第2章金属材料的组织结构课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2.1,金属材料的晶体结构与结晶,2.1.1,金属的晶体结构,2.1.2,纯金属的结晶,2.1.3,金属的同素异构转变,2.1.4,合金的晶体结构,2.2,铁碳合金相图,2.2.1,二元合金相图种类,2.2.2,铁碳合金相图,第,2,章 金属材料的组织结构,物质由原子、分子或离子组成。,原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。,原子、离子、分子之间的结合力称为,结合键,。,它们的具体组合状态称为,结构,。,C,60,金属键,2.1,金属材料的晶体结构与结晶,金属的结构,晶态,非晶态,SiO,2,的结构,2.1.1,金属的晶体结构,一、基本概念,晶体：,原子呈规则排列的固体。,常态下金属主要以晶体形式存在。,晶体具有各向异性,。,非晶体：,原子呈无序排列的固体。,在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,晶格：,用假想的直线将原子中心连接起来所形成,的三维空间格架。,直线的交点（原子中心）称结点。,由结点形成的空间点的阵列称,空间点阵,。,。,晶胞：,能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。,晶格常数：,各棱边的尺寸,a,、,b,、,c,；夹角,、,、,。,晶系：,根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。,90%,以上的金属具有立方晶系和六方晶系。,立方晶系：,a,=,b,=,c,，,=,=,=90,六方晶系：,a,1,=,a,2,=,a,3,c,，,=,=90,，,=120,立方,六方,四方,菱方,正交,单斜,三斜,原子半径：,晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。,晶胞原子数：,一个晶胞内所包含的原子数目。,配位数,:,晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目,.,致密度：,晶胞中原子本身所占的体积百分数。,二、金属的晶体结构,1,、纯金属的晶体结构,金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为,金属键,。,金属原子趋向于紧密排列。,电子云,正离子,金属键示意图,具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。,常见纯金属的晶格类型有体心立方,(bcc),、面心立方,(fcc),和密排六方,(hcp),晶格。,体心立方晶格,体心立方晶格,体心立方晶格的参数,体心立方晶格,原子个数：,2,配位数：,8,致密度：,0.68,常见金属：,-Fe,、,Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,Nb,等,晶格常数：,a,(,a,=,b,=,c,),原子半径：,面心立方晶格,面心立方晶格,面心立方晶格的参数,a,4,2,r,=,原子半径：,原子个数：,4,配位数：,12,致密度：,0.74,常见金属：,-Fe,、,Ni,、,Al,、,Cu,、,Pb,、,Au,等,晶格常数：,a,面心立方晶格,密排六方晶格,密排六方晶格,密排六方晶格的参数,a,2,1,r,=,：,原子半径,原子个数：,6,配位数：,12,致密度：,0.74,常见金属：,Mg,、,Zn,、,Be,、,Cd,等,晶格常数：,底面边长,a,和高,c,，,c/a=1.633,密排六方晶格,2,、实际金属的晶体结构,单晶体与多晶体,单晶体：,由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。,特征：同一位向如金刚石、水晶单晶硅等。,多晶体：,实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为,晶粒,。,晶界：,晶粒之间的交界面。,晶粒越细小，晶界面积越大。,多晶体：,由多晶粒组成的晶体结构。,光学金相显示的纯铁晶界,多晶体示意图,晶体缺陷,晶格的不完整部位称,晶体缺陷,。,实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类,即点、线、面缺陷。,点缺陷,：,空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。,空位：,晶格中某些缺排原子的空结点。,间隙原子：,挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,置换原子：,取代原来原子位置的外来原子称置换原子。,点缺陷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。,空位,间隙原子,小置换原子,大置换原子,线缺陷,：在三维尺寸的两个方向上尺寸很小，另一个方向上尺寸较大的缺陷；,晶体中的,位错,是典型的线位错。,晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未,滑移区的交界线称作,位错；,分为,刃型位错,和,螺型位错,。,刃型位错：,当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是,刃型位错,。