第二章金屬材料的組織與性能控制21-22

1、2.12.1 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 2.22.2 合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 2.32.3 金屬的塑性加工金屬的塑性加工 2.42.4 鋼的熱處理鋼的熱處理 2.52.5 鋼的合金化鋼的合金化 2.6 2.6 表面技術(shù)表面技術(shù) 第第2 2章章 金屬材料的金屬材料的 組織與性能控制組織與性能控制 1.純金屬的結(jié)晶條件 2.純金屬的結(jié)晶過程 3.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 4.細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施 2.1 2.1 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 1.1.純金屬的結(jié)晶條件純金屬的結(jié)晶條件 晶體晶體 液體液體 結(jié)晶結(jié)晶 結(jié)晶：結(jié)晶： 液體液體 - - 晶體晶體 凝固：凝固： 液體液體 - - 固體（晶體固體（晶體 或或

2、非晶體）非晶體） 由液態(tài)金屬向原子由液態(tài)金屬向原子 規(guī)則排列形成規(guī)則排列形成金屬金屬 晶體晶體的過程的過程 冷卻曲線冷卻曲線 t T T0 Tn 理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度 開始結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度 T T= T0 - Tn 純金屬結(jié)晶的條件純金屬結(jié)晶的條件 就是應(yīng)當(dāng)有一定的就是應(yīng)當(dāng)有一定的 過冷度過冷度（克服界面能）克服界面能） “自由能自由能”：在熱力學(xué)中把物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋：在熱力學(xué)中把物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋 放出其多余的或能夠?qū)ν庾龉Φ倪@部分能量。放出其多余的或能夠?qū)ν庾龉Φ倪@部分能量。 冷卻速度越大，則過冷度越大。冷卻速度越大，則過冷度越大。 2.2.純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過

3、程 液態(tài)金屬液態(tài)金屬形核形核晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大 完全結(jié)晶完全結(jié)晶 形核形核和和晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大的過程的過程 （1 1）形核過程）形核過程 兩種形核方式兩種形核方式 自發(fā)形核自發(fā)形核 與與 非自發(fā)形核非自發(fā)形核 自發(fā)形核自發(fā)形核 由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸 后形成的結(jié)晶核心。后形成的結(jié)晶核心。 非自發(fā)形核非自發(fā)形核 是是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。 （2 2）晶核長(zhǎng)大過程）晶核長(zhǎng)大過程 兩種長(zhǎng)大方式 平面生長(zhǎng)平面生長(zhǎng) 與 樹枝狀生長(zhǎng)樹枝狀生長(zhǎng)。 平面生長(zhǎng) 樹枝狀樹枝狀 生長(zhǎng)生長(zhǎng) 3 3同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬

4、在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 -Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc 1394 C912 C -Fe，fcc -Fe，bcc 912 C 1538 C 純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線 T t 1538 1394 912 -Fe，bcc -Fe，bcc -Fe，fcc Cooling curve 770 鐵磁性 4 金屬的鑄錠和鑄件 金屬結(jié)晶是鑄造工藝的基礎(chǔ)，了解金屬的結(jié)晶 規(guī)律及其影響因素具有十分重要的意義。生產(chǎn) 上常見的鑄錠和鑄件都是由結(jié)晶過程來實(shí)現(xiàn)。 4.1 4.1 鑄錠的典型組

5、織及性能特點(diǎn)鑄錠的典型組織及性能特點(diǎn) 金屬鑄錠凝固時(shí)由于表面和心部的結(jié)晶金屬鑄錠凝固時(shí)由于表面和心部的結(jié)晶 條件不同，鑄錠的結(jié)構(gòu)是不均勻的。典條件不同，鑄錠的結(jié)構(gòu)是不均勻的。典 型的分為型的分為3 3個(gè)各具特征的晶區(qū)。見下圖個(gè)各具特征的晶區(qū)。見下圖 1.1.表層細(xì)晶區(qū)（表層細(xì)晶粒區(qū)）表層細(xì)晶區(qū)（表層細(xì)晶粒區(qū)） 液體金屬注入錠模時(shí)，外層金屬受到激冷，過冷度很大，液體金屬注入錠模時(shí)，外層金屬受到激冷，過冷度很大， 同時(shí)模壁也能起到非自發(fā)形核的作用，因而生成大量的同時(shí)模壁也能起到非自發(fā)形核的作用，因而生成大量的 晶核。數(shù)量多，晶粒很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長(zhǎng)，結(jié)晶核。數(shù)量多，晶粒很快彼此相遇，不能繼續(xù)

