材料的结构结晶-相图

第三章材料的结构、结晶与相图工程材料及热处理3.5

碳钢3.1

纯金属的结构与结晶3.2

合金的结构3.3

二元合金相图3.4

铁碳合金本章讲授与学习内容一、晶体与非晶体自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类。金属和合金大都是晶体。晶体:

其内部原子在空间作有规则的排列，如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。非晶体:

其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻璃、沥青等。3.1纯金属的结构与结晶3.1.1晶体的概念晶体与非晶体最本质的差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的，而非晶体中这些晶体是无规则的堆积在一起的。非晶体的结构与液体结构相同，或者可以说是被冻结的液体.晶体具有一定的熔点，非晶体则没有。晶体的某些物理性能和力学性能在不同的方向上具有不同的数值成为各向异性。

1．晶格

为了清楚的表明原子在空间的排列规律，人为地将原子看作一个点，再用一些假想线条，将晶体中各原子的中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。

2晶胞

晶体中原子的排列具有周期性变化的特点，因此只要在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元进行分析，便能确定原子排列的规律。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶体中原子排列示意图

图3-2体心立方晶格3、常见金属的晶格类型(1)体心立方晶格:

晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图3-2。如铬Cr、钠Na、α-Fe、钒V、钼Mo、钨W等。3.常见的金属晶格

体心立方晶格（b.c.c）在立方体的八个角点上各有一个与相邻晶胞共有的原子，并在立方体的中心有一个原子Body-CentredCubicLattice模型晶胞晶胞原子数体心立方晶格的基本参数晶格常数a＝b＝c，故只用a即可表示2，每个顶点的原子为八个晶胞所共有晶胞原子数原子半径配位数8致密度0.68属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等

一个晶胞中所包含的原子数目晶格中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半尺寸晶体中与任一原子最近的且相等的原子数目晶胞中原子本身所占有的体积百分数(2).面心立方晶格(f.c.c)