,半原子面在滑移面以上的称,正位错,，用“,”表示。,半原子面在滑移面以下的称,负位错,，用“,”表示。,位错密度：,单位体积内所包含的位错线总长度。, = S/V,(cm/cm,3,或,1/cm,2,),金属的位错密度为,10,4,10,12,/cm,2,；,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。,金属晶须,退火态,(10,5,-10,8,/cm,2,),加工硬化态,(10,11,-10,12,/cm,2,),电子显微镜下的位错观察,面缺陷,：在三维尺寸的一个方向上尺寸很小，另两个方向上尺寸较大的缺陷，主要有晶界与亚晶界两种。,晶界是不同位向晶粒间的过度部位,，宽度为,510,个原子间距，位向差一般为,2040,。,亚晶粒,是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小,(10 2,),的小晶块。,亚晶粒之间的交界面称,亚晶界,。,原子排列不规则,.,熔点低,。,耐蚀性差,。,易产生内吸附,，,外来原子易在晶界偏聚。,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。,是相变的优先形核部位。,晶体缺陷对金属材料带来的性能影响：,缺陷的存在对金属的物理性能和机械性能都有一定的影响，利用缺陷强化金属。,点缺陷,：存在对金属的物理性能和力学性能都有一定影响，尤其影响晶体的电阻和晶体密度最显著。可达到,固溶强化（,强度、硬度提高，塑性、韧性降低,）；,线缺陷,：大量位错互相缠结，交织在一起，阻碍塑性变形，造成金属强化称,加工硬化（,强度、硬度提高，塑性、韧性降低,）；,面缺陷,：,细晶强化（,强度、硬度提高，塑性、韧性改善,）。,2.1.2,纯金属的结晶,物质由液态转变为固态的过程称为,凝固,。,物质由液态转变为晶态的过程称为,结晶,。,物质由一个相转变为另一个相的过程称为,相变,，,结晶过程是相变过程。,凝固,结晶,非晶体,晶体,液体,水,结晶,=,相变,冰,一、,金属结晶的基本规律,1,、纯金属的结晶条件,金属结晶时温度与时间的关系曲线称,冷却曲线。,曲线上水平阶段所对应的温度称,实际结晶温度,T,1,。,曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的,。,纯金属的冷却曲线,纯金属都有一个,理论结晶温度,T,0,（,熔点,或,平衡结晶温度,）。在该温度下,液体和晶体处于,动平衡状态,。,结晶只有在,T,0,以下的实际结晶温度下才能进行。,纯金属的冷却曲线,液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称,过冷,。,理论结晶温度与实际结晶温度的差,T,称为,过冷度，,T=,T,0,T,1,。,过冷度大小与冷却速度有关，,冷速越大，过冷度越大,。,2,、纯金属的结晶过程,（,1,）结晶的基本过程,结晶由,晶核的形成,和,晶核的长大,两个基本过程组成,.,液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为,晶胚,。在,T,0,以下,经一段时间后,一些大尺寸的晶坯将会长大，称为,晶核,。,晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。,晶核不断形成，不断长大，直,到液体完全消失。,每个晶核最,终长成一个晶粒，两晶粒接触,后形成晶界。,（,2,）晶核的形成方式,形核有两种方式，,即,均匀形核,和,非均匀形核,。,由液体中排列规则的原子团形成晶核称,均匀形核,。,以液体中存在的固态杂质为核心形核称,非均匀形核,非均匀形核更为普遍。,。,（,3,）晶核的长大方式,晶核的长大方式有两种，即,均匀长大和树枝状长大。其中，主要以树枝状长大方式长大。,均匀长大：,在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。,均匀长大,实际金属结晶主要以,树枝状长大,。,因为存在,负温度梯度，,且,晶核棱角处散热好,，生长快，先形成,一次轴,，一次轴产生,二次轴,，树枝间最后被填充。,负温度梯度,树枝状长大,树枝状长大的实际观察,(,定向凝固,),二、晶粒大小及其控制,1,、晶粒度,表示晶粒大小的尺度叫,晶粒度,，,可用晶粒的平均面积或平均直径表示。,工业生产上采用,晶粒度等级,来表示晶粒大小。,标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细,。通过,100,倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,2,、决定晶粒度的因素,晶粒的大小取决于,晶核的形成速度,和,长大速度,。,单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫,形核率,(,N,),。,单位时间内晶核生长的长度叫,长大速度,(,G,),。,N/G,比值越大，晶粒越细小。,因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。,3,、控制晶粒度的方法,控制过冷度：,随过冷度,增加，,N/G,值增加，晶粒变细。,缓冷,快冷,Al-Si,合金组织,变质处理：,又称,孕育处理,，,即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。