材料学导论课件：5 金属材料-相图.ppt

1、材料科学导论材料科学导论金属材料金属材料- -相图相图 金属材料的获得一般都是要经过对金属材料的获得一般都是要经过对矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后，再凝固成铸锭或细粉。并通过各种热，再凝固成铸锭或细粉。并通过各种热加工和冷加工获取成材或制件。由液态加工和冷加工获取成材或制件。由液态冷凝成固态是一个重要环节。金属材料冷凝成固态是一个重要环节。金属材料通常都是多晶体材料，所以金属由液态通常都是多晶体材料，所以金属由液态冷凝成固态的过程也是一种结晶过程。冷凝成固态的过程也是一种结晶过程。基本概念基本概念 凝固：凝固：一般非晶体由液态向固态转变一般非晶体由液态向固

2、态转变 的过程的过程 。结晶：结晶：由液态金属转变为固态晶体的由液态金属转变为固态晶体的过程。过程。 金金 属属 的的 结结 晶晶纯金属的冷却曲线（理想状态）纯金属的冷却曲线（理想状态）CT L ab S0a：结晶开始点结晶开始点 b：结晶终了点：结晶终了点金金 属属 的的 结结 晶晶纯金属的冷却曲线（实际）纯金属的冷却曲线（实际）C LT0T1S0T0T0：理论结晶温度：理论结晶温度T1T1：实际结晶温度：实际结晶温度 T = T0-T1T = T0-T1（过冷度）（过冷度） 纯金属结晶是在恒温下完成的。即冷却曲线纯金属结晶是在恒温下完成的。即冷却曲线中有一个平台。这是因为纯金属结晶会释放出

3、中有一个平台。这是因为纯金属结晶会释放出“潜潜热热”。而这潜热刚好弥补了金属液在冷却过程中向。而这潜热刚好弥补了金属液在冷却过程中向周围环境散发的热量。从而使结晶过程处于一个温周围环境散发的热量。从而使结晶过程处于一个温度的动平衡状态。度的动平衡状态。(实际上，对于纯金属其冷却曲实际上，对于纯金属其冷却曲线出现平台之前，还有一个相应的过冷现象，它为线出现平台之前，还有一个相应的过冷现象，它为开始结晶提供足够的动力。一旦结晶开始释放潜热开始结晶提供足够的动力。一旦结晶开始释放潜热，温度才回升到结晶温度平台上，温度才回升到结晶温度平台上)。当结晶结束，。当结晶结束，潜热释放也就结束，凝固了的金属随

4、着向环境不断潜热释放也就结束，凝固了的金属随着向环境不断散热，温度又逐渐下降。散热，温度又逐渐下降。金金 属属 的的 结结 晶晶合金的冷却曲线合金的冷却曲线Ca bLsL+s0a a：结晶开始点：结晶开始点 b b： 结晶终了点结晶终了点 合金的结晶是在一个合金的结晶是在一个温度范围内完成。温度范围内完成。 对一个合金系来说，除个别成分的合金同纯金对一个合金系来说，除个别成分的合金同纯金属一样有一个结晶温度之外，多数合金的结晶开始属一样有一个结晶温度之外，多数合金的结晶开始温度与结束温度是两个温度值。即结晶温度是一个温度与结束温度是两个温度值。即结晶温度是一个温度区间。而这个温度区间的大小与合

5、金的化学成温度区间。而这个温度区间的大小与合金的化学成分比有直接的关系。在测定冷却曲线时，人们发现分比有直接的关系。在测定冷却曲线时，人们发现，液态金属的冷却速度会影响结晶的开始和结束温，液态金属的冷却速度会影响结晶的开始和结束温度。当冷却速度非常慢度。当冷却速度非常慢(平衡态冷却速度平衡态冷却速度)时，对于时，对于成分一定的金属都有一个固定的结晶温度或结晶温成分一定的金属都有一个固定的结晶温度或结晶温度区间。度区间。当冷却速度增大时，则结晶温度或结晶温当冷却速度增大时，则结晶温度或结晶温度区间通常都要下降，而且下降的量随冷却速度加度区间通常都要下降，而且下降的量随冷却速度加大而增加。大而增加