Face-CentredCubicLattice在立方体的八个角点和六个面的中心上，各有一个与相邻晶胞共有的原子模型晶胞晶胞原子数面心立方晶格的基本参数晶格常数a晶胞原子数4原子半径致密度配位数12属于这种晶格的金属有：γ-Fe，Ni，A1，Cu，Pb，Au，Rh等0.748×1/8+6×1/2面的对角线(3).密排六方晶格(c.p.h)Close-PackedHexagonalLattice正六棱柱体，在上下两面的角点和中心，各有一个与相邻晶胞共有的原子，并在上下两面中间有三个原子模型晶胞晶胞原子数密排六方晶格的基本参数晶格常数a和c晶胞原子数6原子半径配位数12致密度0.74属于这类晶格的金属有Mg，Zn，Be，Cd等六棱柱底面的边长和高12×1/6+2×1/2+3底面边长的一半与面心立方晶格相同注：当金属从高配位数结构向低配位数结构发生同素异构转变时，随着致密度的减小和晶体体积的膨胀，原子半径同时发生变化。由此可见，同种原子处于不同的晶格中，其原子半径也是不同的(4)三种晶格的比较4.立方晶系的晶面和晶向表示方法晶面晶向晶体中各方位上的原子面各方向上的原子列晶面指数表示晶面的符号晶向指数表示晶向的符号由英国晶体学家W.H.Miller于1939年提出(1)晶面指数的标定3.将所得数值化为最简单整数，用圆括号括起，就成为该晶面的晶面指数(hkl)。1.以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐标轴，以晶格常数为单位长度，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。2.将所得的三个截距值变为倒数。若截距为负，则在相应的指数上方加负号。（110）（111）（001）（100）（010）注：(hkl)代表的是一组互相平行的晶面。原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族。用{hkl}(1)晶向指数的标定2.将空间坐标值按比例化为最小简单整数，加上方括号，即为晶向指数[uvw]。如果有负值则在相应指数上加负号。1.以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐标轴，以晶格常数为单位长度，过原点引一平行于待定晶向的直线，求出该直线上任一结点的坐标值。注：指数相同的晶面和晶向是互相垂直的[010][100][111][110][110][uvw]代表的是一组互相平行的晶向原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶向称为晶向族，用<hkl>(3)晶向及晶面的原子密度晶向的原子密度该晶向上单位长度上的原子个数晶面的原子密度该晶面上单位面积中的原子个数正是由于这种密度的差异，引起相互间结合力的大小的不同，从而导致了金属理想状态的单晶体在不同方向上表现出不同的性能，即各向异性。单晶体都具有各向异性。5.实际金属的晶体结构(1).多晶体结构晶体内部晶格位向完全一致且不发生改变的晶体单晶体多晶体有许多外形不规则的单晶体组成晶界晶粒晶粒组成多晶体的单晶体晶界晶粒和晶粒之间的交界处金属材料的晶粒一般很小，钢铁材料的晶粒尺寸仅为10-2～10-1mm晶体缺陷晶格不完整的部位影响金属的性能面缺陷点缺陷线缺陷(2).晶体缺陷1）点缺陷：空间三维尺寸都很小的缺陷空位间隙原子置换原子晶格上没有原子的结点称为空位在晶格结点以外的存在的原子空位间隙原子空位间隙原子占据晶格结点的异类原子置换原子置换原子大置换原子小置换原子点缺陷的存在破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。点缺陷对性能的影响2）线缺陷：晶体中的位错刃形位错立体图正刃形位错和负刃形位错位错线正刃形位错负刃形位错位错：是晶体中某处一列或数列原子发生有规律的位置移动生产中一般是采用增加位错的办法提高强度，但塑性随之降低位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度;位错对性能的影响：3）面缺陷晶界晶粒与晶粒之间的交界面晶界对位错运动有阻碍作用金属中的强化部分金属的晶粒越细，晶界总面积越大金属的强度也越高实际使用的金属材料力求获得细的晶粒晶界处的原子排列不规律，是两个不同位向的晶粒的过渡晶体中一维尺寸很小，另两维尺寸很大的缺陷亚晶界晶粒内部也不是理想的晶体，而是位向差很小的，称为镶嵌块的小晶块所组成，称为亚晶粒对金属同样也有强化作用亚晶粒的交界称亚晶界晶界的特点①原子排列不规则；②熔点低；③耐蚀性差；④阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒；⑤是相变的优先形核部位。

3.1.2纯金属的结晶物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。结晶：金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。

1、冷却曲线与过冷度

冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律。可通过热分析法测量绘制，其方法是使熔化后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录下温度值，将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线。冷却曲线冷却曲线由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的增长温度不断下降，但当冷却到某一温度时，冷却时间虽然增长但其温度并不下降，在冷却曲线上出现了一个水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。出现水平线段的原因，是由于结晶时放出的结晶潜热补偿了向外界散失的热量。结晶完成后，由于金属继续向周围散热量，故温度又重新下降。如图所示，金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度Ｔ0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度Ｔ0以下的某一温度Ｔ1才开始进行结晶，温度Ｔ1称为实际结晶温度。实际结晶Ｔ1温度低于理论结晶温度Ｔ0的现象称为过冷现象。而Ｔ0与Ｔ1之差ΔＴ称为过冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔ1。过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度Ｔ1就越低，即过冷度ΔＴ就越大。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。

2、金属的结晶过程

晶体形核和成长过程。如图3-10所示，在液体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列的原子团，成为结晶的核心，即晶核（形核过程）。然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。所以结晶过程，就是不断地形核和晶核不断长大的过程。如下图所示：

结晶过程示意图结晶过程结晶时由每一晶核长成的晶体就是一个晶粒。晶核在长大过程中，起初是不受约束的，能够自由生长，当互相接触后，便不能再自由生长，最后即形成由许多向位不同的晶粒组成的多晶体，由于晶界的晶粒内部凝固得迟、故便在其上面富集着较多低熔点的杂质。实验表明，在晶核开始长大的初期，因其内部原子规则排列的特点，其外形也是比较规则的，随着晶核长大的和晶体棱角的形成，由于棱角处散热条件优于其它部位，晶粒在棱边和顶角处就优先长大，如下图所示，由此可见，其生长方式，象树枝状一样，先生长出干枝称为一次晶轴；然后再生长出分枝称为二次晶轴。依次类推……。因此，得到的晶体称为树枝状晶体，简称为枝晶。3、金属结晶后的晶粒大小1.晶粒大小对金属力学性能的影响

