材料的凝固与铁碳合金相图的分析及应用机械工程学院课件.ppt

1、第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶第二节第二节 合金的结晶合金的结晶第三节第三节 铁碳合金相图铁碳合金相图第四节第四节 凝固组织及其控制凝固组织及其控制 l物质由液态转变为固物质由液态转变为固态的过程称为态的过程称为凝固凝固。l物质由液态转变为晶物质由液态转变为晶态的过程称为态的过程称为结晶结晶。l物质由一个相转变为物质由一个相转变为另一个相的过程称为另一个相的过程称为相变相变。因而结晶过程因而结晶过程是相变过程。是相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶l由于材料和冷却条件不同，凝固后得到的固态物质可能是晶体，也可能是非晶体。（如采用连续激冷法可以获得非晶态金属）l金属的凝固过程实质上就是原子

2、由近程有序转变为长程有序的状态。l金属结晶后形成的组织，包括各种相的形状、大小、分布等都将极大地影响到金属的性能。l一一.冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度l二二.结晶的一般过程结晶的一般过程l三三.同素异构转变同素异构转变l一、冷却曲线与过冷一、冷却曲线与过冷l1、冷却曲线、冷却曲线l金属结晶时温度与时间的金属结晶时温度与时间的关系曲线称关系曲线称冷却曲线。冷却曲线。l曲线上水平阶段所对应的曲线上水平阶段所对应的温度称温度称实际结晶温度实际结晶温度T1。l曲线上水平阶段是由于结曲线上水平阶段是由于结晶时放出晶时放出结晶潜热结晶潜热引起的引起的.l2、过冷与过冷度、过冷与过冷度l纯金属都有一个纯

3、金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度Tm(熔点熔点或或平衡结晶平衡结晶温度温度)。在该温度下。在该温度下,液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态。l结晶只有在结晶只有在Tm以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结晶温度下才能进行。雾凇雾凇l液态金属在理论结晶温度以液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称下开始结晶的现象称过冷过冷。l理论结晶温度与实际结晶温理论结晶温度与实际结晶温度的差度的差 T称称过冷度过冷度 T=Tm T1l自由能差自由能差G就是促使液体就是促使液体结晶的驱动力。结晶的驱动力。G越大，越大，驱动力越大，结晶速度越快。驱动力越大，结晶速度越快。l过冷度大小与冷

4、却速度有关，过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大冷速越大，过冷度越大。TmT1T液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化l1、结晶的基本过程、结晶的基本过程l结晶由晶核的结晶由晶核的形成形成和和晶核晶核的长大的长大两个基本过程组成两个基本过程组成.l液态金属中存在着原子排液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们列规则的小原子团，它们时聚时散，称为时聚时散，称为晶坯晶坯。l在在Tm以下以下,经一段时间后经一段时间后(即孕育期即孕育期),一些大尺寸的一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶坯将会长大，称为晶核晶核。晶核半径与晶核半径与G关系关系l晶核形成后便向各方向生长，同晶核形

5、成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。时又有新的晶核产生。晶核不断晶核不断形成，不断长大，直到液体完全形成，不断长大，直到液体完全消失。消失。每个晶核最终长成一个晶每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。粒，两晶粒接触后形成晶界。l2、晶核的形成方式、晶核的形成方式l形核有两种方式形核有两种方式，即，即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。l由液体自发形成晶核的过程称由液体自发形成晶核的过程称均匀形核均匀形核。l以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀非均匀形核形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。均匀形核均匀形核非均匀形核示意图非均匀

6、形核示意图l3、晶核的长大方式、晶核的长大方式l晶核的长大方式有两种，晶核的长大方式有两种，即即均匀长大均匀长大和和树枝状长大树枝状长大。均匀长大均匀长大l在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。正温度梯度正温度梯度l实际金属结晶主要以树枝状长大实际金属结晶主要以树枝状长大.l这是由于存在这是由于存在负温度梯度，负温度梯度，且且晶晶核棱角处的散热条件好核棱角处的散热条件好，生长快，生长快，先形成先形成一次轴一次轴，一次轴又会产生，一次轴又会产生二次轴二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。负温度梯度负温度梯度金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树

