工程材料第2章

第2章金属材料的凝固与固态相变2.1纯金属的结晶

2.5钢在冷却时的转变

2.4钢在加热时的转变2.3铁碳合金平衡态的相变基础2.2合金的凝固

2.1.1凝固的基本概念一定条件下，物质的三种状态可以相互转化，通常把物质从液态转化成固态的过程称为凝固。2.1纯金属的结晶图2.1液态金属结构示意

1.晶体的结晶

结晶实质上是原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。广义地讲，物质从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程称为结晶。图2.3纯金属的冷却曲线

2.非晶体的凝固非晶体的凝固也是由液态转化为固态，但非晶体的凝固中熔体实质是粘滞系数连续加大的过程。非晶体的凝固是在一个温度范围内逐渐完成的。从能量观点看，若熔体在凝固时能完全释放内能，它将转变成晶体，若部分释放内能，则转化成非晶体。图2.4熔体、晶体、非晶体的能量关系

图2.5纯金属结晶过程示意图

2.1.2金属的结晶1.金属的结晶过程金属结晶过程中，晶核的形成有两种方式，一种是自发形核，另一种是非自发形核。图2.6枝晶示意图

2.影响形核和长大的因素单位时间内单位体积所产生的晶核数称为形核率，以N表示，单位为晶核数/(s·㎝3)。单位时间内晶核长大的平均速度以G表示，单位为㎝/s。结晶后的晶粒大小与形核率和长大速度有关，而影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度（过冷度）和难熔杂质。（2）难熔杂质的影响某些高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有相似时，将强烈地促使非自发形核，大大提高形核率。（1）过冷度的影响金属结晶时的过冷度与形核率、长大速度的关系如图。

图2.6

过冷度与晶体形核率、长大速度的关系

图2.19标准晶粒度等级图3.晶粒大小及控制（1）晶粒度的概念

晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目Zv或单位面积上晶粒的数目ZS表示，也可以用晶粒的平均线长度（或直径）表示。（2）晶粒大小的控制

细化晶粒是提高金属性能的重要途径之一。控制晶粒大小的方法有以下两种。1）增大过冷度2）变质处理

就是有意向液态金属中加入某些变质剂，以细化晶粒和改善组织，达到提高材料性能的目的。变质剂的作用有两种情况：一种是直接增加形核核心（孕育剂）；另一种是改变晶核的生长条件，阻碍晶核的长大或改善组织形态。2.1.3材料的同素异构现象1.晶体的同素异构有些晶体并不只有一种晶体结构，而是随着外界条件的变化而具有不同类型的晶体结构，称为同素异构现象。（体心立方）（面心立方）（体心立方）图2.7纯铁的冷却曲线和晶格变化2.同分异构化学成分相同，而组成原子排列成不同的分子结构的现象称为同分异构。同分异构分两种：一种是结构异构，一种是立体异构。2.2合金的凝固2.2.1二元合金相图与凝固

相图，又称为平衡图或状态图，是表明合金系中不同成分的合金在不同温度下所存在的相以及相与相之间关系的图形。图2.8Cu-Ni合金的冷却曲线及相图

1.匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。

图2.9匀晶相图合金的结晶过程2.共晶相图

两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解或不溶，并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图。Lc→αd＋βe

b)固态不互溶图2.10共晶相图a)固态有限互溶图2.11Ⅰ的冷却曲线及结晶过程图2.12Ⅱ的冷却曲线及结晶过程平衡结晶过程3.包晶相图在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的固相作用，生成另一个成分固定的固相的反应，称为包晶反应。LB＋δH→AJ两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解并在结晶时发生包晶转变的相图，称为包晶相图。图2.14铁碳相图的包晶部分4.其它相图共析反应是由一个固溶体在恒温下同时析出两种成分一定的固相。γc→αd＋βe

