材料的凝固與鐵碳合金相圖

材料的凝固與鐵碳合金相圖第1頁/共129頁第2頁/共129頁第3頁/共129頁

晶粒大小對(duì)金屬性能的影響常溫下，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，因而金屬的強(qiáng)度、硬度越高，同時(shí)塑性、韌性也越好，即細(xì)晶強(qiáng)化。晶粒大小與金屬強(qiáng)度的關(guān)系單晶葉片s=i+Kd-1/2室溫高溫第4頁/共129頁一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固，如凝固后形成晶體結(jié)構(gòu)，則稱為結(jié)晶。金屬在固態(tài)下通常都是晶體，所以金屬自液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，稱為金屬的結(jié)晶。它的實(shí)質(zhì)是原子從不規(guī)則排列狀態(tài)(液態(tài))過渡到規(guī)則排列狀態(tài)(晶體狀態(tài))的過程。玻璃制品水晶第5頁/共129頁冷卻曲線與過冷冷卻曲線:金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的.

純金屬的冷卻曲線第6頁/共129頁2、過冷與過冷度純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。霧凇第7頁/共129頁液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差T稱過冷度T=T0–T1過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。第8頁/共129頁2、結(jié)晶過程1、結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個(gè)基本過程組成.液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶胚。

在T0以下,經(jīng)一段時(shí)間后(即孕育期),一些大尺寸的晶胚將會(huì)長大，稱為晶核。第9頁/共129頁晶核形成后便向各方向生長，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。第10頁/共129頁2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即自發(fā)形核和非自發(fā)形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱自發(fā)形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非自發(fā)形核。非自發(fā)形核更為普遍。均勻形核第11頁/共129頁晶核的長大方式晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。均勻長大樹枝狀長大的實(shí)際觀察第12頁/共129頁實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大.這是由于存在負(fù)溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。第13頁/共129頁樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第14頁/共129頁3.1.2晶粒大小及控制方法1、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度?？捎镁Я５钠骄娣e或平均直徑表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)來表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來評(píng)級(jí)。第15頁/共129頁2、影響晶核形成和長大的因素晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長大速度。過冷度對(duì)N、G的影響單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時(shí)間內(nèi)晶核生長的長度叫長大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小.因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長大的因素，都能細(xì)化晶粒.第16頁/共129頁3、控制晶粒度的方法⑴控制過冷度：隨過冷度增加，N/G值增加，晶粒變細(xì)。⑵變質(zhì)處理：又稱孕育處理。即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑（或稱孕育劑）。第17頁/共129頁1影響晶核形成和長大的因素(1)過冷度的影響(2)未熔雜質(zhì)的影響2鑄態(tài)金屬晶粒細(xì)化的方法(1)增大過冷度(2)變質(zhì)處理(3)振動(dòng)、攪拌第18頁/共129頁Al-Si合金組織緩冷快冷未變質(zhì)變質(zhì)第19頁/共129頁鑄鐵變質(zhì)處理前后的組織變質(zhì)處理前變質(zhì)處理后變質(zhì)處理使組織細(xì)化。變質(zhì)劑為硅鐵或硅鈣合金。第20頁/共129頁電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖⑶振動(dòng)、攪拌等：對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。第21頁/共129頁氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子的宏觀組織(縱截面)細(xì)晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)第22頁/共129頁3.1.3金屬鑄態(tài)組織在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。鑄錠(件)的組織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響。第23頁/共129頁圖3-4鋼錠組織的示意圖（1－表面細(xì)晶粒層；2－柱狀晶粒區(qū)；3－心部粗等軸晶粒區(qū)第24頁/共129頁⑴表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。鑄錠(件)的宏觀組織通常由三個(gè)區(qū)組成:第25頁/共129頁⑵柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長而形成柱狀晶區(qū)。第26頁/共129頁⑶中心粗等軸晶區(qū):由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度T1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。第27頁/共129頁圖3-6鑄錠中強(qiáng)度較差的區(qū)域第28頁/共129頁3.1.4、鑄造缺陷鑄造缺陷的類型較多，常見的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點(diǎn)等，它們對(duì)性能是有害的?？s孔第29頁/共129頁圖3-7圓柱形鑄件中縮孔的形成第30頁/共129頁⑵氣孔:氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠(件)中的氣泡.鑄錠中的封閉的氣孔可在熱加工時(shí)焊合，張開的氣鑄件中的氣孔孔需要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則只能報(bào)廢?？s松第31頁/共129頁⑶偏析：合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄錠(件)在結(jié)晶時(shí),由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成宏觀上的成分不均勻，稱宏觀偏析。適當(dāng)控制澆注溫度和結(jié)晶速度可減輕宏觀偏析。硫在鋼錠中偏析的模擬結(jié)果返回第32頁/共129頁第二節(jié)