金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。

实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。4.控制晶粒大小的方法金属结晶后单位体积中晶粒的数目Ｚ取决于结晶时的形核率Ｎ（单位时间，单位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核长大速度Ｇ（单位时间内晶核长大的长度），它们的关系如下：由上式可知，结晶时形核率Ｎ越大，晶核长大速度Ｇ越小，结晶后单位体积内的晶粒数目Ｚ就越大，晶粒就越细小。晶粒大小对力学性能的影响很大，在室温下，一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高；塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。因此，细化晶粒是改善材料力学性能的重要措施。

因此，要控制金属结晶后晶粒大小，必须控制形核率Ｎ和长大速度Ｇ这两个因素，主要控制途径如下：①

增加过冷度增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数大的金属铸型来提高冷却速度。

②

进行变质处理变质处理是在浇注前向液态金属中加入被称为变质剂的某种物质，发增加形核率Ｎ或降低长大线速度Ｇ，从而细化晶粒的方法。有的变质剂加入液态金属时，它们或它们的氧化物会形成起非自发晶核作用的杂质微粒，使形核率大大增加，细化晶粒，如往钢液中加入钛、铝等。还有一种变质剂，能附着在晶体前面强烈阻碍晶粒长大，降低长大线速度Ｇ，如往铝硅铸造合金中加入钠盐，钠附着在硅的表面，降低硅的长大线速度Ｇ，阻碍粗大片状硅晶体形成，使合金组织细化。③附加振动金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的晶体破碎而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，从而细化晶粒。

4.金属铸锭的组织结构铸锭组织（1）表面细晶粒层表面细晶粒的形成主要是因为钢液刚浇入铸模后,由于模壁温度较低,表面金属遭到剧烈的冷却,造成了较大的冷却所致,此外,模壁的人工晶核作用也是这层晶粒细化的原因之一。

（2）柱状晶粒层柱状晶粒的形成主要是因为铸锭模壁散热的影响。

（3）中心等轴晶粒区

随着柱状晶粒成长到一定程度,铸锭中心部的剩余液体温度差也愈来愈小,趋于均匀冷却的状态；同时由于一些未熔杂志推移至铸锭中心,或将柱状晶的枝晶分枝冲断,漂移到铸锭中心,它们都可以成为剩余液体的晶核,这些晶核由于在不同方向上的成长速度相同,因而便形成较粗大的等轴晶粒区。

1.表面细晶粒层2.柱状晶粒层3.等轴晶粒区3.1.3同素异构转变物质在固态下晶体结构随温度变化的现象铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃

-Fe⇄-Fe⇄-Fe

大多数金属结晶后，其晶格不再发生变化，但也有少数金属（如铁、铬、锡、钴、钛等）在固态时会发生晶格类型的转变，这种在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构晶变。同素异晶转变也是成核长大过程。

金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。（体心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）它同样遵循着结晶的一般规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷；有潜热产生；转变过程也包括晶核的形成和晶核的长大两阶段。

3.3合金的晶体结构合金的定义指由两种或两种以上金属元素，或金属元素和非金属元素经熔炼、烧结或其他方法结合在一起组成的具有金属特性的物质黄铜铜锌钢铁碳组成合金最简单、最基本且能独立存在的物质组元合金中含有两种或两种以上元素的原子，这些原子之间必然相互发生作用，使得结晶形成的小晶体（晶粒）具有也含有两种或两种以上的元素。由多种元素构成的小晶体的化学成分和晶格类型可以是完全均匀一致的，也可以是不一致的，它们组成了合金中的相和组织基本概念在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组织部分相相金属化合物固溶体组织指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金不同形状、大小、数量和分布的相基本概念固溶体定义表示方法α、β、γ溶剂与合金晶体结构相同的元素除溶剂以外的其它元素溶质