6、。 对于合金对于合金(除固定成分外除固定成分外)，在结晶过程虽，在结晶过程虽然也释放潜热，但达不到温度的平衡，仅能使然也释放潜热，但达不到温度的平衡，仅能使结晶过程中冷速变慢，并不出现温度平台。即结晶过程中冷速变慢，并不出现温度平台。即结晶过程不是在恒温下进行，而是在一个温度结晶过程不是在恒温下进行，而是在一个温度区间中完成。区间中完成。金金 属属 的的 结结 晶晶结晶的必要条件结晶的必要条件-过冷度过冷度金属的结晶过程：金属的结晶过程： 原子团原子团 形核形核 晶核长大晶核长大 小晶粒小晶粒 晶粒（外形不规则的晶粒（外形不规则的小晶体）小晶体）晶核的形成晶核的形成 晶核的形成分为晶核的形成分

7、为均匀均匀( (自发自发) )成核和成核和非均非均匀匀成核。在均匀的液态母相中自发地形成新成核。在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程叫均匀成核，也叫相晶核的过程叫均匀成核，也叫自发成核自发成核。在液态母相随时都存在着瞬时近程有序的原在液态母相随时都存在着瞬时近程有序的原子集团子集团( (即结构起伏即结构起伏) )。这种原子集团在没有。这种原子集团在没有降到结晶温度之下时是不稳定的，时生时溶降到结晶温度之下时是不稳定的，时生时溶。而当有了一定的过冷度时，某些进程有序。而当有了一定的过冷度时，某些进程有序原子集团的尺寸一旦不小于该温度下的临界原子集团的尺寸一旦不小于该温度下的临界晶核尺寸就会

8、稳定下来晶核尺寸就会稳定下来, ,成为新生固相的晶核成为新生固相的晶核。 临界晶核尺寸是随着过冷度减小而增大临界晶核尺寸是随着过冷度减小而增大的。若过冷度为零，则临界晶核尺寸为无穷的。若过冷度为零，则临界晶核尺寸为无穷大，即不能自发成核。相反，过冷度愈大，大，即不能自发成核。相反，过冷度愈大，自发成核的临界晶核尺寸愈小。也就是说，自发成核的临界晶核尺寸愈小。也就是说，随着过冷度的增加液相中自发成核所需的近随着过冷度的增加液相中自发成核所需的近程有序原子集团的尺寸也愈小。程有序原子集团的尺寸也愈小。这意味着过这意味着过冷度愈大愈易自发形成晶核。冷度愈大愈易自发形成晶核。 在实际金属熔液中总是存在

9、某些未溶的杂质粒在实际金属熔液中总是存在某些未溶的杂质粒子，这些固态离子表面及铸型壁等现成的界面都会子，这些固态离子表面及铸型壁等现成的界面都会成为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相成为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相中某些现成界面而成核的过程都称为中某些现成界面而成核的过程都称为非均匀成核非均匀成核( (非非自发成核自发成核) )。非均匀成核所需的过冷度比均匀成核的。非均匀成核所需的过冷度比均匀成核的小的多。现成界面的状态小的多。现成界面的状态( (表面能、浸润角、曲率半表面能、浸润角、曲率半径、晶格位向等径、晶格位向等) )影响着非均匀成核的能力。影响着非均匀成核的能力。 均

10、匀成核与非均匀成核在金属结晶中是同均匀成核与非均匀成核在金属结晶中是同时存在的。非均匀成核在实际生产中比均匀成时存在的。非均匀成核在实际生产中比均匀成核更重要。核更重要。 母相在给定的条件下产生晶核的能力可用母相在给定的条件下产生晶核的能力可用成核率成核率(N)(N)来表示。成核率是指在单位时间和来表示。成核率是指在单位时间和单位体积内所形成的晶核数目。成核率愈大，单位体积内所形成的晶核数目。成核率愈大，结晶后晶体中的晶粒愈细小。结晶后晶体中的晶粒愈细小。 细化晶粒的方法细化晶粒的方法增加冷却速度，增大过冷度；增加冷却速度，增大过冷度；增加外来晶核增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等

