金属的相变和相图.ppt

1,机械制造基础（上）,Mechanical Engineering Materials,2,第3章 金属的相变和相图,本章目录第一节 纯金属的相变 一、液态金属的结构及结晶 二、纯金属的相变 三、晶体的同素异构第二节 二元合金相图 一、概述 二、合金相图的建立 三、匀晶相图 四、共晶相图五、共析相图六、其他类型的二元系合金相图 七、二元合金相图的规律及合金性能,第三节 铁碳合金相图一、铁碳合金的组元及基本相二、Fe-Fe3C相图三、典型合金的结晶过程及组织四、含碳量与铁碳合金组织及性 能的关系五、铁碳合金相图的应用第四节 金属的凝固组织第一节、金属铸锭宏观组织第二节、铸锭中的缺陷,3,一、液态金属的结构及结晶1、液态金属结构 固态金属内部原子在很长的行程内呈规则排列。且以一定的平衡间距为中心长时间地作热震动。固态金属的这种结构称作长程有序。在非晶态结构中，原子排列没有规律周期性，原子排列从总体上是无规则的，但是，近邻的原子排列是有一定的规律的这就是短程有序。短程有序结构总是处于“时聚时散，此起彼伏”的变化中，这种结构不稳定的现象称为结构起伏，他是产生晶核的基础。其中尺寸较大的短程有序排列的原子集团（称为晶胚）可能称为晶核，因此金属结晶的实质就是短程有序的液态结构到长程有序排列的固态结构的过程。,第一节 纯金属的相变,4,2、冷却曲线的测定 纯金属的结晶是在一个恒定的温度下进行，这个温度就是纯金属的熔点，又称作是结晶温度。采用热分析实验方法，测定金属结晶过程中的温度变化，绘制成如右图所示的纯金属冷却曲线。该曲线分为三个明显的阶段。其中平台对应的温度就是纯金属的结晶温度。,第一节 纯金属的相变,5,3、结晶的条件 纯金属液体在无限缓慢冷却条件（平衡条件）下结晶时，所得到的结晶温度称为理论结晶温度（Tm）。实际生产中，冷却速度较大，液态金属将在低于Tm的某一温度（Tn）下开始结晶。金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差(T=TmTn)叫做过冷度。金属始终在过冷情况下结晶，但是同一种金属结晶时的过冷度不是恒定值，他与冷却速度有关。结晶时的冷却速度越大，过冷度越大，则金属的实际结晶温度越低。物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。通常而言，若凝固后的物质为晶体，则这种凝固成为结晶。结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的能量状态趋向较低的能量状态。,第一节 纯金属的相变,6,结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度，即T=T0Tn。只有当驱动力达到一定程度时，液态金属才能开始结晶。可见结晶的必要充分条件是液态金属具有一定的过冷度。,第一节 纯金属的相变,7,第一节 纯金属的相变,4、纯铁的结晶 热分析法测出的纯铁结晶时的冷却曲线如右图所示。实验表明，过冷度不是一个恒定值，他随物质的性质、纯度以及结晶前液体的冷却速度等因素而改变。对于同一种物质，冷却速度越快，实际结晶温度Tn越低，则过冷度越大，冷却曲线上平台温度与平衡结晶温度Tm之间的温度差越大。,8,二、纯金属的相变1、纯金属的结晶 研究表明，液体金属的结晶由两个基本过程组成：生出细微的晶体核心（形核）和晶体长大（长大）。（1）形核：在过冷液体中形成固态晶核，有两种形核方式：一种是均匀形核，又称为均质形核；另一种称为非均匀形核，又称为非自发形核（也称杂质形核）。,第一节 纯金属的相变,9,均匀形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。事实上，对于原子数目较少、尺寸较小的原子集团，在周围液体原子碰撞下，时聚时散，处于不稳定状态，难以形成起到晶核作用。唯有原子数目较多、尺寸较大的原子集团，不仅不易被冲散，还能吸收周围液体中的原子兵长大，起到景和作用。能起景和作用而尺寸最小的原子集团称为临界晶核。临界晶核溶化后的液态结构从长程来说是无序的，而在短程范围内却存在不稳定的但接近于有序的原子集团。由于液体中原子热运动较为强烈，在平衡位置停留较短，股这种有序排列的原子集团此消彼长，即结构起伏或称相起伏。,第一节 纯金属的相变,10,（2）晶核的长大：一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体的长大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液固相界面向液相不断推进的过程。界面的推进速度与界面处液相的过冷程度有关。长大的方式有两种：一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生长（最常见的方式）。,第一节 纯金属的相变,11,2、结晶晶粒大小及控制 结晶后的晶粒大小及其控制金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。