根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同固溶体分类置换固溶体间隙固溶体合金中其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相（1）置换固溶体溶质原子取代溶剂原子而占据晶格中某些结点位置而形成的固溶体定义（2）间隙固溶体定义溶质原子较小，如碳、氢等，它们位于溶剂晶格间隙形成的固溶体溶质元素通常为原子半径较小的非金属元素溶剂一般为过渡族元素（3）固溶体的溶解度定义溶质原子在固溶体中的极限浓度根据溶解度的不同固溶体有限固溶体无限固溶体组成元素无限互溶的固溶体溶解度有一定限度的固溶体形成无限固溶体的条件溶质与溶剂组元的晶格类型必须相同，原子的尺寸相差不大，得失电子的能力相当。由于晶格间隙有限，所以间隙固溶体都是有限固溶体（4）固溶体的性能晶格畸变溶质原子和溶剂原子的半径不同固溶体强度、硬度上升，韧性下降固溶强化通过形成固溶体而使金属强度、硬度增加的现象金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相定义特点较高的熔点、硬度和较大的脆性，可用分子式来表示，如Fe-C合金中的Fe3C根据形成条件及结构特点金属化合物间隙化合物正常价化合物电子化合物2.二元相图的基本类型与分析1.二元相图的建立3.4二元合金相图基本知识合金的结晶特点：1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温度范围内完成，而纯金属在恒温下完成；2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成的一系列不同成分的合金的总称合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质组元：组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质；在大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合金分为二元合金、三元合金及多元合金相：是指合金中化学成分、晶体结构和原子聚集状态皆相同，并以界面互相分开的各均匀组成部分组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称显微组织。相图：反映在平衡条件下各成分合金的结晶过程以及相和组织存在范围与变化规律的简明示意图状态图：相图可以反映材料在不同条件下的状态平衡图：相图是通过材料在极其缓冷的条件下所测得的试验数据建立的，反映各相平衡状态的关系相图状态图平衡图缓慢冷却条件下1.二元相图的建立Cu—Ni二元合金系为例，说明二元相图的建立过程1）配制出不同成分的合金测出它们的冷却曲线找出各曲线上的临界点温度℃时间100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷却曲线结晶的开始温度和终了温度2）在温度-成分坐标系中过合金成分点作成分垂线将临界点标在成分线上将成分垂线上相同意义的点连接起来，标上相应的数字和字母Cu-Ni合金的二元相图温度时间LαCuNi20%80%60%40%Ni%100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷却曲线Cu-Ni合金相图液相线：结晶开始点的连线固相线：结晶终了点的连线在温度-成分坐标系中过合金成分点作成分垂线将临界点标在成分线上将成分垂线上相同意义的点连接起来，标上相应的数字和字母L+α温度2.二元相图的基本类型与分析相图与合金性能之间的关系二元匀晶相图二元共晶相图二元包晶相图形成稳定化合物的二元合晶相图具有共析反应的二元合晶相图二元相图的分析步骤二元相图的基本类型二元匀晶相图定义：两组元在液态和固态下均无限互溶，且只发生匀晶反应的相图匀晶反应：从液相中直接结晶出固溶体的反应二元匀晶相图是最简单的二元相图，Cu-Ni;Cu-Au;Au-Ag;W-Mo等合金都具有这类相图LαABCuNiNi%Cu-Ni合金相图液相线固相线液相区固相区L+α两相区铜的熔点镍的熔点1）相图分析LαABCuNiNi%Cu-Ni合金相图合金平衡结晶过程ααLLLLαα时间L+αⅠt1t2t3t4温度l1l2l3α1α4α3α2l42）合金的结晶过程温度分析1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两相的成分变化线2.匀晶转变是变温转变，在结晶过程中，液、固两相的成分随温度而变化3）杠杆定律确定两平衡相的成分LαABCuNiNi%L+αt1x1xx2abo确定两平衡相的相对重量LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1abo确定两平衡相的成分设合金成分为x过x作成分垂线在垂线上相当于t1的点做水平线其与液、固相线的交点a，b所对应的成分x1、x2分别为液相、固相的成分LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1abo确定两平衡相的相对重量设成分为x的合金的重量为1固相相对重量为Qα，其成分为x2，则：液相的相对重量为QL，其成分为x1QL+Qα