11、；采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；晶粒粗细对材料力学性能的影响晶粒粗细对材料力学性能的影响 晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。 晶粒的大小通常是以晶粒度来表示。而晶粒度晶粒的大小通常是以晶粒度来表示。而晶粒度又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标定的又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标定的。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。 晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的影晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的影响。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少，耐蚀不响。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少，耐蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀

12、性愈好。锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。 可见，按照材料的不同用途和种类应合理的控可见，按照材料的不同用途和种类应合理的控制其晶粒大小。这就需要我们了解一些金属结晶时制其晶粒大小。这就需要我们了解一些金属结晶时影响晶粒大小的因素。影响晶粒大小的因素。金属的同素异构转变金属的同素异构转变1538c1394c912c室温室温-Fe -Fe- Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。晶体结构发生变化的现象。 金属的同素异构转变的意义金属的同素异构转变的意义 可

13、以用热处理的方法即可通过加可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。从而达到改善材料性能的目的。相相 图图 根据相图可确定不同成分的材料在不根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。、成分及温度变化时可能发生的变化。 仅在热力学平衡条件下成立，不能仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。确定结构、分布状态和具体形貌。 Pb-Sb二元合金相图二元合金相图合金结晶与二元合金相图合金结晶与二元合金相图 合金结晶的

14、基本规律与纯金属的结晶基本相合金结晶的基本规律与纯金属的结晶基本相同，也是在一定过冷度下成核和长大来完成结晶同，也是在一定过冷度下成核和长大来完成结晶的。但是，其结晶过程更复杂，得到的组织可以的。但是，其结晶过程更复杂，得到的组织可以是单相或是多相，既可是纯固溶体也可是化合物是单相或是多相，既可是纯固溶体也可是化合物或两相组成的机械混合物。而具体成分的合金显或两相组成的机械混合物。而具体成分的合金显微组织可能是其中的一个相或一个基本组织，也微组织可能是其中的一个相或一个基本组织，也可能是多个相及基本组织的组合。而且在不同温可能是多个相及基本组织的组合。而且在不同温度下，同一化学成分合金的显微组

15、织也可能不同度下，同一化学成分合金的显微组织也可能不同。对如此复杂的情况，只用冷却曲线或语言简单。对如此复杂的情况，只用冷却曲线或语言简单叙述是很不方便的。因此，出现了用相图这种形叙述是很不方便的。因此，出现了用相图这种形式来表述合金的结晶及冷却的相变状况。式来表述合金的结晶及冷却的相变状况。 相图是在平衡态下测画出来的。因此相图是在平衡态下测画出来的。因此也称合金的平衡状态图。相图是表示在平也称合金的平衡状态图。相图是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。由于受到几何表述的限制，度的关系图。由于受到几何表述的限制，虽然合金系中的组元可以是

16、多个，但是，虽然合金系中的组元可以是多个，但是，只能测画出二元合金的二元相图和三元合只能测画出二元合金的二元相图和三元合金的三元相图，三元以上的合金通常是不金的三元相图，三元以上的合金通常是不能直接用相图来表述。即使三元合金的相能直接用相图来表述。即使三元合金的相图也是很复杂的。图也是很复杂的。二元合金相图的测画二元合金相图的测画 在每个二元合金系中都有无数个不同化学在每个二元合金系中都有无数个不同化学成分比例的合金。每一个具体成分合金都可以成分比例的合金。每一个具体成分合金都可以用热分析法测定出它的冷却曲线。将这些冷却用热分析法测定出它的冷却曲线。将这些冷却曲线上的相转变点都转画到一个以温度

17、为纵轴曲线上的相转变点都转画到一个以温度为纵轴，化学成分为横轴的坐标中相对应的点上，则，化学成分为横轴的坐标中相对应的点上，则这些相变点所形成的各条曲线就构成了一个二这些相变点所形成的各条曲线就构成了一个二元合金系的相图。元合金系的相图。 实际上测画一个合金系的相图时，只需精实际上测画一个合金系的相图时，只需精确地测定这个合金系中一些有代表性的合金冷确地测定这个合金系中一些有代表性的合金冷却曲线。再在温度却曲线。再在温度化学成分的坐标上将相化学成分的坐标上将相同意义的相变点所对应的点用平滑曲线连接起同意义的相变点所对应的点用平滑曲线连接起来就构成这个合金系的相图。在相图上将各个来就构成这个合金