二元合金相圖1、二元相圖的建立2、相組成分析與杠桿定律3、二元相圖的基本類型4、二元?jiǎng)蚓鄨D5、二元共晶相圖6、二元包晶相圖7、具有共析反應(yīng)的二元相圖8、二元相圖的分析步驟第33頁/共129頁合金的結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜，常用相圖進(jìn)行分析.相圖是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過程的簡明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖通常以溫度和成分為獨(dú)立變量。第34頁/共129頁合金系是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。組元是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素。但對(duì)于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元,如Fe-C合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相圖L成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi第35頁/共129頁相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。Fe-C二元相圖三元相圖第36頁/共129頁二元相圖的建立步驟為：[以Cu-Ni合金(白銅)為例]1.配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點(diǎn)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。2.將臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度—成分坐標(biāo)中的成分垂線上。3.將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。相圖中，結(jié)晶開始點(diǎn)的連線叫液相線。結(jié)晶終了點(diǎn)的連線叫固相線。3.2.1二元相圖的建立幾乎所有的相圖都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。第37頁/共129頁圖3-8用熱分析法測定Cu—Ni相圖第38頁/共129頁3.2.2相組成分析與杠桿定律處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量。現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：①確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度t

的o點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。12t第39頁/共129頁

杠桿定律示意圖第40頁/共129頁則QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長度。②確定兩平衡相的相對(duì)重量設(shè)合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q。第41頁/共129頁上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。例（如圖）第42頁/共129頁Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時(shí)間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴(kuò)散退火。第43頁/共129頁隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時(shí)，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。第44頁/共129頁⑴合金的結(jié)晶過程除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過程相似，以Ⅰ合金為例說明。當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到t1溫度時(shí)，開始結(jié)晶出成分為1的固溶體，其Ni含量高于合金平均成分LL+第45頁/共129頁成分變化是通過原子擴(kuò)散完成的。當(dāng)合金冷卻到t3時(shí)，最后一滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時(shí)

固溶體的成分又變回到合金成分3上來。液固相線不僅是相區(qū)分界線,也是結(jié)晶時(shí)兩相的成分變化線；勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。第46頁/共129頁3.2.3二元相圖的基本類型兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖稱二元?jiǎng)蚓鄨D。以Cu-Ni合金為例進(jìn)行分析。

Cu-Ni合金相圖1、二元?jiǎng)蚓鄨D第47頁/共129頁相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個(gè)相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L，固相線以下為固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+）。

LL+成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi液相線固相線第48頁/共129頁合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實(shí)際冷速較快，結(jié)晶時(shí)固相中的原子來不及擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。⑶枝晶偏析第49頁/共129頁枝晶偏析對(duì)材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、工藝性能都不利。生產(chǎn)上為了消除其影響，常把合金加熱到高溫(低于固相線100℃左右)，并進(jìn)行長時(shí)間保溫，使原子充分?jǐn)U散，獲得成分均勻的固溶體，這種處理稱為擴(kuò)散退火。第50頁/共129頁2、二元共晶相圖當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作共晶相圖。以Pb-Sn相圖為例進(jìn)行分析。Pb-Sn合金相圖成分（wt%Sn）溫度（℃）PbSn第51頁/共129頁⑴相圖分析①相：相圖中有L、、三種相,是溶質(zhì)Sn在Pb中的固溶體，是溶質(zhì)Pb在Sn中的固溶體。②相區(qū)：相圖中有三個(gè)單相區(qū)：L、、；三個(gè)兩相區(qū)：L+、L+、+；一個(gè)三相區(qū)：即水平線CED。AB第52頁/共129頁④固溶線:溶解度點(diǎn)的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。③液固相線：液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點(diǎn)。AB第53頁/共129頁在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。。