6、生長(zhǎng)，結(jié) 果就形成細(xì)晶粒區(qū)。果就形成細(xì)晶粒區(qū)。 性能特點(diǎn)：晶粒十分細(xì)小，組織致密，力學(xué)性性能特點(diǎn)：晶粒十分細(xì)小，組織致密，力學(xué)性 能很好，但細(xì)晶區(qū)的厚度一般都很薄。能很好，但細(xì)晶區(qū)的厚度一般都很薄。 2. 2. 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 由垂直于模壁的粗大的柱狀晶組成。由于液體金屬的由垂直于模壁的粗大的柱狀晶組成。由于液體金屬的 過冷度減小，形核速率降低，但細(xì)晶區(qū)中的一些晶粒過冷度減小，形核速率降低，但細(xì)晶區(qū)中的一些晶粒 可繼續(xù)長(zhǎng)大?？衫^續(xù)長(zhǎng)大。 性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)是由于柱狀晶粒區(qū)的枝晶優(yōu)點(diǎn)是由于柱狀晶粒區(qū)的枝晶 得不到發(fā)展，顯微空洞少，鑄錠密度大。得不到發(fā)展，顯微空洞少，鑄錠密度大。 缺點(diǎn)是

7、在柱狀晶和柱狀晶的交界處常有低熔點(diǎn)、缺點(diǎn)是在柱狀晶和柱狀晶的交界處常有低熔點(diǎn)、 低強(qiáng)度的雜質(zhì)和非金屬夾雜物使強(qiáng)度下降，出現(xiàn)低強(qiáng)度的雜質(zhì)和非金屬夾雜物使強(qiáng)度下降，出現(xiàn) 弱面，在性能上使之有方向性，沿柱狀晶方向的弱面，在性能上使之有方向性，沿柱狀晶方向的 強(qiáng)度高于垂直方向的強(qiáng)度。強(qiáng)度高于垂直方向的強(qiáng)度。 當(dāng)對(duì)金屬鑄錠進(jìn)行壓力加工時(shí)易于在這些弱面產(chǎn)當(dāng)對(duì)金屬鑄錠進(jìn)行壓力加工時(shí)易于在這些弱面產(chǎn) 生開裂，甚至在快冷時(shí)也易于沿弱面產(chǎn)生開裂。生開裂，甚至在快冷時(shí)也易于沿弱面產(chǎn)生開裂。 對(duì)于熔點(diǎn)高、雜質(zhì)多的金屬，如鐵和鎳及其合對(duì)于熔點(diǎn)高、雜質(zhì)多的金屬，如鐵和鎳及其合 金等不希望有柱狀晶粒出現(xiàn)。但對(duì)熔點(diǎn)低、雜金等

8、不希望有柱狀晶粒出現(xiàn)。但對(duì)熔點(diǎn)低、雜 質(zhì)少、塑性好的金屬，如鋁和銅等有色金屬及質(zhì)少、塑性好的金屬，如鋁和銅等有色金屬及 其合金等，則希望得到柱狀晶粒組織，這些金其合金等，則希望得到柱狀晶粒組織，這些金 屬即使全部是柱狀晶，也可進(jìn)行熱軋和熱鍛等。屬即使全部是柱狀晶，也可進(jìn)行熱軋和熱鍛等。 一般是純金屬、澆注溫度高、澆注速度快和使一般是純金屬、澆注溫度高、澆注速度快和使 用金屬模時(shí)易得到柱狀晶組織。用金屬模時(shí)易得到柱狀晶組織。 3.3.中心粗等軸晶粒區(qū)中心粗等軸晶粒區(qū) 隨著柱狀晶粒區(qū)的發(fā)展，散熱條件變慢，同時(shí)隨著柱狀晶粒區(qū)的發(fā)展，散熱條件變慢，同時(shí) 由于大量柱狀晶粒區(qū)的形成，放出潛熱，結(jié)果由于大量