18、系的相图。在相图上将各个交点标出字符，将各个相区内填上相应的相或交点标出字符，将各个相区内填上相应的相或基本组织的代号就得到了一张完整的相图了。基本组织的代号就得到了一张完整的相图了。二元合金状态图二元合金状态图 把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。二元合金相图。Pb-Sb二元合金相图二元合金相图二元匀晶相图二元匀晶相图 1 1 匀晶相同及其分析匀晶相同及其分析 （1 1）匀晶转变：由液相直接结晶出）匀晶转变：由液相

19、直接结晶出单相固溶体的转变。单相固溶体的转变。 （2 2）匀晶相图：具有匀晶转变特征）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。的相图。 相图测画示意图相图测画示意图返回返回二元匀晶相图二元匀晶相图 相图分析相图分析 两点：纯组元的熔点；两点：纯组元的熔点； 两线：两线：L, SL, S相线；相线； 三区：三区：L, , L, , L+L+。 1 1匀晶相图分析及合金的结晶过程匀晶相图分析及合金的结晶过程 以CuNi合金为例，图中a点是纯铜的熔点(1083C)；b点是纯镍的熔点(1452 C)；aa3a2a1b曲线是液相开始结晶的温度线，称为液相线，在其线以上的区域合金系全部是呈液相L状态，称为液相区

20、。ab3b2b1b曲线是液相全部结晶结束的温度线，称为固相线；在其线以下的区域合金系全部结晶成同一种均匀的固溶体相，此区称为固相区。在液相线与团相线围成的区域内是液相与团相共存的区域(L十)，称为两相区。 铜与镍两组元组成的二元合金在固态下是无限铜与镍两组元组成的二元合金在固态下是无限固溶的，所以，任何成分比例都结晶成单相固溶体固溶的，所以，任何成分比例都结晶成单相固溶体。由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变称为匀。由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变称为匀晶转变。在晶转变。在CuCuNiNi合金系中，除纯合金系中，除纯CuCu和纯和纯NiNi的结晶的结晶是纯金属的结晶，其结晶温度是一个点之外

21、，其它是纯金属的结晶，其结晶温度是一个点之外，其它任一个合金的结晶都是在一个相应的温度区间内完任一个合金的结晶都是在一个相应的温度区间内完成结晶的。虽然温度区间的大小和温度的高低不同成结晶的。虽然温度区间的大小和温度的高低不同，但结晶规律是相同的。，但结晶规律是相同的。 从上图可见，从上图可见，W WNiNi=B%=B%的合金化学成分垂线与液相线相的合金化学成分垂线与液相线相交于交于L L1 1，与固相线相交于，与固相线相交于 3 3。当该合金由液相缓慢当该合金由液相缓慢冷却冷却( (平衡状态平衡状态) )至至t t1 1温度时，由液相中开始结晶出温度时，由液相中开始结晶出 相。随着温度的不断

22、降低相。随着温度的不断降低 相比例不断增加，剩相比例不断增加，剩余液相的比例不断减少直至到余液相的比例不断减少直至到t t3 3温度，液相温度，液相L L全部全部结晶成结晶成 相。在温度由相。在温度由t t1 1降到降到t t3 3的结晶转变过程中的结晶转变过程中，不仅，不仅L L与与 两相所占的比例不断变化，而且两相所占的比例不断变化，而且L L和和 两相的化学成分，通过原子扩散也不断地变化。在两相的化学成分，通过原子扩散也不断地变化。在t t1 1时，结晶出来的时，结晶出来的 相的化学成分为该点所对应的相的化学成分为该点所对应的成分成分( (含含NiNi高于合金成分高于合金成分) )，剩余