⑤共晶線：水平線CED叫做共晶線。在共晶線對(duì)應(yīng)的溫度下（183

℃），E點(diǎn)成分的合金同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的固溶體和D點(diǎn)成分的固溶體，形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物：LE

?(C+D)AB第54頁/共129頁共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。Pb-Sn共晶組織共晶體長大示意圖Sn原子擴(kuò)散Pb原子擴(kuò)散第55頁/共129頁具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金，位于共

晶點(diǎn)以右的合金稱過共晶合金。凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)。L+CDAB第56頁/共129頁⑵合金的結(jié)晶過程①含Sn量小于C點(diǎn)合金(Ⅰ合金)的結(jié)晶過程在3點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相固溶體，這種直接從液相中結(jié)晶出的固相稱一次相或初生相。.2第57頁/共129頁溫度降到3點(diǎn)以下，固溶體被Sn過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相—相。由已有固相析出的新固相稱二次相或次生相。形成二次相的過程稱二次析出,是固態(tài)相變的一種。H第58頁/共129頁由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。室溫下Ⅱ的相對(duì)重量百分比為：由析出的二次用Ⅱ

表示。隨溫度下降，和相的成分分別沿CF線和DG線變化，Ⅱ的重量增加。第59頁/共129頁Ⅰ合金室溫組織為

+Ⅱ

。成分大于D點(diǎn)合金結(jié)晶過程與Ⅰ合金相似，室溫組織為

+

Ⅱ。ABCDEFG第60頁/共129頁②共晶合金(Ⅱ合金)的結(jié)晶過程液態(tài)合金冷卻到E點(diǎn)時(shí)同時(shí)被Pb和Sn飽和,發(fā)生共晶反應(yīng)：LE?(C+D)。19.2wt%Sn溫度,℃1’第61頁/共129頁層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織析出過程中兩相相間形核、互相促進(jìn)、共同長大，因而共晶組織較細(xì)，呈片、棒、點(diǎn)球等形狀。第62頁/共129頁在共晶轉(zhuǎn)變過程中，L、、三相共存,三個(gè)相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。共晶組織中的相稱共晶相.共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，和相的相對(duì)重量百分比為：E(61.9)D(97.5)C(19.2)第63頁/共129頁共晶結(jié)束后，隨溫度下降，和的成分分別沿CF線和DG線變化，并從共晶中析出Ⅱ

，從共晶中析出Ⅱ

，由于共晶組織細(xì)，Ⅱ與共晶結(jié)合，Ⅱ與共晶

結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為(+)共晶體。Pb-Sn共晶合金組織試問：室溫下兩相的相對(duì)重量百分比是多少？第64頁/共129頁③亞共晶合金(Ⅲ合金)的結(jié)晶過程合金液體在2點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點(diǎn)，固相成分變化到C點(diǎn)，液相成分變化到E點(diǎn),

此時(shí)兩相的相對(duì)重量為：第65頁/共129頁在2點(diǎn)，具有E點(diǎn)成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)：

L?(+)

，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)變前的液相重量相等,即QE=QL反應(yīng)結(jié)束后，在共晶溫度下、

兩相的相對(duì)重量百分比為：第66頁/共129頁溫度繼續(xù)下降，將從一次

和共晶

中析出Ⅱ，從共晶

中析出Ⅱ。其室溫組織為Ⅰ+(+)+Ⅱ。亞共晶合金的結(jié)晶過程第67頁/共129頁3、二元包晶相圖當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作包晶相圖。以Pt-Ag相圖為例簡要分析L+L+L+⑴相圖分析單相區(qū)：L、、β二相區(qū)：L+、L+、+三相區(qū)：L++