7、枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶l三、结晶晶粒的大小及控制l晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度取决于形核率和长大速度G的相对大小。l若形核率越大，而长大速度越小，单位体积中晶核的数目越多，每个晶核来不及长大，从而得到的晶粒越细小。l细晶强化：常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性和韧性越好。l1、控制过冷度：由图知：增大过冷度，可使形核率的增长率高于长大速度的增长率，即可提高N/G值，从而有利于晶粒细化。l2、变质处理l向液态金属中添加变质剂，增加晶核的数目，从而细化晶粒。l3、振动处理l在结晶过程中输入一定频率的振动波，从而使树枝晶臂折断，增加晶核数目，从而提高形

8、核率，细化晶粒。常见有机械振动、电磁搅拌。构转变构转变。同素异构转变属于同素异构转变属于相变之一相变之一固态相变固态相变。l1、铁的同素异构转变、铁的同素异构转变l铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：1394912-Fe -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l-Fe、-Fe为为体心立方结构体心立方结构(BCC)，-Fe为为面心立面心立方结构方结构(FCC)。都是铁的。都是铁的同素异构体同素异构体。-Fe-Fel同素异构转变的过程，就

9、是原子重新排列的过程；同样遵循形核和长大的过程。l同素异构转变是在固态下完成晶格转变，所以成为二次结晶。l铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的内因和依据。l2、固态转变的特点、固态转变的特点形核一般在某些特定形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）内缺陷、特定晶面等）由于固态下扩散困难，由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。因而过冷倾向大。固态转变伴随着体积固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应变化，易造成很大内应力。力。固态相变的晶界形核固态相变的晶界形核l一、二元相图的建立一、二元相图的建立l二、二元相图的基本类型与分析二、二元相图的基本类型与分析

10、l1、二元匀晶相图、二元匀晶相图l2、二元共晶相图、二元共晶相图l3、二元包晶相图、二元包晶相图l4、形成稳定化合物的二元相图、形成稳定化合物的二元相图l5、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图l6、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤l7、相图与合金性能之间的关系、相图与合金性能之间的关系l合金的结晶过程比纯金属复杂，常用合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析进行分析.l相图相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶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。过程的简明图解。又称又称状态图状态图或或平衡图平衡图。l合金系合金系是指由两个或两个以上元素按不同

11、比例配制的是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。一系列不同成分的合金。l组元组元是指组成合金的最简是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存单、最基本、能够独立存在的物质。在的物质。l多数情况下多数情况下组元是指组成组元是指组成合金的元素合金的元素。但对于。但对于既不既不发生分解、又不发生任何发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组反应的化合物也可看作组元元,如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt%Ni）温度（温度（）CuNi相结构：指合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面相互分开的各个均匀的组成部分。组织

12、：指用肉眼或显微镜所观察到的材料内部微观形貌。组织是由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相构成的。l1、固溶体l溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。l固溶体的晶体结构与组成合金的基本金属组元的结构相同。固溶体按溶质原子在金属溶剂晶格中的位置置换固溶体：如不锈钢1Cr18Ni9Ti间隙固溶体：如铁素体，奥氏体按溶质原子在金属溶剂中的溶解度无限固溶体：如Cu-Ni，均为面心立方，原子半径接近有限固溶体：如Cu-Snl2、金属化合物l金属化合物是合金组元之间发生相互作用而形成的新相。其晶格类型和特性不同于其中任一组元。金属化合物：正常价化合物：如MnS电子价化合物：按照一定的电子浓度形

13、成的化合物；具有明显的金属特性。间隙相和间隙化合物：VC、TiC、Fe3Cl相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温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，度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据理工艺的重要依据。l根据组元数根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图l几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是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热分析法。l二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为：以以Cu-Ni合金合金(白铜

14、白铜)为例为例l1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，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（平台或转折点）。找出曲线上的临界点（平台或转折点）。l2.将临界点标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。l3.将垂线上相将垂线上相同意义的点同意义的点（转变开始点（转变开始点和转变终了点）和转变终了点）连接起来，并连接起来，并标上相应的数标上相应的数字和字母。字和字母。l相图中，相图中，结晶开始点的连线叫结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了。结晶终了点的连线叫点的连线叫固相线固相线。l两组元在液态和固两组元在液态和固态下均无限互溶二