9、柱狀晶粒區(qū)的形成，放出潛熱，結(jié)果 在柱狀晶粒區(qū)的前沿部位溫度升高，致使剩余在柱狀晶粒區(qū)的前沿部位溫度升高，致使剩余 液體金屬的溫度變得更為均勻。當(dāng)液態(tài)金屬達(dá)液體金屬的溫度變得更為均勻。當(dāng)液態(tài)金屬達(dá) 到一定過冷度時(shí)出現(xiàn)晶核，并向各方向長(zhǎng)大，到一定過冷度時(shí)出現(xiàn)晶核，并向各方向長(zhǎng)大， 冷卻速度慢，結(jié)果形成等軸粗大晶粒區(qū)。冷卻速度慢，結(jié)果形成等軸粗大晶粒區(qū)。 優(yōu)點(diǎn)：晶粒間晶枝彼此互相插入，交叉結(jié)合很牢固，優(yōu)點(diǎn)：晶粒間晶枝彼此互相插入，交叉結(jié)合很牢固， 沒有明顯弱面，性能均勻，無方向性。沒有明顯弱面，性能均勻，無方向性。 缺點(diǎn)：因有枝晶存在，顯微空洞多，密度稍差。一般缺點(diǎn)：因有枝晶存在，顯微空洞多，密度

10、稍差。一般 情況下，金屬特別是鋼鐵鑄錠和鑄件要求得到這樣的情況下，金屬特別是鋼鐵鑄錠和鑄件要求得到這樣的 組織。澆注溫度低，冷卻速度小，有利于截面溫度均組織。澆注溫度低，冷卻速度小，有利于截面溫度均 勻，可促進(jìn)等軸晶粒區(qū)的形成。勻，可促進(jìn)等軸晶粒區(qū)的形成。 影響鑄錠中柱狀晶區(qū)所占比例的因素影響鑄錠中柱狀晶區(qū)所占比例的因素 主要有以下主要有以下3 3個(gè)方面：個(gè)方面： 1.1.鑄錠模的冷卻能力；鑄錠模的冷卻能力； 2.2.澆注溫度和澆注速度；澆注溫度和澆注速度； 3.3.熔化溫度。熔化溫度高，非金屬夾雜熔化溫度。熔化溫度高，非金屬夾雜 質(zhì)熔解得越多，非均勻晶核數(shù)目減少，質(zhì)熔解得越多，非均勻晶核數(shù)目

11、減少， 有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。 4.細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施 晶粒度晶粒度 表示晶粒大小，分表示晶粒大小，分8 8級(jí)級(jí)（p111)p111)。 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象 比較：比較： 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化-強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化-強(qiáng)度、硬度強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性，塑性、韌性 細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施 1.1.提高過冷度提高過冷度 2.2.變質(zhì)處理變質(zhì)處理 3.3.振動(dòng)結(jié)晶振動(dòng)結(jié)晶 4. 4. 電磁攪拌電磁攪拌 （1 1）提高過冷度）提高過冷度 形核率形核率N 、

12、長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度G 與與 過冷度過冷度T 的關(guān)系的關(guān)系 T G，N G N （2 2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理 在液體金屬中加入在液體金屬中加入變質(zhì)劑變質(zhì)劑( (孕育劑孕育劑) )，以細(xì)化晶粒和改善組織以細(xì)化晶粒和改善組織 的工藝措施。的工藝措施。 變質(zhì)劑的作用變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大。作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大。 （3 3）振動(dòng)結(jié)晶）振動(dòng)結(jié)晶 振動(dòng)的作用振動(dòng)的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。 機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。 （4 4）電磁攪拌）電磁攪拌 將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交

13、變的電磁將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變的電磁 場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液體金屬會(huì)翻滾場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液體金屬會(huì)翻滾 起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝， 增加了結(jié)晶的核心。增加了結(jié)晶的核心。 2.2.1.2.2.1.二元合金的結(jié)晶二元合金的結(jié)晶 2.2.22.2.2合金的性能與相圖的關(guān)系合金的性能與相圖的關(guān)系 2.2.32.2.3鐵碳合金的結(jié)晶鐵碳合金的結(jié)晶 2.2 2.2 合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 1 1勻晶相圖勻晶相圖 2 2共晶相圖共晶相圖 3 3包晶相圖包晶相圖 4 4共析相圖共析相圖 2.2.12.2.1二元合金的結(jié)晶二元合金的結(jié)晶 1 1勻