（水平線PDC）第68頁/共129頁在一定溫度下，由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一新固相的反應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。水平線PDC稱包晶線，與該線成分對(duì)應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)：αc+Ld?βe該反應(yīng)是液相L包著固相,新相β在L與α的界面上形核，并向L和兩個(gè)方向長大。第69頁/共129頁共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。4、具有共析反應(yīng)的二元相圖共析反應(yīng)(共析轉(zhuǎn)變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。第70頁/共129頁實(shí)際二元相圖往往比較復(fù)雜，可按下列步驟進(jìn)行分析。⒈分清相圖中包括哪些基本類型相圖⒉確定相區(qū)⑴相區(qū)接觸法則相鄰兩個(gè)相區(qū)的相數(shù)差為1⑵單相區(qū)的確定①液相線以上為液相區(qū)；5、二元相圖的分析步驟Fe-Fe3C相圖第71頁/共129頁②靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基單相固溶體區(qū)；③相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可能是相區(qū)分界線；④相圖中部出現(xiàn)的成分可變的單相區(qū)是以化合物為基的單相固溶體區(qū)；⑤相圖中每一條水平線必定與三個(gè)單相區(qū)點(diǎn)接觸。Cu-Zn相圖+第72頁/共129頁⑶兩相區(qū)的確定：兩個(gè)單相區(qū)之間夾有一個(gè)兩相

區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩相鄰單相區(qū)的相組成。⑷三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三個(gè)相由與該三相區(qū)點(diǎn)接觸的三個(gè)單相區(qū)的相組成。Fe-Fe3C相圖第73頁/共129頁恒溫下由一個(gè)固相同時(shí)析出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的新固相。

?

+共析反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一個(gè)新的固相。L

+

?包晶反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的新固相。L?+共晶反應(yīng)說明反應(yīng)式圖形特征反應(yīng)名稱常見三相等溫水平線上的反應(yīng)第74頁/共129頁3.3相圖與合金性能之間的關(guān)系1.合金的使用性能與相圖的關(guān)系第75頁/共129頁①兩相機(jī)械混合物的合金:性能與合金成分呈直線關(guān)系，是兩相性能的算術(shù)平均值，如：混=?Q

+β?Qβ

HB混=HB

?Q

+HBβ?Qβ(Q

、Qβ為兩相相對(duì)重量)第76頁/共129頁②單相固溶體的合金：性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)含量增加，σ、HB、增加，塑性下降。③形成穩(wěn)定化合物的合金：性能-成分曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。第77頁/共129頁2．合金的工藝性能與相圖的關(guān)系第78頁/共129頁①固溶體合金液固相線間距越大、偏析傾向大,樹枝晶發(fā)達(dá),流動(dòng)性降低,補(bǔ)縮能力下降,分散縮孔增加。②共晶合金結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性好，縮孔集中，偏析小，鑄造性能好第79頁/共129頁3.4鐵碳合金的結(jié)晶鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量為0.0218%~2.11%的稱鋼含碳量為2.11%~6.69%的稱鑄鐵。第80頁/共129頁鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)用價(jià)值。實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→第81頁/共129頁3.4.1純鐵的組織和性能鐵同其他一些金屬（如Co、Ti、Mn、Sn）在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)的變化，從一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格。金屬在固態(tài)下有一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（又稱同素異晶轉(zhuǎn)變）δ-Fe1394℃γ-Fe912℃α-Fe

體心立方）（面心立方）（體心立方）第82頁/共129頁1.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第83頁/共129頁鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ),是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù).第84頁/共129頁2.純鐵的組織、性能和用途工業(yè)純鐵常含有0.10%～0.20%的雜質(zhì)，室溫下的組織為100%的α-Fe，具有體心立方結(jié)構(gòu)，其顯微組織是由許多晶粒組成。一般情況下，工業(yè)純鐵的強(qiáng)度很低(Rm=180～230MPa，ReL=100～170MPa)；塑性、韌性很好(A＝30％～50％，Z＝70％～80％，AK＝160～200J)；HBW=50～80利用它的磁性，例如制造儀器、儀表的鐵心等第85頁/共129頁3.4.2鐵碳合金的組成物與純鐵很相似，是強(qiáng)度和硬度低（Rm≈250MPa，HBW=80）、塑性好（A=45～50%，Ak=160J）