15、态下均无限互溶二元合金的相图称元合金的相图称匀匀晶相图晶相图。l以以Cu-Ni合金为例合金为例进行分析。进行分析。1、二元匀晶相图、二元匀晶相图l相图由两条线构成相图由两条线构成，上，上面是液相线，下面是固面是液相线，下面是固相线。相线。l相图被两条线分为三个相图被两条线分为三个相区相区，液相线以上为，液相线以上为液液相区相区L L，固相线以下为，固相线以下为 固溶体区固溶体区，两条线之，两条线之间为两相共存的间为两相共存的两相区两相区（L+L+）。）。LL+成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线固相线l 合金的结晶过程合金的结晶过程l除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元

16、外，其它成分合金结晶过程相似，以Ni含含量为量为30%的的Cu-Ni合金为例说明。合金为例说明。当液态金属自高当液态金属自高温冷却到温冷却到 t1温温度时，开始结度时，开始结晶出成分为晶出成分为 1的固溶体。的固溶体。L L+l随温度下降，随温度下降，L相相不断减少，不断减少，a固溶固溶体不断增加体不断增加。l同时，同时，液相成分液相成分沿液相线变化，沿液相线变化，固相成分沿固相固相成分沿固相线变化线变化。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。l成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合

17、金冷却到t3时，最后一滴时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又固溶体的成分又变回到合金成分变回到合金成分 3上来上来。l液固相线不仅是液固相线不仅是相区分界线相区分界线,也是也是结晶时两相的成结晶时两相的成分变化线分变化线。l 杠杆定律杠杆定律l处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用分，还可用杠杆定律杠杆定律求出两平衡相的相对重量。求出两平衡相的相对重量。l现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：l 确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：设合金成分为设合

18、金成分为WNi=x%，l过过x做成分垂线。在成做成分垂线。在成分垂线相当于温度分垂线相当于温度t 的的o点点作水平线，其与液固相线作水平线，其与液固相线交点交点a、b所对应的成分所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的即分别为液相和固相的成分。成分。12 tl则则 QL+Q =1 QL x1+Q x2=1x 解方程组得解方程组得121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。的长度。l 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为液相

19、重量为QL，固相重量为固相重量为Q。l因此两相的相对因此两相的相对重量百分比为：重量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或l上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杠杆定律杆定律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于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。该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。l在杠杆定律中，在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相端点是所求的两平衡相（或两组

20、织组成物）（或两组织组成物）的成分。的成分。l杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。l例例（如图）（如图）%5.61%10045.058.045.053.0 Q%5.38%10045.058.053.058.0 LQl合金的结晶只有在缓慢冷却条件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。下才能得到成分均匀的固溶体。l但实际生产中，冷速较快，结晶但实际生产中，冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使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先结晶出的枝晶轴含有较多的高高熔点元素（熔点元素（如如Cu-Ni合金中的合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有后结晶的枝晶间含

21、有较多的低熔较多的低熔点元素点元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)，结，结果造成固溶体果造成固溶体a在一个晶粒内成分在一个晶粒内成分也不均匀也不均匀 并呈树枝状分布，这种并呈树枝状分布，这种现象称为现象称为枝晶偏析枝晶偏析。l 枝晶偏析枝晶偏析l成分偏析与冷速有关：成分偏析与冷速有关：冷速越大，液固相线间距冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。越大，枝晶偏析越严重。l枝晶偏析会影响合金的力学性能（塑性、韧性下枝晶偏析会影响合金的力学性能（塑性、韧性下降）、耐蚀、加工等性能。降）、耐蚀、加工等性能。l生产上常将铸件加热到固相线以下生产上常将铸件加热到固相线以下100-200长时间保长

22、时间保温，以使偏析原子充分扩散、达到成分均匀，消除枝温，以使偏析原子充分扩散、达到成分均匀，消除枝晶偏析的目的，这种热处理工艺称作晶偏析的目的，这种热处理工艺称作均匀化退火均匀化退火。Cu-Ni合金的合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织l当两组元在液态下当两组元在液态下无限互溶，在固态无限互溶，在固态下有限互溶下有限互溶,并发生并发生共晶反应形成共晶共晶反应形成共晶组织的组织的相图称作相图称作共共晶相图晶相图。l以以 Pb-Sn 相图为例相图为例进行分析进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSnl 相