=1QL*x1

+

Qα*x2

=x确定两平衡相的相对重量QL+Qα

=1QL*x1

+

Qα

*x2

=xQL=Qα=x2-xx2-x1x-x1x2-x1LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1aboQL=Qα=QLQα注：杠杆定律只适用于两相区支点是合金的成分端点是所求两平衡相的成分4）枝晶偏析也称晶内偏析在一个晶粒中，造成先结晶晶轴(枝干)的成分和后结晶晶轴(分枝)成分的差异定义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象成因：实际冷却速度较快致使扩散过程落后于结晶过程影响因素冷却速度给定成分合金的液相线与固相线的垂直距离距离越大偏析相对越严重速度越大偏析相对越严重对合金性能的影响加工性能力学性能耐腐蚀性能解决方法将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀二元共晶相图定义：组成二元合金的两组元，在液态能无限互溶，但在固态只能有限互溶且发生共晶反应时，其所构成的相图Pb-Sb，A1-Si，Pb-Sn，Ag-Cu等二元合金均为这类的相图1）相图分析AEB液相线固相线ACEDBA点Pb的熔点Sn的熔点B点相图中的点和线PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+ααα+βL+β327℃温度℃19.261.997.5Sn%βCF线Sn在Pb中的溶解度曲线DG线Pb在Sn中的溶解度曲线E点共晶点CED线共晶线PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+ααα+βL+β327℃温度℃19.261.997.5Sn%β1）相图分析相图中的相区液相区液相线以上合金全部处于液相L

相区

相是Sn溶于Pb中的固溶体

相是Pb溶于Sn中的固溶体两相共存区单相区

相区固相区L+

L+

+

位于每两个单相区之间1）相图分析共晶反应水平线CED共晶反应线浓度为E的L相同时结晶出浓度为C的α相和浓度为D的β相共晶体在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程共晶反应共晶反应的产物，即两相的机械混合物共晶温度发生共晶反应的温度共晶合金LEαcβD+183℃(183℃)具有共晶成分的合金共晶反应是在恒温下进行的共晶体共晶反应共晶温度共晶合金液体冷却注:发生共晶反应时，L、α、β三个相平衡共存，它们的成分固定，但各自的重量在不断变化水平线CED是一个三相区2）典型合金的结晶过程含Sn量小于C点成分合金的结晶过程（以合金Ⅰ为例）LLααLβⅡβⅡαααα1234温度时间合金Ⅰ冷却1点开始结晶出α相1点到2点匀晶反应单相α固溶体2点到3点固溶体冷却组织无变化3点以下α固溶体被Sn过饱和出现βⅡα+βⅡ二次相从已有固相中析出的新固相，记作βⅡ冷却过程中两固相的重量变化α相β相沿CF线变化沿DG线变化室温下的βⅡ相对重量QβⅡ=F4FG×100%α+βⅡ合金Ⅰ室温下的组织成分大于D点合金的结晶过程与合金相似，其室温组织为β+αⅡ二次析出形成二次相的过程共晶合金的结晶过程（以合金Ⅱ为例）LEαcβD+183℃该合金冷却到E点共晶反应温度继续下降共晶反应结束α相β相沿CF线变化沿DG线变化βⅡαⅡ析出析出合金Ⅱ室温下的组织α+β二次相不易分辨Lα+βα+βα+βLLα+β121’共晶反应刚结束时两相的相对重量百分比Qα=EDCD×100%QβⅡ=100%-Qα=54.6%=97.5-61.997.5-19.2×100%=45.5%亚共晶合金的结晶过程（以合金Ⅲ为例）LLαL(α+β)αβⅡLαL温度时间3122’(α+β)αβⅡ(α+β)α合金液体匀晶转变一次α相一次α的成分沿AC线变化到C点液相的成分沿AE线变化到E点βⅡ析出LEαcβD+183℃LLαL(α+β)αβⅡLαL温度时间3122’(α+β)αβⅡ(α+β)α[匀晶反应＋共晶反应＋二次析出]合金Ⅲ室温下的组织βⅡα+(α+β)+亚共晶合金的结晶过程过共晶合金的结晶过程（以合金Ⅳ为例）结晶过程与亚共晶合金相似不同的是二次相α合金Ⅳ室温下的组织β(α+β)αⅡ++一次相β3）组织组成物在相图上的标注组织组成物组成合金显微组织的独立成分相与相的差别主要在结构和成分上组织组成物之间的差别主要在形态上组织和相的区别二元包晶相图定义：当两组元在液态时无限互溶，在固态时形成有限固溶体而且发生包晶反应时，其所构成的相图常用的Fe-C，Cu-Zn，Cu-Sn等合金相图中，均包括这种类型的相图二元包晶相图1）相图分析三个局部的匀晶相图一条水平线组成2）包晶反应定义：包晶水平线上发生的反应是由一种液相和一种固相相互作用生成另一种固相的转变过程LB＋δHγJ成分为B(O.53％C)的液相LB成分为H(0.09％C)的初晶δH成分为J(0.017％C)的γJ固溶体2）包晶反应具体过程γLδδγL反应产物γ形核、成长新相γ对内不断“吃掉”δ相，向内扩张直到液相和固相任一方或双方消耗完了为止，反应才告结束由于是一相包着另一相进行反应，故称为包晶反应液相L固相δ交界面上形成一层相外壳三相共存对外不断消耗液相，向液内长大3）典型合金的结晶过程合金Ⅰ在温度缓冷到2点时，反应前的液相L和固相δ数量比为：反应后两相全部耗尽，形成单一的新相γ[匀晶反应＋包晶反应]L/δ=HJ/JB结晶过程温度℃结晶过程：合金Ⅱ在温度缓冷到2点时，反应前的液相L和固相δ数量比为：L/δ=H2/2B参加包晶反应的