,所加入的非均匀形核物质叫,变质剂,（或称,孕育剂,）。,铸铁变质处理前后的组织,变质处理使铸铁中石墨细化。,变质剂为硅铁或硅钙合金。,电磁搅拌细化晶粒示意图,超声振动细化晶粒示意图,振动、搅拌等,:,对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面,可靠外部输入的能量来促进形核,，,另一方面也可,使成长中的枝晶破碎，使晶核,数目显著增加。,气轮机转子的宏观组织,(,纵截面,),细晶的熔模铸件,(,上,),普通铸件,(,下,),4,、晶粒大小对金属性能的影响,常温下,，,晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好，,即,细晶强化,。,高温下,，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益；但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。,单晶叶片,s,= ,i,+Kd,-1/2,晶粒大小与金属强度的关系,2.1.3,金属的同素异构转变,构转变,。,同素异构转变属于相变之一,固态相变,。,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称,同素异,纯铁的同素异构转变,1,、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：, -Fe,、 ,-Fe,为,体心立方结,(,BCC),，,-Fe,为,面心立方结构,(,FCC),；都是铁的,同素异构体,。,-Fe,-Fe,-Fe,-Fe,912,FCC,BCC,2.1.4,合金的晶体结构,合金,是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质；,组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。,组元,是指组成合金的最基本、能够独立存在的物质。,多数情况下，,组元是指组成合金的元素,。但对于,既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,如,Fe-C,合金中的,Fe3C,。,组成合金的元素相互作用可形成不同的,相,。,相,是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。,显微组织,是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的,形态、数量、大小,和,分布,的组合。,固态合金中的相分为,固溶体,和,金属化合物,两类。,1,固溶体,合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固,相称,固溶体,。,用,、,表示。,与固溶体晶体结构相同的元素称,溶剂,。,其它元素称,溶质,。,固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是,单相固溶体合金,或,以固溶体为基的合金,。,按溶质原子所处位置分为,置换固溶体,和,间隙固溶体,。,Cu-Ni,置换固溶体,Fe-C,间隙固溶体,置换固溶体,溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。,溶质原子呈无序分布的称,无序固溶体，,呈有序分布的称,有序固溶体。,间隙固溶体：,溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。,形成间隙固溶体的,溶质元素是原子半径较小的非金属元素,，如,C,、,N,、,B,等，而,溶剂元素一般是过,渡族元素,。,固溶体的溶解度,溶质原子在固溶体中极限浓度。,溶解度有一定限度的固溶体称,有限固溶体,。,组成元素无限互溶的固溶体称,无限固溶体,。,组成元素,原子半径,、,电化学性相近,，,晶格类型相同,的置换固溶体，才可能形成无限固溶体,.,间隙固溶体都是有限固溶体。,Cu-Ni,无限固溶体,Cu-Zn,有限固溶体,固溶体,化合物,固溶体的性能,随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降,称作,固溶强化,。,产生固溶强化的原因：,溶质原子使,晶格发生畸变,及对位错的,钉扎作用,.,与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低,;,与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。,固溶体合金成分与性能关系,2,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称,金属化合物,。,金属化合物具有,较高的熔点、硬度和脆性,，并,可用分子式表示,其组成。,合金中出现金属化合物，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。,金属化合物也是合金的重要组成相。,Fe,3,C,的晶格,钢中的,Fe,3,C,正常价化合物,符合正常,原子价规律，如,Mg,2,Si,。,电子化合物,符合电子浓,度规律，如,Cu,3,Sn,。,电子浓度,为价电子数与原 子数的比值。,间隙化合物,由过渡族元,素与,C,、,N,、,B,、,H,等小原子半径的非金属元素组成。