14、晶相圖勻晶相圖 相圖相圖（平衡圖、狀態(tài)圖）（平衡圖、狀態(tài)圖） 平衡條件下，合金的相狀態(tài)與溫度、成份間關(guān)系的圖形。平衡條件下，合金的相狀態(tài)與溫度、成份間關(guān)系的圖形。 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ 銅-鎳合金勻晶相圖 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ 純銅純銅 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 純鎳純鎳 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 液相線液相線 固相線固相線 液相區(qū)液相區(qū) 固相區(qū)固相區(qū) 液固兩相區(qū)液固兩相區(qū) 勻晶合金的

15、結(jié)晶過程勻晶合金的結(jié)晶過程 a b c d T,C t L L L 勻晶轉(zhuǎn)變 L 冷卻曲線 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ 勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個(gè)勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個(gè) 恒定的熔點(diǎn)，而是在液、固相線劃定恒定的熔點(diǎn)，而是在液、固相線劃定 的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。 杠桿定律杠桿定律 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ 1 2 a c b a1 b1

16、c1 T1 T2 1. 1. 在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì) 應(yīng)每一確定的溫度，應(yīng)每一確定的溫度， 兩相的成分是確定的。兩相的成分是確定的。 2. 2. 隨著溫度的降低，隨著溫度的降低， 兩相的成分分別沿液兩相的成分分別沿液 相線和固相線變化。相線和固相線變化。 杠桿定律杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì) 應(yīng)每一確定的溫度應(yīng)每一確定的溫度T1T1，兩相兩相 質(zhì)量的比值是確定的。即質(zhì)量的比值是確定的。即 QL/Q=b1c1/a1b1 杠桿定律推論：杠桿定律推論：在兩在兩 相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)溫度相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)溫度T1T1 時(shí)兩相在合金時(shí)兩相在合金b b中的相中的相 對(duì)質(zhì)量各為對(duì)質(zhì)量各為 Q QL L/Q

17、/QH H=b=b1 1c c1 1/a/a1 1c c1 1 Q Q /Q/QH H=a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1 =1- =1- Q QL L/Q/QH H 例：求例：求30%30%NiNi合金在合金在1280 1280 時(shí)時(shí) 相的相對(duì)量相的相對(duì)量 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ a c 30 a1 b1 c1 1280 C 解：作成分線和 溫度線如圖。 6618 根據(jù)杠桿定律推 論， Q Q / / Q QH H = = a a1 1b b1 1 /a /

18、a1 1c c1 1 =12/48=1/4=12/48=1/4 答：所求合金在 1280 時(shí)相的 相對(duì)質(zhì)量為1/4。 2 2共晶相圖共晶相圖 PbSn Sn% T, C 鉛-錫合金共晶相圖 液相線液相線 L 固相線固相線 + L + L + 固溶線固溶線 固溶線固溶線 共晶轉(zhuǎn)變分析共晶轉(zhuǎn)變分析 PbSn T, C L + L + L + 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線 表示從表示從c點(diǎn)到點(diǎn)到e點(diǎn)點(diǎn) 范圍的合金，在范圍的合金，在 該溫度上都要發(fā)該溫度上都要發(fā) 生不同程度上的生不同程度上的 共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)。 ce 共晶點(diǎn)共晶點(diǎn) 表示表示d點(diǎn)成分的合點(diǎn)成分的合 金冷卻到此溫度金冷卻到此溫度 上發(fā)生完全的共

19、上發(fā)生完全的共 晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。 d Ld c + e 共晶反應(yīng)要點(diǎn)共晶反應(yīng)要點(diǎn) Pb Sn T, C L + L + L + 183 c e d 共晶轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行。共晶轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行。 轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。 存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。 成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。 X1合金結(jié)晶過程分析合金結(jié)晶過程分析 c e f g X1 T, C t L L L L+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1 2 3 4 Pb Sn T,