相量过剩，所以反应后形成δ+γ两相进入HNJ匀晶区，随温度的下降，3点以下形成单相γ[匀晶反应＋包晶反应+匀晶反应]结晶过程：合金Ⅲ在温度缓冷到2点时，反应前的液相L和固相δ数量比为：L/δ=H2/2B参加包晶反应的L相量过剩，所以反应后形成L+γ两相进入JBCE匀晶区，随温度的下降，3点以下形成单相γ[匀晶反应＋包晶反应+匀晶反应]具有共析反应的二元合金相图水平线上的共析反应，自

固相中同时析出β1和β2

两种新相，即

cβ1dβ2e+水平线dce称为共析线反应产物称为共析体共析反应：在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的反应共析反应是在固态下进行的反应中的原子扩散比较困难易于达到较大的过冷度生核率高与共晶组织相比，共析组织要细得多共析反应的特点二元相图的分析步骤1.先分清图中包括哪些基本类型的相图2.相区的确定两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两个相邻单相区的相组成相区接触法则：相邻两个相区的相数差为1单相区的确定相图中液相线以上为液相区相图中每一条水平线必定与3个单相区接触

三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成常见三相等温水平线上的反应3.分析典型合金的结晶过程做出典型合金冷却曲线示意图，二元合金冷却曲线的特征是

在单相区和两相区冷却曲线为一斜线；

由一个相区过渡到另一个相区时，冷却曲线上出现拐点,发生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶分析合金结晶过程