,Al-Mg-Si,合金中的,Mg,2,Si,Pb,基轴承合金中的电子化合物,2.2,铁碳合金相图,合金的结晶过程比纯金属复杂，常用,相图,进行分析,.,相图,是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解，,又称,状态图,或,平衡图,。,相图,表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，,是制订熔炼、铸造及热处理等工艺的重要依据,。,根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。,二元相图的建立：,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,。,二元相图的建立步骤为：,以,Cu-Ni,合金为例,1.,配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。,2.,将临界点标在温度,-,成分坐标中的成分垂线上。,3.,将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。,相图中，结晶开始点的连线叫,液相线,。结晶终了点的连线叫,固相线,。,2.2.1,二元合金相图种类,两组元在液态和固态下均无限互溶形成单一均匀固溶体时所构成的相图称二元匀晶相图。,以,Cu-Ni,合金为例进行分析。,1,、匀晶相图,相图由两条线构成，上面是,液相线，下面是固相线。,相图被两条线分为三个相,区，液相线以上为液相区,L,，固,相线以下为, 固溶体区，两条线,之间为两相共存的两相区（,L + ,）。,L,L,+,成分,（,wt%Ni,）,温度,（）,Cu,Ni,液相线,固相线,A,B,合金的结晶过程,除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以,合金为例说明。,当液态金属自高温冷却到,t,1,温度时，开始结晶出成分为,1,的固溶体，其,Ni,含量高于合金平均成分。,L,L+,这种从液相中结晶出单一固相的转变称为,匀晶转变,或,匀晶反应,。,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少,。同时，,液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化,。,当合金冷却到,t,3,时，最后一滴,L,3,成分的液体也转变为固溶体，此时,固溶体的成分又变回到合金成分,3,上来,。,液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线,；,匀晶转变是变温转变,。,杠杆定律,处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用,杠杆定律,求出两平衡相的相对重量。, 确定两平衡相的成分：,设合金成分为,x,，过,x,做成,分垂线。在成分垂线相当于温度,t,的,o,点作水平线，其与液固相线交点,a,、,b,所对应的成分,x,1,、,x,2,即分别为液相和固相的成分。,确定两平衡相的相对重量：,设合金的重量为,1,，,液相重量为,Q,L,，,固相重量为,Q,则,Q,L,+,Q,=1,Q,L,x,1,+,Q,x,2,=,x,解方程组得：,1,2,t,L,L,O,b,a,x,x,1,x,2,A,B,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为,杠杆定律,。即,合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。,在杠杆定律中，,杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相,（或两组织组成物）,的成分。,杠杆定律只适用于两相平衡区,。,例题,（如图）,1,L,2,45%Ni,58%Ni,53%Ni,L,1,2,1300,T,0,100%Cu,100%,Ni,枝晶偏析,合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。,但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使,先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素,（如,Cu-Ni,合金中的,Ni,）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素,(,如,Cu-Ni,合金中的,Cu),。,在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作,枝晶偏析,。,不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。,冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重,。,枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能,。,生产上常将铸件加热到固相线以下,100-200,长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作,扩散退火,。,Cu-Ni,合金的,平衡组织与枝晶偏析组织,平衡组织,枝晶偏析组织,2,、共晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生,共晶反应,时所构成的相图称作,共晶相图,。