鐵素體1鐵素體碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體,用F或

表示。第86頁/共129頁2奧氏體:碳在

-Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時(shí)最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強(qiáng)度低、塑性好，鋼材熱加工都在區(qū)進(jìn)行.碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體第87頁/共129頁⑶滲碳體：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強(qiáng)度低（＞800HBW），Rm=30MPa,

脆性大,塑性幾乎為零Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),該反應(yīng)對(duì)鑄鐵有重要意義。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體第88頁/共129頁滲碳體不易受硝酸酒精溶液的腐蝕，在顯微鏡下呈白亮色。它的顯微個(gè)組織形態(tài)很多，可呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀。滲碳體的大小、形態(tài)和分布對(duì)鋼的性能有很大影響。一次滲碳體：Fe3C直接從液體中結(jié)晶出來，呈板條狀分布。二次滲碳體：Fe3C從奧氏體中析出，并沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布。三次滲碳體：Fe3C從鐵素體中析出，并沿鐵素體晶界呈薄片狀分布。第89頁/共129頁共晶滲碳體萊氏體中的滲碳體。共析滲碳體珠光體中的滲碳體。上述滲碳體并無本質(zhì)區(qū)別，其含碳量、晶體結(jié)構(gòu)和本身的性質(zhì)均相同。第90頁/共129頁4．珠光體珠光體是滲碳體和鐵素體所組成的機(jī)械混合物。常用符號(hào)P表示。它是共析反應(yīng)：A0.77→F0.0218+Fe3C的產(chǎn)物。其力學(xué)性能介于滲碳體和鐵素體之間。它的強(qiáng)度較大，Rm≤750MPa；硬度HBW≈180；塑型A=20～35%；沖擊韌性Ak=24～32J。第91頁/共129頁5．萊氏體萊氏體是奧氏體和滲碳體或珠光體和滲碳體所組成的機(jī)械混合物，其性能與滲碳體相似，硬度很高（＞700HBW），強(qiáng)度較低，塑性、韌性很差。所以既不能壓力加工，也不能進(jìn)行且削加工，是白口鑄鐵的基本組織，得不到廣泛應(yīng)用第92頁/共129頁名稱符號(hào)綜合類型Rm/MPaHBWA/%Ak/J鐵素體F碳在α-Fe中的固溶體（體心立方晶格）25080～10045160奧氏體A碳在α-Fe中的固溶體（面心立方晶格）400160～20040～50—滲碳體Fe3C鐵和碳的化合物（復(fù)雜立方晶格）30800≈0珠光體P鐵素體和珠光體的共析體（機(jī)械混合物）75018024～32萊氏體Ld滲碳體和奧氏體的共晶體（機(jī)械混合物）—700——表3-3鐵碳合金基本組織的力學(xué)性能第93頁/共129頁3.4.3鐵碳合金相圖的分析?????LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

第94頁/共129頁⒉特征線⑴液相線—ABCD，固相線—AHJECF⑵三條水平線：HJB：包晶線LB+δH?

J

ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產(chǎn)物是與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作萊氏體,用Le表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體第95頁/共129頁P(yáng)SK：共析線

S

?FP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。第96頁/共129頁⑶其它相線GS,GP—

?

固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3線。HN,JN—δ?

固溶體轉(zhuǎn)變線，ES—碳在

-Fe中的固溶線。又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。第97頁/共129頁⑶三個(gè)三相區(qū)：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三條水平線

⒊相區(qū)⑴五個(gè)單相區(qū)：

L、、、、Fe3C⑵七個(gè)兩相區(qū):L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C第98頁/共129頁

典型合金的平衡結(jié)晶過程⑵鋼(0.0218~2.11%C)高溫組織為單相

①亞共析鋼

(0.0218~0.77%C)②共析鋼(0.77%C)③過共析鋼

(0.77~2.11%C)鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：⑴工業(yè)純鐵(<0.0218%C)組織為單相鐵素體。亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵第99頁/共129頁⑶白口鑄鐵