画出组织转变示意图计算各相、各组织组成物相对重量比：在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量；在两相区，两相的成分随温度下降沿各自的相线变化，各相、各组成物的相对重量可由杠杆定律；在三相区，三个相的成分固定，相对重量不断变化，杠杆定律不适用。相图与合金性能之间的关系1.相图与合金力学性能、物理性能之间的关系组织为机械混合物的合金，其性能与合金成分呈直线关系组织为固溶体的合金，随溶质元素含量的增加，合金的强度和硬度也增加，产生固溶强化，如果是无限互溶的合金，则在溶质含量为50%附近强度和硬度最高，性能与合金成分之间呈曲线关系2.相图与铸造性能之间的关系单相固溶体的合金，浇铸时合金流动性差浇铸时不能充满铸型凝固后形成许多分散的缩孔此类合金不宜制作铸件共晶成分的合金或接近共晶成分的合金，流动性好不易产生分散的缩孔在凝固的过程中出现的集中缩孔的现象采取设置冒口的方法，并控制这种缩孔于冒口处，待铸件成型后，再将冒口切除此类合金的塑性较好，具有良好的压力加工性能3.4铁碳合金相图3.3.2铁碳合金相图的分析3.3.1铁碳合金的组元和相3.3.3

典型铁碳合金的平衡结晶过程3.3.4

含碳量对铁碳合金组织和性能的影响基本概念铁碳合金:

碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金碳钢:

含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金铸铁:含碳量大于2.11%的铁碳合金铁碳合金相图:

研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C3.3.1铁碳合金的组元和相1.纯铁纯铁指的是室温下的

-Fe注：纯铁的同素异构转变是一个相变过程，有着很重要的实际意义，正是因为有了这种转变，才有可能使钢铁通过热处理及合金化的途径实现组织性能的多种变化强度、硬度低，塑性、韧性好2.碳碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体石墨具有简单的六方晶格碳在铁碳合金中的存在形式有三种

C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体

C与Fe形成金属化合物，即渗碳体

C以游离态的石墨存在于合金中石墨耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性极低

C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体铁素体

C溶于

-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格符号“F”或“

”表示铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相铁素体在室温下可稳定存在奥氏体

C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格符号“A”或“γ”表示奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进行奥氏体在高温下可稳定存在

C与Fe形成金属化合物，即渗碳体Fe3C

Fe与C组成的金属化合物具有复杂的晶体结构渗碳体的含碳量为6.69％渗碳体以“Fe3C”或“Cm”符号表示渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性几乎等于零渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相碳在

-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在3.3.2铁碳合金相图的分析包晶相图由三个相图组成共析相图共晶相图五个基本相：五个单相区液相L高温铁素体δ铁素体

奥氏体γ渗碳体Fe3C相图的分析三条水平线

HJB水平线（1495℃）包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体L0.53+δ0.09←→γ0.17

ECF水平线（1148℃）共晶线，发生共晶反应，反应产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用“Le”表示L4.3←→γ2.11+Fe3C莱氏体组织特征为蜂窝状，性能硬而脆三条水平线

PSK水平线（727℃）共析线，发生共析反应，反应产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用“P”表示γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C共析线又称为A1线珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布图中的特性点A点：纯铁的熔点C点：共晶点D点:

Fe3C的熔点G点：J点：包晶点N点：S点：共析点E点：

-Fe中的最大溶碳量

-Fe-Fe的同素异构转变点

-Fe-Fe的同素异构转变点图中的特性线ABCD－液相线AHJECF－固相线GS、GP为

固溶体转变线HN、JN为

固溶体转变线GS线又称为A3线JN线又称为A4线六条重要的固态转变线六条重要的固态转变线二次渗碳体通常沿奥氏体晶界呈网状分布随着温度下降，C的溶解度下降当含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃冷却到727℃时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体标记为Fe3CⅡES线又称为Acm线ES线为碳在

-Fe中的固溶线PQ线为碳在

-Fe中的固溶线标记为Fe3CⅢ随着温度下降，C的溶解度下降铁碳合金自727℃向室温冷却时，会从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体因为析出量极少，在含碳量高的合金中不予以考虑CD线是从液体中结晶出渗碳体的开始温度线从液体中结晶出的渗碳体称为一次渗碳体标记为Fe3CⅠ注：各种不同的渗碳体分属于不同的组织组成物，区别在于形态和分布不同。但属于同一个相3.3.3典型铁碳合金相图的结晶过程一、铁碳合金的分类1.工业纯铁（<0.0218%C）室温下的平衡组织几乎全部为铁素体的铁碳合金，工业上很少使用2.钢（0.0218%--2.11%C）高温组织为单相奥氏体，易于变形。根据室温组织的不同分为三类(1)