20、C L + L + L + 183 c e d X1合金合金I結(jié)晶特點(diǎn)結(jié)晶特點(diǎn) T, C t L L L L+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1.沒有共晶反應(yīng)過程，沒有共晶反應(yīng)過程， 而是經(jīng)過勻晶反應(yīng)形成而是經(jīng)過勻晶反應(yīng)形成 單相單相 固相。固相。 2.要經(jīng)過脫溶反應(yīng)，要經(jīng)過脫溶反應(yīng)， 室溫室溫 組織組成物組織組成物為為 + 組織組成物組織組成物 組織中，由一定的相構(gòu)成 的，具有一定形態(tài)特征的 組成部分。 X2合金合金結(jié)晶過程分析結(jié)晶過程分析 （共晶合金共晶合金） X2 T, C t L ( + ) L ( + ) L L( + ) 共晶體共晶體 冷卻曲線冷卻曲線 ( + ) Pb Sn T, C L

21、 + L + L + 183 c e d X3合金合金結(jié)晶過程分析結(jié)晶過程分析 （亞共晶合金亞共晶合金） X3 T, C t L L+ ( + )+ + 1 2( + )+ Pb Sn T, C L + L + L + 183 c e d L+( + )+ 標(biāo)注了組織組成物的相圖標(biāo)注了組織組成物的相圖 3 3包晶相圖包晶相圖 包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變： Ld + c e Pt Ag Ag% T, C 鉑-銀合金包晶相圖 L + L + L + c e d fg T, C t L L + L + + 4. 4. 共析相圖共析相圖 共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變： ( + ) 共析體共析體 A B T, C + + +

22、 c e d L + L 2.2.2 相圖與性能的關(guān)系 合金的使用性能與相圖的關(guān)系合金的使用性能與相圖的關(guān)系 固溶體中溶質(zhì)濃度固溶體中溶質(zhì)濃度 強(qiáng)度、硬度強(qiáng)度、硬度 組織組成物的形態(tài)對(duì)強(qiáng)度影響很大。組織越細(xì)密，強(qiáng)度越高。組織組成物的形態(tài)對(duì)強(qiáng)度影響很大。組織越細(xì)密，強(qiáng)度越高。 2. 2. 合金的工藝性能與相圖的關(guān)系合金的工藝性能與相圖的關(guān)系 鑄造性能鑄造性能 液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈?。ㄈ缃咏簿С煞值暮辖穑?，液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈?。ㄈ缃咏簿С煞值暮辖穑?， 則流動(dòng)性好，不易形成分散縮孔。則流動(dòng)性好，不易形成分散縮孔。 鍛造、軋制性能鍛造、軋制性能 單相固溶體合金，單相固溶體

23、合金， 變形抗力小，變形均勻，變形抗力小，變形均勻， 不易開裂。不易開裂。 1 1鐵碳相圖鐵碳相圖 2 2結(jié)晶過程結(jié)晶過程 3 3成分成分- -組織組織- -性能關(guān)系性能關(guān)系 4 4Fe-Fe3 CFe-Fe3 C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用 2.2.3鐵碳合金的結(jié)晶 1 1鐵碳相圖鐵碳相圖 ( (Fe-FeFe-Fe3 3 C C相圖相圖) ) (1) (1) Fe-FeFe-Fe3 3 C C相圖的組元相圖的組元 Fe Fe FeFe、-Fe (bcc) -Fe (bcc) 和和-Fe (fcc)-Fe (fcc) 強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑性好。強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑性好。 FeFe3 3 C C

24、熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。 (2) (2) Fe-FeFe-Fe3 3 C C相圖的相相圖的相 FeFe3 3 C C （ Cem Cem， Cm Cm，滲碳體）滲碳體） 復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu) 液相液相 L L 相相 （高溫鐵素體（高溫鐵素體 ） FeFe（C C）固溶體固溶體 相（相（A A ，奧氏體）奧氏體） -Fe-Fe（C C）固溶體固溶體 相相 （F F，鐵素體）鐵素體） -Fe-Fe（C C）固溶體固溶體 (3) (3) 相圖中重要的點(diǎn)和線相圖中重要的點(diǎn)和線 液相線液相線ABCDABCD 固相線固相線AHJECFAHJECF 包晶線