晶粒的大小是形核率N和长大速度的函数，影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度和难熔杂质。,第一节 纯金属的相变,12,结晶后的晶粒大小及其控制金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小可用晶粒度来表示，晶粒的大小是形核率N和长大速度的函数，影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度和难熔杂质。,第一节 纯金属的相变,13,晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒度越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好.工程上通过使金属材料的晶粒细化而提高金属的力学性能。通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。细化晶粒的方法主要有如下几种：（1）控制过冷度 形核率N与长大速度G一般都随过冷度T的增大而增大，但是形核率N增长率高于长大速度G的增长率。所以增加过冷度可以提高N/G值,有利于细晶强化。,第一节 纯金属的相变,14,（2）变质处理 变质处理就是在浇注之前向液态金属中加入某种被称作是变质剂的元素或化合物，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。（3）振动和搅拌对结晶过程中的液态金属输入一定频率的振动波，形成的对流会使成长中的树枝晶臂折断，增大了晶核数目，从而显著提高形核率，细化晶粒。常见的震动方法有：机械振动、超声波震动、电磁搅拌。,第一节 纯金属的相变,15,金属铸锭的组织特点：（1）表层细晶区；（2）柱状晶区；（3）中心等轴晶区。,第一节 纯金属的相变,16,三、晶体的同素异构 金属的晶格在不同温度和压力下呈现不同类型的现象称为同素异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。,第一节 纯金属的相变,17,第二节 二元合金相图,纯金属结晶后只能得到单相晶体，合金在结晶之后其组织可以由单独的一个固溶体或一个中间相组成，也可以是两个固溶体、两个中间相组成。由于各种组成相又因为相对数量、形状、尺寸和分布不同，形成各种不同的组织，具有不同组织的合金，其性能是不同的。即使组元确定后，结晶后所获得的相的性质、数目及其相对含量也会随温度和成分改变而改变，即以不同状态存在。合金相图正是用来压就存在状态与合金成分及温度之间的变化规律。一、概述 1.组元：构成材料的最简单最基本、可以独立存在的物质。在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种化学元素或者化合物。合金系是由给定的两个或者两个以上的组元按照不同比例配置成一系列的不同成分的合金，这些合金称为一个合金系。两元素组成的称为二元合金，三元素组成为三元合金，三元以上称为多元合金。,18,2、相相合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态、性能一致的组成部分。不同相之间以明显的界面互相分开的、相界面处物质的性能发生突变。这两个相的界面称为相界面。在显微镜下所能观察到的金属材料各个晶粒的显微形态，即晶粒的形状、大小、数量和分布情况，称为显微组织或者金相组织，简称为组织。相图表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解。利用合金相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及在温度变化时可能发生的变化。,第二节 二元合金相图,19,3、相平衡和相律（1）相平衡 是指各相的化学热力学平衡。包括有：A 机械平衡：合力为0B 热平衡：温差消失C 化学平衡：各相的化学势相等，各组元浓度不再变化当同时达到三种平衡称作是化学热力学平衡。按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：式中，f为体系的自由度数它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；C为体系的组元数；P为相数。对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。因此相律可写成下列形式：,第二节 二元合金相图,20,（2）相率 自由度是指在平衡系统中独立可变的因素，如温度、压力、相的成分、电场、磁场、重力场等，自由度数是指在平衡系统中那些独立可变参数的数目。按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：式中，f体系的自由度数它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；C体系的组元数；P为相数。