23、液相的化学成分，剩余液相的化学成分为为L L1 1点所对应的成分。点所对应的成分。 在在t t1 1、t t3 3温度时温度时 相的化学成分分别为相的化学成分分别为 2 2， 3 3点对应的成分点对应的成分。而剩余液相的化学成分分别为。而剩余液相的化学成分分别为L L2 2、L L3 3点对应的成分。这就点对应的成分。这就是说，是说，在不同温度下刚刚结晶出来的固相在不同温度下刚刚结晶出来的固相 的化学成分是不的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。但是，由于相的化学成分也相应地沿着液相

24、线变化。但是，由于冷却冷却速度很慢速度很慢( (平衡态平衡态) )，又处在足够高的温度下，所以，当结，又处在足够高的温度下，所以，当结晶结束时，无论是先结晶的目相，还是后结晶出来的晶结束时，无论是先结晶的目相，还是后结晶出来的 相，相，其化学成分都将其化学成分都将通过原子足够长时间的扩散而趋平均匀相通过原子足够长时间的扩散而趋平均匀相同。同。并且并且 相的晶粒通常都是不规则的多面体状，称等轴晶相的晶粒通常都是不规则的多面体状，称等轴晶粒。粒。 2.2.枝晶偏析枝晶偏析 由前述可知不同温度下结晶出来的由前述可知不同温度下结晶出来的 相成分是不同相成分是不同的，温度高时结晶出来的的，温度高时结晶出

25、来的 相含熔点高的镍元素多，温度相含熔点高的镍元素多，温度低时结晶的低时结晶的 相含镍少。由于在实际生产中冷却速度较快相含镍少。由于在实际生产中冷却速度较快( (不能保证平衡态不能保证平衡态) )，原子扩散迁移滞后于结晶，原子扩散迁移滞后于结晶， 相化学相化学成分的均匀性得不到保证。这时就会出现在一个晶粒内成分的均匀性得不到保证。这时就会出现在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。称为，各处成分的不均匀现象。称为晶内偏析晶内偏析。因为。因为 相是以相是以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析。学成分之差，所以也称

26、枝晶偏析。 枝晶偏析会降低合金的力学性能枝晶偏析会降低合金的力学性能( (尤其是塑性尤其是塑性和韧性和韧性) )和工艺性能。对于有枝晶偏析的铸锭和铸和工艺性能。对于有枝晶偏析的铸锭和铸件可采用在低于固相线件可采用在低于固相线100100 C C200200 C C的温度下进的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀，消除枝晶偏析。这种热处理方法称分趋于均匀，消除枝晶偏析。这种热处理方法称为为均匀化退火均匀化退火，也称，也称扩散退火扩散退火。二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一共晶转

27、变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。定成分固相的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物） 在二元合金系中，组元在液相无限互溶，在在二元合金系中，组元在液相无限互溶，在固相有限互溶，并且在结晶过程中，以共晶转固相有限互溶，并且在结晶过程中，以共晶转变为主的相图就是共晶相图。如变为主的相图就是共晶相图。如 AISi、PbSb、PbSn、AgCu等合金系在结晶时都是等合金系在结晶时都是以共晶转变为主。这些合金系的相图都是比较以共晶转变为主。这些合金系的相图都是比较典

28、型的共晶相图。典型的共晶相图。二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 1 1 相图分析（相图三要素）相图分析（相图三要素） （1 1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶共晶点（是亚共晶、过共晶合金成分分界点点（是亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。）等。 （2 2）线：结晶开始、结束线；溶解度曲）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。线；共晶线等。 （3 3）区：）区：3 3个单相区；个单相区；3 3个两相区；个两相区；1 1个三个三相区。相区。 以上页以上页PbPbSnSn合金系为例。合金系为例。PbPbSnSn相图是以共晶型转相图是以共晶型转变为主

29、要结晶方式的相图，在靠近组元两端各有一个有限变为主要结晶方式的相图，在靠近组元两端各有一个有限固溶的匀晶型结晶区域。固溶的匀晶型结晶区域。 PbPb与与SnSn都能形成有限固溶体。其中以都能形成有限固溶体。其中以PbPb为溶剂，为溶剂，SnSn为为溶质形成溶质形成固溶体。固溶体。SnSn在在PbPb中最大溶解度为中最大溶解度为F F点，其锡的点，其锡的质量分数质量分数 W WSnSn为为19%19%，而以，而以SnSn为溶剂为溶剂PbPb为溶质则形成为溶质则形成固溶固溶体。体。PbPb在在SnSn中最大溶解度为中最大溶解度为G G点，其铅的质量分数点，其铅的质量分数W WPbPb为为2.5%2