亚共析钢（0.0218%--0.77%C）指室温下的平衡组织为铁素体与珠光体的铁碳合金，有熟铁之称(2)

共析钢（0.77%C）指室温下的平衡组织为珠光体的铁碳合金，即碳素工具钢中的T8钢(3)

过共析钢（0.77%C--2.11%C）指室温下的平衡组织为珠光体与二次渗碳体的铁碳合金3.白口铸铁（2.11%--6.69%C）指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡组织中皆含有变态莱氏体的一类铁碳合金其断口白亮而得名，俗称生铁具有较低的熔点，流动性好，便于铸造成形含有一定数量的莱氏体，硬度高、脆性大，故不能承受锻造、轧制等压力加工，也不宜切削加工特点分类亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁4、灰铸铁（

2.11%C）指室温下的平衡组织具有铁素体、珠光体，或是两者皆有的基体，且基体上分布着不同形态石墨的铁碳合金，其断口呈暗灰色，冷却至室温的莱氏体二、纯铁、钢、白口铸铁的平衡结晶过程γ

Fe3CⅢδγLδFeABGPHJNQ7123456①（1）纯铁的平衡结晶过程7123456Lδγ1—2点匀晶反应形成δ铁素体2—3点不发生组织转变3—4点开始从δ铁素体中析出奥氏体，4点后全部转化为奥氏体4—5点不发生组织转变5—6点开始从奥氏体中析出铁素体，6点后全部转化为铁素体

6—7点不发生组织转变7点以后开始从铁素体中析出三次渗碳体γ

Fe3CⅢδγLδFeABGPHJNQ7123456①7123456Lδγ工业纯铁结晶过程的基本反应匀晶反应十固溶体转变反应＋二次析出反应室温组织F十Fe3CⅢ工业纯铁的显微组织γLFeABEGPSHJNQ（0.77）123②3’123γLγPP1—2点匀晶反应形成奥氏体2—3点不发生组织转变3点以后发生共析转变，反应结束后全部转化为珠光体γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C3’点后继续冷却从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体（2）共析钢的平衡结晶过程γL3’123γLγPP共析钢结晶过程的基本反应匀晶反应十共析反应室温组织100%的珠光体P共析钢的显微组织(400×)珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织。白色的F基体上分布着黑色条纹状的Fe3C，呈黑白相间的层状形貌Pγ

γLδFeABGPHJNQ12345③122′3455′γγL

γP

1—2点匀晶反应形成δ铁素体2—2′点发生包晶反应L0.53+δ0.09←→γ0.172′—3点剩余的液相发生通过匀晶转变为奥氏体3—4点不发生组织转变4—5点从奥氏体中析出铁素体5—5′点发生共析反应γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C5′点以后从铁素体中析出少量的三次渗碳体（3）亚共析钢的平衡结晶过程LLδPγ

γLδLδ122’3455’γLγL

γP

亚共析钢结晶过程的基本反应匀晶反应+包晶反应+固溶体转变反应+共析反应亚共析钢的室温组织铁素体F+珠光体P亚共析钢的显微组织(400×)白色组织为铁素体，黑色组织为珠光体PFe3CⅡγPFe3CⅡγFe3CⅡFeABEGPSHJNQ（2.11）（0.77）1234④4’1234LLγγ1—3点匀晶反应形成奥氏体3—4点从奥氏体晶界析出二次渗碳体，并在晶界上呈网状分布4—4′点剩余的奥氏体发生共析反应γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C4点以后二次渗碳体不再变化，珠光体的变化同共析钢（4）过共析钢的平衡结晶过程PFe3CⅡγPFe3CⅡγFe3CⅡ4’1234LLγ过共析钢结晶过程的基本反应匀晶反应十二次析出反应+共析反应室温的组织珠光体P+网状二次渗碳体Fe3C过共析钢的显微组织(400×)白色或黑色的Fe3C呈细网状分布在层片状的P周围（5）共晶白口铸铁的平衡结晶过程2’11’2LLeLLeFe3CγFe3CPγPLe′Fe3C