（,以,Pb-Sn,相图为例进行分析）, 相：,相图中有,L,、,、,三种相,是溶质,Sn,在,Pb,中的固溶体,，,是溶质,Pb,在,Sn,中的固溶体,。, 相区：,三个单相区：,L,、,、,；,三个两相区：,L+,、,L+,、,+ ,；,一个三相区：,即水平线,CED,。,A,B,固溶线,:,溶解度点的连线称,固溶线,。,相图中的,CF,、,DG,线分别为,Sn,在,Pb,中和,Pb,在,Sn,中的固溶线。,液、固相线,:,液相线,AEB,，,固相线,ACEDB,。,A,、,B,分别为,Pb,、,Sn,的熔点。,A,B,和,固溶体的溶解度随温度降低而下降。,共晶线：,水平线,CED,叫做,共晶线,。,在共晶线对应的温度下,(,183,),，,E,点成分的合金同时结晶出,C,点成分的,固溶体和,D,点成分的,固溶体,，形成,这两个相的机械混合物：,L,E,(,C,+,D,),共晶反应的产物，即两相的机械混合物称,共晶体,或,共晶组织,。,发生共晶反应的温度称,共晶温度。,代表共晶温度和共晶成分的点称,共晶点。,具有共晶成分的合金,称,共晶合金,。,共晶线上，,凡成分位于共晶点,以左的合金,称,亚共晶合金,；,位于共,晶点以右的合金,称,过共晶合金,。,凡具有共晶线成分的合金液体,冷却到共晶温度时都将发生共晶反,应。,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称作,共晶转变,或,共晶反应,。,A,B,183,合金的结晶过程,含,Sn,量小于,C,点合金,(,合金,),的结晶过程,在,3,点以前为匀晶转变，结晶出单相,固溶体,这种直接,从液相中结晶出的固相称,一次相,或,初生相,。,.2,温度降到,3,点以下，,固溶体中,Sn,过饱和，开始析出新相,相。,由已有固相析出的新固相,称,二次相,或,次生相,。由 析出的二次 用,表示。,随温度下降，,和,相的成分分,别沿,CF,线和,DG,线,变化。,合金室温组织为,+,。,成分大于,D,点合金结晶过程与,合金相似,室温组织为,+,。,A,B,C,D,E,F,G,共晶合金,(,合金,),的结晶过程,液态合金冷却到,E,点时,发生共晶反应：,L,E,(,C,+,D,),。,wt%Sn,温度, ,1,19.2,共晶结束后，随温度下降，,和,的成分分别沿,CF,线和,DG,线变化，并从共晶,中析出,，从共晶,中析出,，由于共晶组织细,与共晶结合，,与共晶,结合，共晶合金的室温组织仍为,(,+,),共晶体。,析出过程中,两相相间形核、互相促进、共同长大,，因而共晶组织较细，,呈片、棒、点球等形状,。,层片状,(Al-CuAl,2,定向凝固,),条棒状,(Sb-MnSb,横截面,),螺旋状（,Zn-Mg,）,Pb-Sn,共晶组织,亚共晶合金,(,合金,),的结晶过程,合金液体在,2,点以前为匀晶转变。,冷却到,2,点，固相成分变化到,C,点，液相成分变化到,E,点，,在,2,点，具有,E,点成分的剩余液体发生共晶反应：,L,(,+,),，转变为共晶组织。,温度继续下降，将从一次,和共晶,中析出,，从共晶,中析出,。,其室温组织为,+ (,+,) +,。,过共晶合金结晶过程,与亚共晶合金相似,不同的是一次相为,二次相为,。,室温组织为,+(,+,)+,。,Pb-Sn,合金的结晶过程,组织组成物在相图上的标注,组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。,将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。,相与相之间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。如,、,和,共晶,的结构成分相同，属,同一个相，但它们的形态不,同，分属不同组织组成物。,组织组成物在相图上的标注,3,、包晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图,称作,包晶相图,。,以,Pt-Ag,相图为例简要分析：,L+,L+,L, +,相图分析,单相区：,L,、,、,二相区：,L+,、,L+,、,+,三相区：,L,+,+,（水平线,PDC,）,在一定温度下，由一个液,相包着一个固相生成另一新固相的反应称,包晶转变,或,包晶反应,。,水平线,PDC,称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：,L,C,+,P,D,。该反应是液相,L,包着固相,新相,在,L,与,的界面上形核，并向,L,和,两个方向长大。,L+,L+,L, +,合金的结晶过程, 包晶成分合金：,匀晶,包晶二次析出。,室温组织：,+,II, PD,成分,合金,：,匀晶,包晶二次析出。,室温组织：,+,II,+,+,II,时间,温度, DC,成分,合金：,匀晶,包晶,匀晶,二次析出,室温组织：,+,II,。,时间,温度,最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变,:,S,P,+ Fe,3,C,。,(,奥氏体，,铁素体，,Fe,3,C,渗碳体,),4,、,共析相图,共析反应是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同新固相的过程。,+,共析转变也是固态相变,。