对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。因此相律可写成下列形式：,第二节 二元合金相图,21,相率给出了平衡状态下体系中存在的相数、组元数、温度及压力间的关系，对分析和研究相图有重要作用。1）利用相率可以确定系统中可能存在的最多平衡相数。2）利用相率可以解释纯金属和二元合金结晶时候的一些差别。相率也有如下局限性：1）只适用于热力学平衡状态2）只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元和相的类型和含量。相率不能预告反映动力学（速度）4）自由度的数值不得小于0。,第二节 二元合金相图,22,二、合金相图的建立 二元相图的建立方法，最常用的是热分析法。以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法测定其临界点及绘制相图的过程。1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：100%Cu；75%Cu+25%Ni；50%Cu+50%Ni；25%Cu+75%Ni；100%Ni。配制的合金数目越多，合金成分的间隔越小，得到的相图就更加准确。2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图3-14a所示。3）画出温度-成分坐标系，标出各冷却曲线上的临界点，如图3-14a所示。4）将物理意义相同的点（如转变开始点、转变结束点）连成曲线，标明各区域内所存在的相，即得到Cu-Ni相图。,第二节 二元合金相图,23,图3-1 纯铜的冷却曲线及相图,图3-2 Cu-Ni合金相图,第二节 二元合金相图,图中各开始结晶温度连成的相界线称为液相线，各终了结晶温度连成的相界线称为固相线。相图的区别纯金属相图用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织 状态表示出来，如图3-14a纯铜的冷却曲线及相图。二元合金相图以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图。,24,用热分析法测定Cu-Ni合金相图,第二节 二元合金相图,25,建立和利用合金相图，可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。不同合金系的合金，在固态下具有不同的显微组织，对于同一合金系的合金，由于合金的成分不同，以及所处的温度不同，在固态下也会形成不同的显微组织。相图是研究合金中各种组织形成和变化规律的有效工具，也是生产实践中正确制订冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。掌握相图的分析和使用方法，对于了解合金的化学成分、组织与性能之间的关系，以提高和改善合金的性能、研究和开发新的合金材料，具有重要的指导意义。,3.2.2 二元合金相图的意义,第二节 二元合金相图,26,基本的二元合金相图有匀晶相图、共晶相图和共析相图等，其中两组元在液态和固态都能够无限互溶时构成的相图称为均晶相图。Cu-Au、Au-Ag、Cu-Ni等合金都形成这类相图。在匀晶相图中，结晶时都是由液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。下面就以Cu-Ni合金相图为例，对匀晶相图进行分析。1、相图分析点图中tA=1083为纯铜的熔点；tB=1455为纯镍的熔点。线tA L3 L2 L1tB为液相线，代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度；tA321tB为固相线，代表各种成分的合金冷却过程中结晶终了、或在加热过程中开始熔化的温度。相区液相线与固相线把整个相图分为三个不同相区。在液相线以上是单相的液相区，合金处于液体状态，以“L”表示；固相线以下是单相的固溶体区，合金处于固体状态，为Cu与Ni组成的无限固溶体，以“”表示；在液相线与固相线之间是液相+固相的两相共存区，即结晶区，以“L+”表示。,三、匀晶相图,第二节 二元合金相图,27,图3-6 Cu-Ni合金相图及典型合金平衡结晶过程分析,第二节 二元合金相图,28,2、典型合金平衡结晶过程分析 现以含40%Ni的Cu-Ni合金为例，分析其结晶过程，如图3-6b所示。由图3-6a可见，该合金的合金线与相图上液相线、固相线分别在t1、t3温度时相交，这就是说，该合金是在t1温度时开始结晶，在t3温度时结晶结束。因此，当合金自高温液态缓慢冷却到t1温度时，开始从液相中结晶出固溶体，随着温度的下降，固溶体量不断增多，剩余液相量不断减少。直到温度降到t3温度时，合金结晶终了，获得了Cu与Ni组成的固溶体。右图为Cu-Ni合金固溶体的显微组织。,图3-7 Cu-Ni合金固溶体的显微组织,第二节 二元合金相图,29,3、杠杆定律 在固、液 两相区内，温度一定时，液固两相的成分、质量比均是确定的。杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）在某一温度时两相的成分以及相的相对量的重要法则。下面以Cu-Ni合金为例进行说明。,图3-4 杠杆定律的证明,图3-5 杠杆定律的力学比喻,第二节 二元合金相图,30,下面计算液相和固相在温度t1时的相对含量。设合金的总质量为1，液相的质量为，固相的质量为，则有此外，合金中的含镍量等于液相和固相中镍的含量之和，即由以上两式可以得出 或,第二节 二元合金相图,31,如下图中，任一含x%Ni的Cu-Ni合金，在t温度时，液相成分为x1%Ni，固相成分为x2%Ni。在这一温度下，已结晶出的固相和剩余液相L的相对量分别是：,或,图3-8 杠杆定律的应用,第二节 二元合金相图,32,共晶转变二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度 下同 时结晶 出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。二元共晶相图凡二元合金系中两组元在液态下能完全互 溶，在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的 的相图属于二元共晶相图。,第二节 二元合金相图,33,四、相图分析 简单共晶相图 在液态下能完全互溶，在固态下彼此互不溶解的共晶相图，如图3-9中A、B两组元组成的二元相图，称为简单共晶相图。共晶转变，其反应式为：,图3-9 简单共晶相图,第二节 二元合金相图,34,一般共晶相图 两组元在液态下能完全互溶，在固态下互相有限溶解的共晶相图，称为一般共晶相图。图3-12是由A、B两组元组成的一般共晶相图。,图3-12 Pb-Sn合金相图,第二节 二元合金相图,35,图3-20 19.2%Sn的Sn-Pb组织(200),图3-13 合金I的冷却曲线及结晶过程,2典型合金的结晶过程分析合金的结晶过程 合金含Sn量小于D点，其冷却曲线及结晶过程如图3-19所示。合金的室温组织 如图3-21。,第二节 二元合金相图,36,合金在室温时，与的相对量，可用杠杆定律计算：或=（1-）100%,第二节 二元合金相图,37,合金的结晶过程共晶合金的冷却曲线及结晶过程如图3-20所示。共晶合金的室温组织应为（F+G）共晶体，如图3-21所示。,图3-20 合金的冷却曲线及结晶过程,图3-16 Pb-Sn共晶合金的室温组织(100),第二节 二元合金相图,38,合金共晶转变的反应式为：共晶体中D与E的相对量可用杠杆定律计算如下：E=(1-D)100%54.6%,第二节 二元合金相图,39,合金的结晶过程 合金成分在C点与D点之间的合金，称为亚共晶合金。现以合金为例进行分析。图3-22为合金的冷却曲线及结晶过程。,图3-22 合金的冷却曲线及结晶过程,图3-21 Pb-Sn亚共晶合金的室温组织(100),第二节 二元合金相图,40,合金的结晶过程 合金成分C点与E点之间的合金称为过共晶合金。现以合金为例进行分析。图3-23为合金的冷却曲线及结晶过程。,图3-21 过共晶合金的室温组织(100),图3-23合金的冷却曲线及结晶过程,第二节 二元合金相图,41,不同的合金中，由于形状条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，而在显微镜下可观察到不同的组织。以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图如图 3-21所示。,图3-21 以组织组成物填写的合金相图,第二节 二元合金相图,42,合金中相组成物和组织组成物的相对量，均可利用杠杆定律来计算。合金在183（共晶转变结束后）时由、两相组成，其相对量为：合金在183（共晶转变结束后）时由初晶D与共晶体（D+B）两种组织组成物组成，其相对量为：可见，如合金成分已知，即可根据相图，利用杠杆定律，分别计算出其相组成或组织组成物的相对量。,第二节 二元合金相图,43,3 伪共晶和密度偏析 在非平衡条件下的结晶远比平衡条件下的结晶复杂（1）伪共晶 在平衡条件下，只有共晶成分的合金能获得完全的共晶组织，其他任何偏离共晶成分的合金在平衡条件下都不能获得100的共晶组织。但在不平衡条件下，成分位于共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也能获得全部的共晶组织。这种完全共晶组织称为伪共晶。（2）密度偏析 由组成相遇溶液之间因密度的差别而引起的一种区域偏析。合金组元间的密度差越大，在相图上结晶的区间越大，初生相与剩余液相的密度差也就越大。相图的结晶温度范围越大，冷却速度越小，初生相在液体中有更多的时间上浮或者下沉，合金的偏析也就越严重。一般采用增大冷却速度或者搅拌的方法来减轻。,第二节 二元合金相图,44,五、共析相图 在有些二元系合金中，当液体凝固完毕后继续降低温度时，在固态下也会发生相转变。在一定温度下，一定成分的固相转化为另外连个一定成分的固相称为是共析转变。,由于共析反应是固相转变，其原子扩散困难，容易产生较大的过冷，形核率较高，所以共析组织比共晶组织细小，主要有片状和粒状两种。