图2.15共析相图2.2.2合金的性能与相图的关系合金的性能取决于它的成分、结构和组织。而相图则描述在不同温度下合金成分与平衡相及其所构成的平衡组织之间的关系的图形。相图还反映了不同合金的结晶特点。因此合金的使用性能和工艺性能都与相图存在一定的对应关系。图2.16合金使用性能与相图的关系图2.17合金铸造性能与相图的关系图2.18钢锭（件）典型组织2.2.3铸锭（件）的凝固1．铸锭（件）结晶组织典型的铸造组织可明显地分为三个各具特征的晶区。1）细等轴晶区2）柱状晶区3）等轴晶区2．铸锭（件）结晶组织的特性柱状晶区各晶粒平行向中心长大，方向一致故脆性较大。交界面常有杂质聚集形成弱面。等轴晶彼此交叉没有方向性。因此，一般情况下希望减小柱状晶，获得等轴晶。3．影响铸锭（件）结晶组织的因素

1）冷却速度

2）加热温度、浇注温度和浇注速度

3）外加杂质（或变质处理）

作业：1、名词解释：结晶、过冷度、形核率、晶粒度、同素异构、相图、共晶反应、包晶反应、共析反应2、金属结晶的基本规律是什么？影响晶核的成核率和长大速度的因素有哪些？3、细化晶粒的方法有哪些？4、课后2－42.3铁碳合金平衡态的相变基础2.3.1Fe-Fe3C相图目的：了解在不同温度下，各种成分的铁碳合金所具有的相及相与相之间的关系，掌握铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。1.合金的相结构与性能构成铁碳合金的基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体。三个基本相机械混合物（1）铁素体碳在α－Fe中的间隙固溶体用F或α表示（2）奥氏体碳在γ－Fe中的间隙固溶体用A或γ表示（3）渗碳体铁与碳的化合物Fe3C（4）高温铁素体碳在δ－Fe的固溶体用δ表示↗高温莱氏体共晶转变的产物用Ld表示（5）莱氏体

(奥氏体和渗碳体两相的机械混合物)↘低温莱氏体用Ldˊ表示

(Ld中奥氏体转变为珠光体和渗碳体)（6）珠光体铁素体和渗碳体的机械混合物用P表示图2.10Fe-Fe3C系状态图

2.相图分析表2.1铁碳相图中特性点数据符号

温度℃

含碳量%说明

符号

温度℃

含碳量%说明

A15380纯铁的熔点H14950.09碳在δ-Fe的最大溶解度B14950.53包晶转变时液态合金成分J14950.17包晶点C11484.3共晶点K7276.69渗碳体的成分D12276.69渗碳体的熔点N13940γ-Fe、δ-Fe转变温度E11482.11碳在γ-Fe的最大溶解度P7270.0218碳在α-Fe的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分S7270.77共析点G9120α-Fe、γ-Fe转变温度Q室温0.0008碳在α-Fe中的溶解度图2.11按组织分区的铁碳合金相图2.3.2铁碳合金在平衡状态下的相变表2.2铁碳合金的分类图2.12典型铁碳合金冷却时组织转变过程分析钢的平衡结晶过程1）ωc＝0.01%的合金（工业纯铁）图2.12中的①2）ωc＝0.77%的合金（共析钢）图中②3）ωc＝0.40%的合金（亚共析钢）图中③4）ωc＝1.2%的合金（过共析钢）图中④5）ωc＝4.3%的合金（共晶白口铸铁）图中⑤6）ωc＝3.0%的合金（亚共晶白口铸铁）图中⑥7）ωc＝5.0%的合金（过共晶白口铸铁）图中⑦共析钢亚共析钢过共析钢共晶合金亚共晶合金过共晶Fe-C合金Fe-C合金小结

工业纯铁的显微组织图200x

含碳量0.4%的亚共析钢的显微组织200x

经中倍放大后的珠光体500x

经高倍放大后的珠光体3000x

T12钢的显微组织T12钢的显微组织（4%硝酸酒精溶液腐蚀）500X（碱性若味酸钠溶液腐蚀）500X

共晶白口铸铁显微组织200x亚共晶白口铁显微组织200X

过共晶白口铸铁显微组织200x

图2.11铁碳合金的相组成物、组织组成物相对量与含碳量的关系

2.3.3含碳量对铁碳合金组织性能的影响1.含碳量对平衡组织的影响随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化为：α+Fe3CⅢ→α+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ldˊ→Ldˊ→Ldˊ+Fe3CⅠ2.含碳量对力学性能的影响图2.12含碳量对钢的平衡组织力学性能的影响