25、包晶線 HJB，包晶點(diǎn)包晶點(diǎn) J 共晶線 ECF，共晶點(diǎn)C L4.3(A2.11+Fe3C) 高溫萊氏體,Le或Ld 共析線 PSK，共析點(diǎn)S A0.77(F0.02+Fe3C) 珠光體, P ES線：C在A中的固溶線 PQ線：C在F中的固溶線 2 2鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程 Fe-C 合金分類合金分類 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 C % 0.0218 %C % 0.0218 % 鋼鋼 0.0218 % 0.0218 % C % 2.11 %C % 2.11 % 亞共析鋼亞共析鋼 0.77 % 0.77 % 共析鋼共析鋼 0.77 % 0.77 % 過共析鋼過共析鋼 0.77 % 0

26、.77 % 白口鑄鐵白口鑄鐵 2.11 % 2.11 % C % C % 6.69 % 6.69 % 亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 4.3 % 4.3 % 共晶白口鐵共晶白口鐵 4.3 % 4.3 % 過共晶白口鐵過共晶白口鐵 4.3 % 4.3 % 幾種幾種 常見常見 碳鋼碳鋼 (1)(1)工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 ( ( C % 0.0218 % )C % 0.0218 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程 室溫組織室溫組織 F F + + FeFe3 3C C (微量) 500500 (2)(2)共析鋼共析鋼 ( C % = 0.77 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程 室溫組織室溫組織: : 層片狀層片狀 P P ( (

27、F F + + 共析共析 FeFe3 3C C ) ) 500500 P中各相的相對(duì)量： Fe3C % = ( 0.77 xF ) / ( 6.69 xF ) 0.77 / 6.69 = 12 % F % 1 12 % = 88 % 珠光體珠光體 強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于 Fe3C 和 F 之間。 (3)(3)亞共析鋼亞共析鋼 ( C % = 0.4 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程 室溫組織室溫組織: : F F + + P P，500500 各組織組成物的相對(duì)量： P % = ( 0.4 0.0218 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 % F % 1 51 % = 49 % 各相的

28、相對(duì)量： Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 % F % 1 6 % = 94 % (4)(4)過共析鋼過共析鋼 ( C % = 1.2 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程 室溫組織室溫組織: : P P + + FeFe3C CII 4 40000 各組織組成物的相對(duì)量： Fe3CII % = ( 1.2 0.77 ) / ( 6.69 0.77 ) 7 % P % 1 7 % = 93 % 各相的相對(duì)量： Fe3CII % 1.2 / 6.69 = 18 % F % 1 18 % = 82 % (5)(5)共晶白口鐵共晶白口鐵 ( ( C % C % = = 4.3 % 4.3 % ) )結(jié)晶

29、過程結(jié)晶過程 室溫組織室溫組織: : （低溫）（低溫）萊氏體萊氏體 LeLe （P + FeP + Fe3C CII + + 共晶共晶 FeFe3C C ）, 5, 50000 萊氏體萊氏體 LeLe的性能的性能：硬而脆硬而脆 ( () )亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 ( ( 2.11 %C % 4.2.11 %C % 4.3 % 3 % ) )結(jié)晶過程結(jié)晶過程 室溫組織室溫組織: : LeLe+ + P P + + FeFe3C CII 2 20000 ( (7)7)過共晶白口鐵過共晶白口鐵 ( ( 4.3 %C % 6.69 % )4.3 %C % 6.69 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程 室溫組織室

30、溫組織: : LeLe+ + FeFe3C CI 5 50000 標(biāo)注了組織組成物的相圖標(biāo)注了組織組成物的相圖 3 3鐵碳合金的鐵碳合金的 成分成分- -組織組織- -性能關(guān)系性能關(guān)系 含碳量與相的相對(duì)量關(guān)系含碳量與相的相對(duì)量關(guān)系： C C %F%F %，F(xiàn)eFe3 3C C % 含碳量與組織關(guān)系：含碳量與組織關(guān)系： 圖（圖（a a）和（和（b b） 含碳量與性能關(guān)系含碳量與性能關(guān)系 HBHB：取決于相及相對(duì)量取決于相及相對(duì)量 強(qiáng)度：強(qiáng)度：C%=0.9% C%=0.9% 時(shí)最大時(shí)最大 塑性、韌性：隨塑性、韌性：隨C%C%而而 4 4鐵碳相圖的應(yīng)用鐵碳相圖的應(yīng)用 鋼鐵選材：鋼鐵選材：相圖相圖性能

