迅速降低 白口铸铁：Fe3C相对量越低机械性能7/9/202231武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶5. FeFe3C相图的应用(1) 应用选材： 以铁碳合金成分组织性能关系为依据 由工件的性能要求应具有的组织特点 相图决定成分铸造： 决定浇铸温度（一般，固相线+50100） 判断合金的铸造性能（凝固温度区间小，铸造性能好。例 如共晶白口铸铁，所以许多铸件的成分都在共晶点附近。）热锻、热轧

14、： 决定 钢的始锻、始轧温度（一般在固相线以下100200 ）, 钢的终锻、终轧温度（一般，亚共析钢在GS线以上，过 共析钢在ES线与PSK线之间） FeFe3C相图7/9/202232武汉大学物理科学与技术学院1.2 铁碳合金的结晶 热处理： 决定热处理的加热温度、冷却等温的温度等。(2)应用的局限性 FeFe3C相图是铁碳合金的二元合金的平衡状态图，而实际应用的铁碳合金 除Fe、C二组元外，还含有其它元素。如Mn、 Si、S、P 等。 生产中的加热、冷却一般为非平衡状态。 这就使实际铁碳合金的结晶和相变过程中的成分温度的关系与FeFe3C相图有差异。 但只要充分考虑实际条件的影响， FeF

15、e3C相图在铁碳合金的研究和生产中仍具有重要指导作用。7/9/202233武汉大学物理科学与技术学院习题与思考题习题与思考题一. 习题1. 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小： (1)金属模浇注与砂模浇注； (2)高温浇注与低温浇注； (3)薄壁铸件与厚壁铸件； (4)对液体金属进行变质处理与不进行变质处理； (5)浇注时振动与不振动。2. 分析含碳量为0.45、1.20、3.0的铁碳合金，从液态缓冷至室温的平衡相变过程。要求写出转变表达式，并画出室温平衡组织示意图。7/9/202234武汉大学物理科学与技术学院习题与思考题3. 根据铁碳相图解释下列现象：（1）含碳量1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；（2）在室温平衡状态下，含碳量为0.8%的钢(共析钢)比含碳量为1.2%的钢强度高；（3）室温下莱氏体比珠光体塑性差；（4）钢铆钉一般用低碳钢制造。7/9/202235武汉大学物理科学与技术学院习题与思考题二.思考题1. 什么是冷却曲线? 为什么说过冷是结晶的必要条件?2. 解释下列名词： 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体。3