(2.11~6.69%C)

鑄造性能好,硬而脆①亞共晶白口鑄鐵

(2.11~4.3%C)②共晶白口鑄鐵(4.3%C)③過共晶白口鑄鐵

(4.3~6.69%C)第100頁/共129頁1)工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)椋?-4點(diǎn)間→，5-6點(diǎn)間→。到7點(diǎn)，從中析出Fe3C。NSJBHL+++

第101頁/共129頁

隨溫度下降，F(xiàn)e3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。室溫下Fe3CⅢ最大量為:

從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。第102頁/共129頁

共析鋼的結(jié)晶過程合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)椤５絊點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

S?P+Fe3C,

全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。第103頁/共129頁珠光體在光鏡下呈指紋狀.變結(jié)束時(shí)，珠光體中相的相對(duì)重量百分比為：珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。S點(diǎn)以下，共析中析出Fe3CⅢ，與共析Fe3C結(jié)合不易分辨。室溫組織為P.珠光體Q第104頁/共129頁室溫下，珠光體中兩相的相對(duì)重量百分比是多少？Q43219第105頁/共129頁

亞共析鋼的結(jié)晶過程0.09~0.53%C亞共析鋼冷卻時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng).以0.45%C的鋼為例合金在4點(diǎn)以前通過勻晶—包晶—?jiǎng)蚓Х磻?yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)?。?點(diǎn)，由中析出。到5點(diǎn),成分沿GS線變到S點(diǎn)，

發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，

中析出Fe3CⅢ，由于與共析Fe3C結(jié)合,且量少,忽略不計(jì).第106頁/共129頁利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量:

C%=P面積%×0.77%(忽略中含碳量，P面積%=QP)共析溫度下相的相對(duì)重量為：

組織組成物的相對(duì)重量為：

S’第107頁/共129頁室溫下相的相對(duì)重量百分比為：室溫下組織組成物的相對(duì)重量百分比為：S’第108頁/共129頁亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.0218~0.77%C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織第109頁/共129頁第110頁/共129頁

過共析鋼的結(jié)晶過程合金在1~2點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

,到3點(diǎn),開始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱二次滲碳體,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈網(wǎng)狀分布.溫度下降,Fe3CⅡ量增加。到4點(diǎn)，

成分沿ES線變化到S點(diǎn)，余下的轉(zhuǎn)變?yōu)镻。第111頁/共129頁過共析鋼室溫組織為P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量隨含碳量而增加,含碳量為2.11%時(shí),Fe3CⅡ量最大：含1.4%C鋼的組織第112頁/共129頁室溫下兩相的相對(duì)重量百分比：室溫下兩組織組成物的相對(duì)重量百分比：12345S’第113頁/共129頁5)共晶白口鐵的結(jié)晶過程合金冷卻到C點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體(Le),萊氏體是共晶

與共晶Fe3C的機(jī)械混合物,呈蜂窩狀.Fe3C第114頁/共129頁共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，兩相的相對(duì)重量百分比為:C點(diǎn)以下,

成分沿ES線變化，共晶

將析出Fe3CⅡ。Fe3CⅡ與共晶Fe3C

結(jié)合，不易分辨。1’2Fe3C第115頁/共129頁溫度降到2點(diǎn),

成分達(dá)到0.77%,此時(shí),相的相對(duì)重量:在2點(diǎn),共晶

發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由P與Fe3C組成的共晶體稱低溫萊氏體,用Le’表示.

2點(diǎn)以下，共晶體中P的變化同共析鋼。S第116頁/共129頁共晶白口鐵室溫組織為Le’(P+Fe3C),它保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征。室溫下兩相的相對(duì)重量百分比為：第117頁/共129頁6)亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程合金在1~2點(diǎn)間析出

。到2點(diǎn)，液相成分變到C點(diǎn),并轉(zhuǎn)變?yōu)長e。2~3點(diǎn)間從中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶襯托出來。到3點(diǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)镻。第118頁/共129頁亞共晶白口鐵室溫組織為