2.3.4Fe-Fe3C相图的应用

铁碳合金相图有极大的应用意义，主要表现在钢铁材料的选用和加工工艺的制订。2.铸造工艺制订上的应用3.在塑性加工工艺制订上的应用4.在热处理工艺制订上的应用1.在选材上的应用作业：课后2-8、2－9、2－10图2.13碳钢在加热和冷却时的临界点在Fe-Fe3C相图上的位置

2.4钢在加热时的转变钢的加热冷却的转变是以铁碳合金相图为基础的。图2.14共析钢的奥氏体化过程示意图

2.4.1奥氏体的形成过程及影响因素1.奥氏体的形成过程钢加热到临界点以上形成奥氏体的过程又称奥氏体化。其转变式为：F0.0218%+Fe3C→A0.77%

2.奥氏体形成影响因素（2）原始组织原始组织中P越细，γ形成越快。（3）合金元素合金元素的加入，会减慢γ的形成速度，但不改变γ的形成过程。（1）加热温度和加热速度提高加热温度会加速γ的形成；加热速度增大可缩短γ的形成时间。图2.17奥氏体晶粒尺寸对冷却后钢的性能的影响

2.4.2奥氏体晶粒的长大及影响因素σs

＝σ0

＋kd-1/2σs钢的屈服强度，σ0、k为常数，d为晶粒尺寸奥氏体晶粒的大小可用晶粒度N表示，一般分为8级。图2.19标准晶粒度等级图图2.18加热温度对晶粒尺寸的影响1－本质粗晶粒钢；2－本质细晶粒钢

图2.17控制过冷奥氏体转变的两种方法1－连续冷却；2－等温处理

2.5钢在冷却时的转变热处理生产中，钢在奥氏体化后的冷却方式通常分为两种：一种是连续冷却，即将奥氏体化的钢连续冷却到室温；另一种是等温处理，即将奥氏体化的钢迅速冷却到临界温度以下的某一温度进行保温，让奥氏体在等温条件下进行转变，待组织转变结束后再以某一速度冷却到室温。2.5.1过冷奥氏体等温转变图（TTT图或C曲线）奥氏体温度降到临界温度以下，称为过冷奥氏体。在550℃~500℃等温时转变最快，称为C曲线的鼻子。发生三种转变：A1~550℃发生P转变，产物是P；在550℃~Ms区间发生贝氏体转变（B）；在Ms点以下发生马氏体转变得到马氏体（M）。2.5.1过冷奥氏体等温转变图（TTT图或C曲线）图2.18共析钢过冷奥氏体等温转变动力学曲线

2.5.2过冷奥氏体的转变产物及性能

过冷奥氏体的产物有三种：珠光体类型组织、贝氏体类型组织和马氏体类型组织。1.珠光体类型组织（P）图2.20珠光体分片形成过程珠光体(P)：形成温度A1～650℃，片层较厚，500倍光学显微镜下可辨，索氏体(S)：形成温度为650～600℃，片层较薄，800-1000倍光学显微镜下可辨，用符号S表示.托氏体(T)：形成温度为600～550℃，片层极薄，电子显微镜下可辨，用符号T表示.2.贝氏体类型组织（B）贝氏体是含碳量过饱和的铁素体与渗碳体组成的两相混合物。贝氏体转变又称为中温转变。3.马氏体类型组织（M）马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体。马氏体转变又称为低温转变。过冷奥氏体在550℃～Ms（对于共析钢而言，Ms为230℃）温度范围内将转变为贝氏体型组织。上贝氏体转变：形成温度550～350℃，用符号（B上）来表示。在光镜下呈羽毛状，不连续的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素