30、.5%。固溶体。固溶体与与的液相线相交于的液相线相交于E E点。点。E E点被称为点被称为共晶共晶点点。即在。即在183183，当化学成分中，当化学成分中SnSn的质量分数为的质量分数为61.9%61.9%时则时则发生共晶转变。共晶转变的两相机械混合物，称为发生共晶转变。共晶转变的两相机械混合物，称为共晶体共晶体，是一种有固定化学成分，是一种有固定化学成分( ( W WSnSn=61.9%)=61.9%)的基本组织的基本组织。 A点为点为Pb的熔点的熔点(327.5C)，B点是点是Sn的熔点的熔点(231.9C)，AEB线是液线是液相线，相线，AFEGB线是固相线，直线段线是固相线，直线段 F

31、EG是共晶线，温度是是共晶线，温度是183C。此。此线所对应的合金，除线所对应的合金，除E点成分的液相全部发生共晶转变外，其它成分点成分的液相全部发生共晶转变外，其它成分的合金也有部分液体在的合金也有部分液体在183C时发生共晶转变。因为它们先结晶出固溶时发生共晶转变。因为它们先结晶出固溶体体或或后，剩余液体的化学成分随温度下降，沿液相线变化，当到后，剩余液体的化学成分随温度下降，沿液相线变化，当到183C时，剩余液体的化学成分也都达到共晶转变的成分时，剩余液体的化学成分也都达到共晶转变的成分(E点的成分点的成分)，于是剩余液体发生共晶转变成共晶体。，于是剩余液体发生共晶转变成共晶体。 FC是

32、是固溶体溶解度随温度变化曲线，即固溶体溶解度随温度变化曲线，即Sn在在Pb中溶解度变化中溶解度变化曲线，称曲线，称固溶体溶解度曲线。固溶体溶解度曲线。GD是是固溶体溶解度线。固溶体溶解度线。 在在PbSn相图中，单相区有三个，它们是相图中，单相区有三个，它们是L、；两相区也有三个；两相区也有三个L 十十，L十十，十十；三相共存区有一个，即共晶线；三相共存区有一个，即共晶线FEG。在共晶转。在共晶转变过程中变过程中 L、三相可以同时存在。三相可以同时存在。 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 2 2 合金的平衡结晶及其组织（以合金的平衡结晶及其组织（以Pb-SnPb-Sn相图相图为例）

33、为例） （1 1）WsnWsn1919的合金的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。）。 二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。次析出或二次再结晶）。 室温组织（室温组织（）及其相对量计算。）及其相对量计算。 二元包晶相图及合金凝固二元包晶相图及合金凝固 包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。成另一个特点成分固相的转变。 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。包晶相图：具有包晶转变特征的相图。 1 1 相图分析相图分析 点、线、区。点

34、、线、区。 思思 考考 题题1 1 在纯金属的冷却曲线上为什在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？么会出现一水平台阶？2 2 为什么晶粒越细小其力学性为什么晶粒越细小其力学性能越好？能越好？3 3 如果结晶时晶核不多而生如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细？粗还是细？铁碳合金铁碳合金本节重点：本节重点：铁碳合金状态图在铸造、铁碳合金状态图在铸造、 压力加工、焊接中的应用；压力加工、焊接中的应用；本节难点：本节难点：铁碳合金状态图的理解；铁碳合金状态图的理解； 铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性格

35、低廉、性 能优越，在工业生产中广泛使用。能优越，在工业生产中广泛使用。1538c1394c912c室温室温-Fe -Fe- Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁素体：铁素体：碳溶解在碳溶解在Fe中的间隙固溶中的间隙固溶( F）。塑性）。塑性 （=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：奥氏体：碳溶解在碳溶解在 Fe中的间隙固溶体（中的间隙固溶体（A）。塑）。塑 性好。性好。渗碳体：渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很）。硬度很 高（高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零