31、性能用途用途 局限性局限性 相圖反映的是平衡狀態(tài)，與實(shí)際情況有較大差異。相圖反映的是平衡狀態(tài)，與實(shí)際情況有較大差異。 鑄件選材和確定澆注溫度鑄件選材和確定澆注溫度 確定鍛造溫度確定鍛造溫度( ( 在在 A A 區(qū)）區(qū)） 制定熱處理工藝制定熱處理工藝 例如例如; ;建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性 好的材料，因此宜選用含碳量較低的鋼材。好的材料，因此宜選用含碳量較低的鋼材。 一些要求強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的機(jī)械零一些要求強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的機(jī)械零 件則應(yīng)選用含碳量適中的中碳鋼。各種工具件則應(yīng)選用含碳量適中的中碳鋼。各種工具 要用硬度高和耐磨性好的材料，則應(yīng)該選

32、擇要用硬度高和耐磨性好的材料，則應(yīng)該選擇 含碳量較高的鋼種。含碳量較高的鋼種。 純鐵強(qiáng)度低，不宜做結(jié)構(gòu)材料，但其導(dǎo)磁純鐵強(qiáng)度低，不宜做結(jié)構(gòu)材料，但其導(dǎo)磁 率高，嬌頑力低，可做軟磁材料，如電磁率高，嬌頑力低，可做軟磁材料，如電磁 鐵的鐵心。白口鑄鐵硬度高，脆性大，不鐵的鐵心。白口鑄鐵硬度高，脆性大，不 能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性和能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性和 鑄造性能優(yōu)良，適用作要求耐磨、不受沖鑄造性能優(yōu)良，適用作要求耐磨、不受沖 擊、形狀復(fù)雜的鑄件。如拔絲模、冷軋輥、擊、形狀復(fù)雜的鑄件。如拔絲模、冷軋輥、 貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。 鑄造工藝：

33、鑄造工藝：澆注溫度一般在液相線以上澆注溫度一般在液相線以上50-10050-100度。度。 從相圖看，純鐵和共晶成分的鐵碳合金由于凝固從相圖看，純鐵和共晶成分的鐵碳合金由于凝固 溫度區(qū)間小，因而流動(dòng)性好，分散縮孔少，可使溫度區(qū)間小，因而流動(dòng)性好，分散縮孔少，可使 縮孔集中在冒口內(nèi)，易于獲得致密鑄件。另外，縮孔集中在冒口內(nèi)，易于獲得致密鑄件。另外， 共晶成分合金溫度較低，因此在鑄造生產(chǎn)中接近共晶成分合金溫度較低，因此在鑄造生產(chǎn)中接近 于共晶成分的鑄鐵得到較廣泛的應(yīng)用。于共晶成分的鑄鐵得到較廣泛的應(yīng)用。 鑄鋼也是常用的鑄造合金，含碳量一般在鑄鋼也是常用的鑄造合金，含碳量一般在 0.15%0.15%

34、0.6%0.6%之間。但從相圖的分析看出，鑄鋼之間。但從相圖的分析看出，鑄鋼 的鑄造性能并不理想。首先鑄鋼的凝固溫度區(qū)間的鑄造性能并不理想。首先鑄鋼的凝固溫度區(qū)間 較大，因此流動(dòng)性較差，容易形成分散縮孔，而較大，因此流動(dòng)性較差，容易形成分散縮孔，而 且偏析傾向比較嚴(yán)重。此外，鑄鋼的澆鑄溫度也且偏析傾向比較嚴(yán)重。此外，鑄鋼的澆鑄溫度也 比鑄鐵高得多。比鑄鐵高得多。 熱鍛熱扎工藝：熱鍛熱扎工藝：鋼處于奧氏體狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較低、鋼處于奧氏體狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較低、 塑性較好。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線塑性較好。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線 以下以下100100200200度范圍內(nèi)，溫度高時(shí)，鋼的變形度范圍內(nèi)，溫度高時(shí)，鋼的變形 抗力小，節(jié)約能源，設(shè)備要求的噸位低，但溫抗力小，節(jié)約能源，設(shè)備要求的噸位低，但溫 度不能過高，防止鋼材嚴(yán)重