23、图分析相图分析l 相：相：相图中有相图中有L、三种相三种相,是溶质是溶质Sn在在 Pb中的固溶体中的固溶体，是溶是溶质质Pb在在Sn中的固溶体中的固溶体。l 相区：相区：相图中有相图中有三个三个单相区：单相区：L、；三三个两相区：个两相区：L+、L+、+；一个三相区：一个三相区：即即水平线水平线CED。ABl 固溶线固溶线:溶解度溶解度点的连线称点的连线称固溶线固溶线。相图中的相图中的CF、DG线分别为线分别为 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的中的固溶线。固溶线。l固溶体的溶解度随固溶体的溶解度随温度降低而下降。温度降低而下降。l 液固相线：液固相线：液相线液相线AEB，固相线固相线

24、ACEDB。A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点。AB在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应。l 共晶线：共晶线：水平线水平线CED为三相共存区，为三相共存区，叫做叫做共晶线共晶线。l在共晶线对应的温度下（在共晶线对应的温度下（183），），E点成分的合金点成分的合金同同时时结晶出结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固溶体固溶体，形成这两个相的机械混合物：形成这两个相的机械混合物：LE (C+D)ABl共晶

25、反应的产物，即两共晶反应的产物，即两相的机械混合物称相的机械混合物称共晶共晶组织组织。发生共晶反应的发生共晶反应的温度称温度称共晶温度。发生共晶温度。发生共晶反应的液相成分点共晶反应的液相成分点点称为点称为共晶点。共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散l具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，。在共晶线上，凡凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共位于共晶点以右的合金称晶点以右的合金称过共晶合金过共晶合金。l凡具有共晶线成凡具有共晶线成分的合金液体冷分的

26、合金液体冷却到共晶温度时却到共晶温度时都将发生共晶反都将发生共晶反应。应。L+CDABl 合金的结晶过程合金的结晶过程l 含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种固溶体，这种直接直接从液相中结晶出的固相称从液相中结晶出的固相称一次相一次相或或初生相初生相。.2l温度降到温度降到3点以下，点以下，Sn在在Pb中的溶解度降低，中的溶解度降低，固溶体中的固溶体中的Sn含量过饱和，由于晶格不稳，开始析出含量过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称相变过程也称析析出出）新相新相 相。相。由已有固相

27、析出的新固相称由已有固相析出的新固相称二次相二次相或或次生次生相相。由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出,是固态相变的一种。是固态相变的一种。Hl由于二次由于二次相析出温相析出温度较低，度较低，一般十分一般十分细小。细小。%1004 FGFQ 室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l随温度下降，随温度下降，和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变化。线变化。Q Ql合金室温组织合金室温组织为为 +。l成分大于成分大于 D点合金结晶点合金结晶过程与过程与合金相似，合金相似，室室温组织为温组织为 +。AB

28、CDEFGl 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时同时被点时同时被Pb和和Sn饱和饱和,发生共发生共晶反应：晶反应：LE (C+D)。19.2wt%Sn温度,1l析出过程中析出过程中两相相间两相相间形核、互相促进、共形核、互相促进、共同长大同长大，因而共晶组，因而共晶组织较细，织较细，呈片、棒等呈片、棒等形状形状。层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织针状共晶针状共晶树枝状共晶树枝状共晶放射状共晶放射状共晶螺旋状共晶螺旋状共晶Al-Si合金

29、合金Pb-Bi共晶合金共晶合金l在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L、三相共存三相共存,三个相的三个相的量在不断变化，但它们各量在不断变化，但它们各自成分是固定的。自成分是固定的。l共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相.共晶转变结束时，共晶转变结束时，和和 相的相对重量百分比为：相的相对重量百分比为：%6.54%100%4.45%1002.195.979.615.97%100 QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2)l共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降，和和 的成分分别沿的成分分别沿CF线线和和DG线变化，并从共晶线变化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，

30、从共晶 中中析析出出 ，由于共晶组织细，由于共晶组织细，与共晶与共晶 结合，结合，与共与共晶晶 结合，在显微镜下难于分辨，最终结合，在显微镜下难于分辨，最终共晶合金的室共晶合金的室温组织仍为温组织仍为(+)共晶体。共晶体。Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织l 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成点，固相成分变化到分变化到C点，液相成分变化到点，液相成分变化到E点点,此时此时两相的相对两相的相对重量为：重量为：%1002%,1002)(CEEQCECQQEL l在在2点，具有点，具有E点成分的点成