,S,P,共析相图与共晶相图相似，对应的有,共析线,（,PSK,线）、,共析点,（,S,点）、,共析温度、共析成分、共析合,金,（共析成分合金）、,亚共析合金,（共析线上共析点以左的合金）、,过共析合金,（共析线上共析点以右的合金）。,铁碳合金相图,共析反应的产物是,共析体,(,铁碳合金中的共析体称,珠光体,),，,也是两相的机械混合物,(,铁素体,+,渗碳体,),。,与共晶反应不同的是，,共析反应的母相是固相，而,不是液相。,另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。,珠光体,5,、形成稳定化合物的二元相图,稳定化合物,是指在熔化前不发生分解的化合物,(,如,Mg-Si,系的,Mg,2,Si,和,Fe-C,系的,Fe,3,C),。,其成分固定，在相图中是一条垂线,(,代表一个单相区,),。垂足是其,成分,顶点是其熔点,结晶过程同纯金属。,分析这类相图时，,可把稳定化合物当作纯组元看待,，将相图分成几个部分进行分析,。,Mg,2,Si,Mg,2,Si+Si,Mg+ Mg,2,Si,Si,L+ Mg,2,Si,L+ Si,L+ Mg,2,Si,L+ Mg,恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。,+,共析反应,恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。,L,+,包晶反应,恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。,L,+,共晶反应,说明,反应式,图形特征,反应名称,常见三相等温水平线上的反应,2.2.2,铁碳合金相图,铁碳合金,碳钢,和,铸铁,，是工业应用最广的合金。,含碳量为,0.0218% 2.11%,的,称,钢；,含碳量为,2.11% 6.69%,的,称,铸铁,。,铁碳合金相图,是研究铁碳,合金最基本的,工具,，,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,，,是制定热处理、冶炼和铸造等,工艺,依据,。,铁和碳可形成一系列稳定化合物：,Fe,3,C,、,Fe,2,C,、,FeC,，它们都可以作为纯组元看待。,含碳量大于,Fe,3,C,成分（,6.69%,）时，合金太脆，已无实用价值。,实际所讨论的铁碳合金相图是,Fe- Fe,3,C,相图,。,Fe,Fe,3,C,Fe,2,C,FeC,C,C%(at%),一、铁碳合金的组元和相,碳在,-Fe,中的固溶体称,铁素体,，用,F,或,表示；,碳在,-Fe,中的固溶体称,-,铁素体,，用,表示。,是体心立方间隙固溶体。,铁素体的溶碳能力很低，在,727,时最大为,0.0218%,，室温下仅为,0.0008%,。,铁素体的组织为多面体晶粒；,性能与纯铁相似,，,属软韧相，,和,HB,不高，塑性好。,组元：,Fe,、,Fe,3,C,相,铁素体：,铁素体,BCC,的八面体和四面体间隙,奥氏体,:,碳在,-Fe,中的固溶体称,奥氏体,，,用,A,或,表示,，是面心立方晶格的间隙固溶体。,溶碳能力比铁素体大，,1148,时最大,为,2.11%,；,在,727,时最小，为,0.0218%,。,组织为不规则多面体晶粒,晶界较直。,强度低、塑性好,，,钢材热加工都在,区进行。,碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,FCC,的八面体间隙,渗碳体：,即,Fe,3,C,，含碳量为,6.69%,，用,Fe,3,C,或,C,m,表示。,组织形态：,从液相中直接结晶出的一次渗碳体，一般呈板条状；,固相中析出的二次渗碳体，一般呈网状分布；,共析体中渗碳体一般呈薄片状；,实际热处理状态下的渗碳体还有球状、粒状、棒状。,性质：,Fe3C,硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。,Fe,3,C,是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：,Fe,3,C3Fe+C,（,石墨,），该反应对铸铁有重要意义。,由于碳在,-Fe,中的溶解度很小，因而,常温下碳在铁碳合金中主要以,Fe,3,C,或,石墨,的形式存在,。,铸铁中的石墨,钢中的渗碳体,二、铁碳合金相图的分析,特征点,L,J,N,G,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L,+Fe,3,C,L+,+, 特征线,液相线ABCD，,固相线AHJECFD,三条水平线：,HJB：包晶线L,B,+,H,J,；,ECF：共晶线L,C,E,+Fe,3,C；,共晶产物是,与,Fe,3,C,的机械混合物，称作,莱氏体,；,727 以上的莱氏体称高温莱氏体用Ld或,Le,表示；,727以下的莱氏体称低温莱氏体，用 Ld或,Le,表示。,性能接近于渗碳体，,硬而脆。,莱氏体,PSK,：共析线（,又称,A,1,线,）,S,F,P,+ Fe,3,C,共析转变的产物是,F,与,Fe,3,C,的机械混合物，称作,珠光体,，用,P,表示。,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。,L+,L+,L+ Fe,3,C,+,+ Fe,3,C,+,F+ Fe,3,C,珠光体,(,光镜,),扫描电镜形貌,其它相线,GS,、,GP,固溶体转变线。其中：,GS,又称,A,3,线，是冷却时,向,转变的起始线,；,GP,是冷却时,向,转变的终了线。