36、。），塑性、韧性几乎为零。珠光体：珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（与渗碳体的共析体（P）。）。莱氏体：莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性）。硬度高，塑性 差。差。两种反应：两种反应：1148 1、共晶反应、共晶反应 一定成分的一定成分的液相液相在一定的温度下同时在一定的温度下同时结晶结晶出两种成出两种成分和结构均分和结构均不相同不相同的固相的反应。的固相的反应。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应

37、的产物即莱氏体共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2 、共析反应、共析反应 一定成分的一定成分的固相固相在一定的温度下同时在一定的温度下同时析出析出两种成分和两种成分和结构均结构均不相同不相同的的 新的新的固相固相的反应。的反应。A2.11%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体共析反应的产物即珠光体 PF0.02%c+Fe3C6.69%c铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点渗碳体的熔点共晶点共晶点共析线共析线共析点共析点纯铁的熔点纯铁的熔点共晶线共晶线ACD线线液相线液相线AECF线线固相线固相线碳在奥氏体中的最大

38、溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度A3线线Acm 铁碳合金相图中主要特性点的含义铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的特性点的符号符号温度温度t/ 含碳量含碳量wc%含义含义A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 室温室温0 04.34.36.696.692.112.110 00.020.020.770.770.00080.0008纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te -Te-T

39、e同素异晶转变点同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度 相图中主要线的含义相图中主要线的含义 ACD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。 AECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。线。 ECF水平线水平线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在的液态合金冷却到此线时，在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混

40、合物，此反应称为共晶反应。应称为共晶反应。 PSK水平线水平线共析线共析线（A1线）线） 含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此的奥氏体冷却到此线时，在线时，在727 同时同时析出析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。为共析反应。 GS线线（A3线）线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。 ES线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。 典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析铁

41、碳铁碳合金合金含碳量为含碳量为2.11%6.69%2.11%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。共晶生铁：共晶生铁： 含碳量为含碳量为4.3%;4.3%;亚共晶生铁：亚共晶生铁：含碳量在含碳量在2.11%4.3%2.11%4.3%之间；之间；过共晶生铁：过共晶生铁：含碳量在含碳量在4.3%6.69%4.3%6.69%之间；之间；含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。工业纯铁工业纯铁钢钢生铁生铁 含碳量为含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根的铁碳合金。根据金相据金相 组织的不同，可分为三种。组织的不同，可分为三种。共析钢：共析钢： 含碳量为含碳量为0.77%;亚共析

42、钢：亚共析钢：含碳量在含碳量在0.02%0.77%之间；之间；过共析钢：过共析钢：含碳量在含碳量在0.77%2.11%之间；之间；铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C +LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+ +Fe3C转变 AA奥氏体奥氏体PP珠光体珠光体FF铁素体铁素体共析钢和亚共析钢的结晶过程分析共析钢和亚共析钢的结晶过程分析过共析钢结晶过程分析过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析Ld变态莱氏体变态莱氏体亚共晶、过共晶生铁结晶过程

43、分析亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析钢钢碳素钢碳素钢碳素结构钢（碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢优质碳素结构钢 (0.2-0.7%C用途广用途广)碳素工具钢碳素工具钢 (T8等等)合金钢合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢 耐磨钢耐磨钢其它其它量具钢量具钢模具钢模具钢刃具钢刃具钢轴承钢轴承钢弹簧钢弹簧钢调质钢调质钢渗碳钢渗碳钢低合金结构钢低合金结构钢（1.5%C)1.5%C) 16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni91.6 工业用钢分类及选材工业用钢分类及选材热处理热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处

44、理 退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理渗碳渗碳渗氮渗氮碳氮共渗碳氮共渗加热加热保温保温冷却冷却临界温度临界温度热处理工艺曲线热处理工艺曲线T其它热处理其它热处理形变形变真空真空激光激光1 .7 钢的热处理钢的热处理1.7.1 退火和正火退火和正火退火：退火： 将钢加热、保温，然后随炉冷将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。却或埋入灰中缓慢冷却。目的：目的：降低硬度，便于机加工。降低硬度，便于机加工。细化晶粒，提高塑性和韧性。细化晶粒，提高塑性和韧性。消除应力。消除应力。应用：应用：铸件、锻件、焊接及其它铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。毛坯的热处理