31、分的剩余液体发生共晶反应剩余液体发生共晶反应：L (+)，转变为共晶组织，转变为共晶组织，共晶体的重量与转共晶体的重量与转变前的液相重量相等变前的液相重量相等,即即QE=QLl反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百两相的相对重量百分比为：分比为：%1002%,1002 CDCQCDDQ%CEEQ%,CEC10021002 l温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和共晶和共晶 中析出中析出，从，从共晶共晶 中析出中析出。其室温其室温组织为组织为+(+)+。亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程l 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程l与亚共晶合金相似，不同的

32、与亚共晶合金相似，不同的是一次相为是一次相为 ,二次相为二次相为 l室温组织为室温组织为+(+)+。l 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注l组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 和和,和和,共晶体共晶体(+)都是组都是组织组成物。织组成物。l相与相之间的差别主要在相与相之间的差别主要在结构和成分结构和成分上。上。l组织组成物之间的差别主要在组织组成物之间的差别主要在形态上形态上。如如 、和和共晶体共晶体中的中的 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。分属不

33、同的组织组成物。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织组织组成组织组成物在相图物在相图上的标注上的标注l共析转变也是固共析转变也是固态相变。态相变。l最常见的共析转最常见的共析转变是铁碳合金中变是铁碳合金中的珠光体转变的珠光体转变:S P+Fe3C。l共析反应共析反应(共析转变共析转变)是指在一定温度下，由一定成是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。相的过程。PS(奥氏体，奥氏体，铁素体，铁素体，Fe3C渗碳体渗碳体)铁碳合金相图铁碳合金相图l共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称铁碳合金

34、中的共析体称珠珠光体光体），），也是两相的机械混合物也是两相的机械混合物（铁素体（铁素体+渗碳体渗碳体)。l与共晶反应不同的与共晶反应不同的是，是，共析反应的母共析反应的母相是固相，而不是相是固相，而不是液相。液相。l另外，由于固态转另外，由于固态转变容易产生较大过变容易产生较大过冷度，形核率高，冷度，形核率高，因而共析组织比共因而共析组织比共晶组织晶组织细。细。珠光体珠光体l实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。l 分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图l 确定相区确定相区l 相区接触法则相区接触法则l相邻两个相

35、区的相数差为相邻两个相区的相数差为1l 单相区的确定单相区的确定l 液相线以上为液相区；液相线以上为液相区；Fe-Fe3C相图相图l 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；l 相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；区分界线；l 相图中部出现的相图中部出现的成分可变的单相区成分可变的单相区是以化合物为基的是以化合物为基的单相固溶体区；单相固溶体区；l 相图中每一条水相图中每一条水平线必定与三个单平线必定与三个单相区点接触相区点接触。Cu-Zn相图相图+l 两相区的确定：两相区的

36、确定：两个单相区之间夹有一个两相两个单相区之间夹有一个两相 区，该两相区的相区，该两相区的相由两相邻单相区的由两相邻单相区的相组成。相组成。l 三相区的确定：三相区的确定：二元相图中的水平二元相图中的水平线是三相区。线是三相区。Fe-Fe3C相图相图恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的新固相。的新固相。+共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L+包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的新固相。同的新固相。L L +共

37、晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应5、相图与合金性能之间的关系、相图与合金性能之间的关系l 相图与合金力学性能、相图与合金力学性能、物理性能的关系物理性能的关系 l两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平系，是两相性能的算术平均值均值，如：，如：l 混混=Q +Q lHB混混=HB Q +HBQl(Q 、Q为两相相对重量为两相相对重量)l 单相固溶体的合金：单相固溶体的合金：l性能随成分呈曲线变性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，化，随溶质含

38、量增加，、HB增加，塑性下增加，塑性下降。降。l 形成稳定化合物的形成稳定化合物的合金：合金：l性能性能-成分曲线出现拐成分曲线出现拐点。点。l 相图与铸造性能的关系相图与铸造性能的关系 l固溶体合金固溶体合金液固相液固相线间距越大、偏析倾线间距越大、偏析倾向大向大,树枝晶发达树枝晶发达,流流动性降低动性降低,补缩能力补缩能力下降下降,分散缩孔增加分散缩孔增加.l共晶合金共晶合金结晶温度结晶温度低，流动性好，缩孔低，流动性好，缩孔集中，集中，偏析小，偏析小，铸铸造性能好。造性能好。l铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广的合金。l含碳量为含碳量为0.021