,HN,、,JN,固溶体转变线。,ES,碳在,-Fe,中的固溶线，,又称,A,c m,线。,PQ,碳在,-Fe,中的固溶线。,三个三相区：,即,HJB,（,L+,+,）,、,ECF,（,L+,+ Fe,3,C,）,、,PSK,（,+,+ Fe,3,C,）,三条水平线,相区,五个单相区：,L,、,、,、,、,Fe,3,C,七个两相区,:,L+,、,L+,、,L+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,对于,Fe-Fe3C,相图中左上角包晶反应部分，通常对实际生产没有多大意义，为便于研究可以将其简化，忽略该反应。,三、典型合金的平衡结晶过程,钢,：,0.02182.11%C,亚共析钢：,0.02180.77%C,；,共析钢,：,0.77%C,；,过共析钢,：,0.772.11%C,；,白口铸铁,：,2.116.69%C,铸造性能好，硬而脆；,亚共晶白口铸铁：,2.114.3%C,；,共晶白口铸铁：,4.3%C,；,过共晶白口铸铁：,4.36.69%C,；,铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：,工业纯铁,（,L+A-A-A+P-P,合金液体在,1-2,点间转变为,；到,S,点发生共析转变：,S,P,+Fe,3,C,全部转变为,珠光体。,珠光体,在光镜下呈指纹状,转变结束时，珠光体中相的相对,重量百分比为：,珠光体中的渗碳体称,共析渗碳体,。,S,点以下，共析,中析出,Fe,3,C,，,与共析,Fe3C,结合不易分辨。,室温组织为,P.,共析钢的结晶过程,室温下，珠光体中,两相的相对重量百分比是多少？,Q,4,3,2,1,9,亚共析钢的结晶过程,0.090.53%C,亚共析钢冷却时发生包晶反应。,以,0.45%C,的钢为例：,L-L+A-A-A+F-A+P+F-P+F,合金在,4,点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为,A,。,到,4,点，由,A,中析出,F,。,到,5,点，,A,成,分沿,GS,线变到,S,点，,A,发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，,F,中析出,Fe,3,C,，由于与共析,Fe,3,C,结合,且量少,忽略不计。,+Fe,3,C,G,S,P,A,B,J,H,亚共析钢的结晶过程,室温下相的相对重量为：,室温下组织组成物的相对重量为：,S,利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量：,C%=P,面积,%0.77%,(,忽略,中含碳量，,P,面积,%=Q,P,),共析温度下相的相对重量为：,共析温度下组织组成物的相对重量为：,亚共析钢室温下的组织为,F+P,。,在,0.02180.77%C,范围内,珠光体的量随含碳量增加而增加,。,含,0.45%C,钢的组织,含,0.20%C,钢的组织,含,0.60%C,钢的组织,过共析钢的结晶过程,L-L+A-A-A+Fe,3,C,II,-P+Fe,3,C,II,合金在,12,点转变为,A,；,到,3,点，开始析出,Fe,3,C,。,从奥氏体中析出的,Fe,3,C,称,二次渗碳体,，,用,Fe,3,C,表示，,沿晶界呈网状分布。,温度下降，,Fe,3,C,量增加。,到,4,点，,A,成分沿,ES,线变化到,S,点，余下的,A,转变为,P,。,过共析钢,室温组织,: P+ Fe,3,C,。,含,1.4%C,钢的组织,过共析钢的结晶过程,室温下两相的相对重量百分比：,室温下两组织组成物相对重量百分比,:,1,2,3,4,5,S,共晶白口铁的结晶过程,L-Ld (A,E,+Fe,3,C)-Ld (A+Fe,3,C+Fe,3,C,II,)-Ld(P+Fe,3,C,II,+Fe,3,C),液相冷却到,C,点发生共晶反应全部转变为莱氏体,Le,，,Le,是共晶,与共晶,Fe,3,C,的机械混合物，,呈蜂窝状。,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比？,C,点以下，,成分沿,ES,线变化，共晶,将析出,Fe3C,。,Fe3C,与共晶,Fe3C,结合，不易分辨。,在,2,点，共晶,发生共析反应，转变为珠光体，这种,由,P,与,Fe3C,组成的共晶体称,低温莱氏体，,用,Le,表示,。,2,点以下，共晶体中珠光体的变化同共析钢。,共晶白口铁室温组织为,Le,。,室温下两相的相对重量百分比？,共晶白口铁的结晶过程,亚共晶白口铁的结晶过程,L,L+A Ld+A Ld+A+,Fe,3,C,II, Ld+P+,Fe,3,C,II,合金在,12,点间析出,；,到,2,点，液相成分变到,C,点，并转变为,Le,；,23,点之间从,中析出,Fe,3,C,；,到,3,点，,转变为,P,。,亚共晶白口铁室温组织为,P+Fe,3,C,+Le,。,室温下组织组成物相对重量百分比？,室温下相的相对重量百分比,?,亚共晶白口铁的结晶过程,过共晶白口铁的结晶过程,L,L+Fe,3,C,Ld+Fe,3,C,Ld+Fe,3,C,12,点之间,从液相中析出,Fe,3,C,这种渗碳体,称,一次渗碳体,，,用,Fe,3,C,表示，呈板条片状。,到,2,点，余下的液相成分变到,C,点并转变为,Le,。,2,点以下，,Fe,3,C,成分重量不再变化，,Le,变化同共晶合金。,其室温组织为,Fe,3,C,+Le,。