45、。 1、完全退火：、完全退火：将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到Ac3线以上线以上3050，保温后缓慢冷却，保温后缓慢冷却. 2、球化退火、球化退火: 将过共析钢加热到将过共析钢加热到Ac1线以上线以上2030，保温后缓慢冷却，保温后缓慢冷却. 3、低温退火、低温退火: 将钢加热到将钢加热到Ac1线以下，保温后缓慢冷却线以下，保温后缓慢冷却. 再结晶退火：再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上150250），降低硬度，恢复塑性。），降低硬度，恢复塑性。应用：应用：（1）取代部分完全退火；）取代部分完全退火； （2）用于普通结构

46、件的最终热处理；）用于普通结构件的最终热处理； （3）用于过）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备。处理作准备。正火正火 将钢加热到将钢加热到Ac3 线以上线以上3050 （亚共析钢）或（亚共析钢）或Accm以上以上3050 （过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠光（过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠光体组织（索氏体）。体组织（索氏体）。1.7.2 淬火和回火淬火和回火 将钢加热到将钢加热到Ac3或或Ac1 线以上线以上3050 ，保温后，保温后在淬火介质中快速冷却（在淬火介质中快速冷却（Fe向向aFe同素异晶转变同

47、素异晶转变），以获得马），以获得马氏体（氏体（M)组织（碳在组织（碳在a Fe中的严重过中的严重过饱和固溶体）。饱和固溶体）。 马马氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火内应力，应采取以下措施：内应力，应采取以下措施： （1）严格控制淬火加热温度）严格控制淬火加热温度 温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易 产生裂纹。产生裂纹。 （2）合理选择淬火介质）合理选择淬火介质 淬透性好，选油淬。淬透性好，选油淬。 （3）正确选择淬火方法）正确选择淬火方法 采用水油双介质淬火法。采用水油双介质淬火法。 回火回火

48、 将钢重新加热到将钢重新加热到Ac1 线以上某温度，保线以上某温度，保温后冷却的热处理工艺。温后冷却的热处理工艺。目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。止产生裂纹。 回火三种形式：回火三种形式： （1）低温回火（）低温回火（150250），目的是），目的是降低淬火降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（钢的内应力和脆性，并保持高硬度（5664HRC)和耐和耐磨性。如模具、刃具等。磨性。如模具、刃具等。 （2）中温回火（）中温回火（350500），目的是使钢获得），目的是使钢获得高弹性，高弹性，并保持较高硬度（并保持较高硬度（3550

49、HRC)和一定的韧性和一定的韧性。如弹簧、锻模等。如弹簧、锻模等。 （3）高温回火）高温回火调质处理（调质处理（500650），硬度），硬度2035HRC，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。曲轴、齿轮等。国家相关科技计划中对金属材料领域的部署情况国家相关科技计划中对金属材料领域的部署情况国家自然科学基金国家攀登计划国家前沿高技术领域1 1） 提供钢的高洁净度基础理论、微米亚微提供钢的高洁净度基础理论、微米亚微米组织的形成理论、非平衡状态的物理金属米组织的形成理论、非平衡状态的物理金属学问题、高洁净度钢的微合金化基础理论等学问题、高洁净度钢的微合

50、金化基础理论等四个理论基础。建立合计设计方法和理论、四个理论基础。建立合计设计方法和理论、加工技术、分析测试技术、服役性能等相关加工技术、分析测试技术、服役性能等相关技术的基础理论。技术的基础理论。本方向的发展目标和战略重点：本方向的发展目标和战略重点：2 2） 为发展高效、低耗、环境友好的非铁金为发展高效、低耗、环境友好的非铁金属提取冶金新技术和高性能非铁金属材料制属提取冶金新技术和高性能非铁金属材料制备、加工、成形新技术奠定理论基础。这些备、加工、成形新技术奠定理论基础。这些技术包括：符合我国资源特点的非铁金属提技术包括：符合我国资源特点的非铁金属提取过程强化技术；短流程、近终形制备成形取