39、8%2.11%的称的称钢钢l含碳量为含碳量为 2.11%6.69%的称的称铸铁铸铁。l铁和碳可形成一系列稳定化合物：铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。，它们都可以作为纯组元看待。l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%)铁碳合金相图铁碳合金相图是是研究铁碳合金最研究铁碳合金最基本的基本的工具工具，是是研究碳钢和铸铁研究碳钢和铸铁的成分、温度、的成分、温度、

40、组织及性能之间组织及性能之间关系的关系的理论基础理论基础,是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和热处理、冶炼和铸造等工艺铸造等工艺依据依据.l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称-铁素体铁素体，用，用 表示。表示。l都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。l铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。铁素体铁素体l 组元：组元：Fe、Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体,

41、用用F 或或 表示。表示。l 奥氏体奥氏体:l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。l是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶粒，晶界较直。强强度低、塑性好度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体l 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C,含碳含碳6.69%,用用Fe3C或或Cm表示。表示。lFe3C硬度高硬度高、强度低强度低(b 35M

42、Pa),脆性大脆性大,塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨),该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在-Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析l 特征点特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+l 特征线特征线l 液相线液相线ABCD，固相线固相线AHJECFD l

43、 三条水平线：三条水平线：lHJB：包晶线：包晶线LB+H J lECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3Cl共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱氏体莱氏体,用用Le表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状,以以Fe3C为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体lPSK：共析线：共析线 S FP+Fe3Cl共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称的机械混合物，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体珠光体L+L+L+Fe3C+Fe3C +F+Fe3Cl珠光体的组织特点是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介于两相之

44、间。性能介于两相之间。PSK线又称线又称A1线线。l 其它相线其它相线lGS,GP 固溶体固溶体转变线转变线,GS又称又称A3 线。线。lHN,JN 固溶体固溶体转变线，转变线，lES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。又称又称Ac m线。线。lPQ碳在碳在-Fe中的固中的固溶线。溶线。l 三个三相区：三个三相区：即即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水平线三条水平线 l 相区相区l 五个单相区：五个单相区：L、Fe3C l 七个两相区七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C l 钢钢(0.02182.11%C)高温组织为单相高温组

45、织为单相 l 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)l 共析钢共析钢(0.77%C)l 过共析钢过共析钢 (0.772.11%C)l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁工业纯铁l 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C)铸造性能好铸造性能好,硬而脆硬而脆l 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)l 共晶白口铸铁共晶白口铸铁(4.3%C)l 过

46、共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)l工业纯铁的工业纯铁的结晶过程结晶过程 l合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为，3-4点间点间 ，5-6点间点间 。到到7点，从点，从 中中析出析出Fe3C。NSJBH L+l工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断量不断增加，增加，合金的合金的室温下组织为室温下组织为F+Fe3C。l室温下室温下Fe3C最大量为最大量为:%3.0%1000008.069.60008.00218.0III3CFe Ql从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示。Fe

47、3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。l 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 l合金液体在合金液体在1-2点间转变点间转变为为。到。到S点点发生共析转发生共析转变：变：S P+Fe3C,全部转变全部转变为为珠光体。珠光体。l共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程l珠光体珠光体在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状.l变结束时，珠光体中相的变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析共析渗碳体渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合结合不易分辨。不易分辨。室温组织为室温组织为P.%.

48、%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 珠光体珠光体Ql室温下，珠光体中室温下，珠光体中两两相的相对重量百分比相的相对重量百分比是多少？是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219l 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程l0.090.53%C亚共析钢亚共析钢冷却时发生包晶反应冷却时发生包晶反应.l以以0.45%C的钢为例的钢为例l合金在合金在4点以前通过匀点以前通过匀晶晶包晶包晶匀晶反应全匀晶反应全部转变为部转变为。到。到4点，由点，由 中析出中析出 。到。到5点点,成分沿成分沿G

49、S线变到线变到S点，点，发生发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，共析反应转变为珠光体。温度继续下降，中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合,且量少且量少,忽略不计忽略不计.+Fe3CGSPABJH亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程l利用平衡组织中珠光体所利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77%(忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面积面积%=QP)共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为：%PKKQ%,PKPQCFe100510053 组织组成物的相对重量为：组

50、织组成物的相对重量为：%PSSQ%PSPQP10051005 ，Sl室温下相的相对重量室温下相的相对重量百分比为：百分比为：l室温下组织组成物的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 Sl亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P。l在在0.02180.77%C 范围范围内内珠光体的量随含碳量珠光体的量随含碳量增加而增加增加而增加。含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%