,D,F,K,3,Fe,3,C,1,2,4,过共晶白口铁的结晶过程,组织组成物与相组成物标注区别主要在,+Fe,3,C,和,+Fe3C,两个相区。,+Fe3C,相区中,有四个组织组成物区，,+Fe3C,相区中,有七个组织组成物区。,组织组成物在铁碳合金相图上的标注,+ Fe,3,C,+ Fe,3,C,Fe,Fe,3,C,S,Q,P,N,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A,A+,Fe,3,C,A+F,L+A,A+,L+,F,A,L,L+,Fe,3,C,F+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,+Le,Le,Le,+,Fe,3,C,Le,+,Fe,3,C,Le,P+,Fe,3,C,+Le,P+,Fe,3,C,P+F,P,F,+,Fe,3,C,C%,温度,钢的类别,Wc%,室温,组织,组织组成物,相对含量,相,组成物,相组成物,相对含量,亚共析钢,0.0218,0.77,F+P,F+Fe3C,共析钢,0.77,P,100%,过共析钢,0.77,2.11,P+Fe,3,C,钢的分类、组织组成与相组成的计算,四、 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,根据铁碳合金相图和对铁碳合金平衡组织的分析可知，不同含碳量的铁碳合金平衡组织都是由,F,和,Fe3C,组成这两个基本相组成。,但含,C,量不同，铁碳合金中相的相对数量、形状和分布情况不同，因而各种成分的铁碳合金呈现不同的组织形态，从而导致合金在性能上的差异。,含碳量对室温平衡组织的影响,含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为,：,钢,铁素体,亚共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,共析钢,白 口 铸 铁,二次渗碳体,工,业,纯,铁,珠光体,莱氏体,一次渗碳体,Fe,3,C,钢 铁,分 类,组织组,成物相,对量,%,相组成,物相对,量,%,含碳量,%,0,0.0218,0.77,2.11,4.3,6.69,100,100,0,0,三次渗碳体,含碳量对力学性能的影响,F,是软韧相，,Fe,3,C,是硬脆相，所以铁碳合金的力学性能决定于,F,和,Fe,3,C,相对量，以及相互的分布特征。,（,1,）,.,硬度（,HB,）取决于,C%,；,C% ,，高硬度的,Fe,3,C,相，低硬度的,F,相，故,HB ,。,（,2,）,.,塑性（,）韧性（,K,）,C%,，,F,，,Fe,3,C,，,、,，,K,。,（,3,）,. ,与,C%,有关，还与,C,的分布、形状有关。,晶粒呈片状的共析,Fe,3,C,与,F,组成的,P,组织具有较高的强度，且,P,组织越细，则强度越高。,C%,0.77%,：,C%,，,P,，, ,。,0.77%,C%,0.9%,：,C%, P,组织越细，,。,含,C,量超过共析成分后，合金中出现强度很低,Fe,3,C,，当含,C,量增加不多时，合金中,Fe,3,C,量很少，且呈粒片断续包围,P,分布，由于相界面增多，所以合金强度还会略有升高，直到,C% = 0.9%,时,。,0.9%,C%,2.11%,：,Fe3C,呈网状分布，包围,P,，割裂了,P,晶,粒之间的结合，使合金,（随,C%,）。,C%,2.11%,：,组织中有以,Fe3C,为基的,Le,，合金太脆。,含碳量对工艺性能的影响,切削性能,:,中碳钢合适,可锻性能,:,低碳钢好,焊接性能,:,低碳钢好,铸造性能,:,共晶铸铁好,热处理性能,:,第六章介绍,铸造,焊缝组织,模锻,切削加工的基本形式,车,刨,钻,铣,磨,五、相图的应用,（,1,）,.,选材依据（成分 组织 性能）,相图给出了含碳量与钢的组织和性能之间关系，这便于根据零件所需使用性能来合理选用适当碳含量的钢，即作为选材的依据。,（,2,）,.,制订加工工艺依据,相图还给出了各种铁碳合金的温度与组织之间的关系，这对铸、锻、热处理工艺有直接指导意义。, 铸造方面,：,可根据相图上液相线可以确定铸件的合理浇注温度。一般选在液相线之上,50100,，共晶成分合金结晶温区窄，合金流动性好，分散缩孔小。,在铸钢生产中,碳含量规定在,0.15-0.6%,之间,因为这个范围内钢的结晶温度区间较小,铸造性能较好。,锻造方面：,从相图上可知，当把钢加热到,A,3,和,Acm,线之上变成单相,A,，,A,状态的钢塑性好、 强度较低，很适于大变形量的热变形加工。,一般始锻、始轧温度控制在固相线以下,100,200,范围内。,一般始锻温度为,1150,1250,；终锻温度为,750,850,。,热处理方面,：,相图中的,A,1,、,A,3,、,Acm,三条相变线是确定碳素钢热处理工艺加热温度的依据。,一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据,Fe-Fe,3,C,相图确定的。,在运用,Fe-Fe,3,C,相图时应注意以下两点：, Fe-Fe,3,C,相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态,如含有其它元素,相图将发生变化。, Fe-Fe,3,C,相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态,若冷却或加热速度较快时,其组织转变就不能只用相图来分析了。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,