共析转变对合金的热处理强化有重大意义，钢铁材料及钛合金的某些热处理就是建立在共析转变基础上。,第二节 二元合金相图,45,六、其他类型的二元合金相图1、包晶相图 在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程，称之为包晶转变或包晶反应。两组元在液态下相互无限互溶、在固态下相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图。,图3-22 Pt-Ag合金相图,第二节 二元合金相图,46,（1）相图分析 合金系中有三个相：液相L及固相、。其中相是银溶于铂中的固溶体，相是铂溶于银中的固溶体。三个单相区即L、和之间有三个两相区，即L+，L+和+。两相区之间还有一个三相共存的水平线，即PDC线。在水平线PDC上，液相L、固相和三相共存。处于P点与C点之间范围内的合金在此温度都将发生三相平衡的包晶转变。其转变的反应式为 LC+P D 包晶转变的特征是：反应相是一个液相和一个固相，其成分点位于水平线的两端，所形成的固相位于水平线中间的下方。相图中的D点称为包晶点，D点所对应的温度（tD=1186。）称为包晶温度，PDC线称为包晶线。,3.2.3 包晶相图,47,（2）典型合金的平衡结晶分析 含银量为42.4的Pt-Ag合金（合金，成分为D），其平衡结晶过程示意图如图3-23所示。,3.2.3 包晶相图,图3-23 合金的平衡结晶过程,合金发生包晶转变时，P点成分的相与C点成分的液相的相对含量可分别由杠杆定律求出：,48,含银量为10.542.4的Pt-Ag合金（合金）合金的平衡结晶过程示意图如图3-24所示。,3.2.3 包晶相图,图3-24 合金的平衡结晶过程,49,合金当温度降低至tD（2点）时，相和液相L的成分分别为P点和C点，两者的含量分别为,3.2.3 包晶相图,50,含银量为42.466.3的Pt-Ag合金（合金）合金的平衡结晶过程示意图如图3-25所示。,图3-25 合金的平衡结晶过程,3.2.3 包晶相图,51,3.2.5 含有稳定化合物的相图,在某些二元系合金中，组元间可能形成一些稳定的金属化合物。稳定化合物是指具有一定熔点，在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。Mg-Si二元合金相图（如图3-26)就是一种形成稳定化合物的相图。当含硅量为36.6时，Mg与Si形成稳定的化合物Mg2Si，它具有一定的熔点，在熔点以下能保持其固有的结构。,图3-26 Mg-Si合金相图,52,七、二元相图的规律及合金性能,1、二元相图的规律及相图分析1）单相区交于一点，而不能是线段2）单相区之间必定存在两相区3）三相共存，必定是一条水平线，该线必定与由这三相组合而成的三个两相区相邻4）如果两个恒温转变中有2个相同的相，那么水平线间一定是由这两个相组成的两相区。5）两相区和单相区的分界线与三相等温水平线相交，则分界线的延长线进入另一个两相区，不会进入单相区。2、合金性能与相图之间的关系 合金的性能取决于合金的化学成分和组织。在一定的条件下，一定成分的合金具有一定的组织，表现出一定的性能，因而相图与合金的性质必然存在一定的联系。1）合金的使用性能与相图之间的关系 合金的使用性能包括合金有力学性能、物理性能及其它性能等。图3-28表示了各类合金的相图和合金力学性能及物理性能之间的关系。,53,图3-28相图与合金的硬度、强度及电导率之间的关系,3.3.1 合金的使用性能与相图之间的关系,54,3.3.2 合金的工艺性能与相图之间的关系,2）合金的工艺性能与相图之间的关系,图3-29 相图与合金铸造性能之间的关系,55,3.4 铁碳合金的基本组织,铁碳合金相图是一个比较复杂的二元合金相图，它不仅可以表示不同成分的铁碳合金在平衡条件下的成分、温度与组织间的关系，而且可以推断其性能与成分、温度之间的关系。一、二元合金的组元及基本相 一般根据含碳量高低分为碳素钢和铸铁。1、纯铁 铁是一个过渡元素，在固态下可以发生两种同素异构转变。2、铁素体 概念：碳溶入-e中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。晶格：铁素体仍具有-Fe的体心立方晶格。溶解度：碳在-Fe中的溶解度小，727时溶解度最大为0.0218%，室温时几乎位零。,56,3.4 铁碳合金的基本组织,性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。组织：多边形晶粒。3、奥氏体 概念：碳溶入-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体存在于727以上。晶格：奥氏体具有-Fe的面心立方晶格。,57,溶解度：-Fe的溶碳能力比-Fe大，727时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148时其溶解度最大为2.11%。性能：奥氏体的强度和硬度 不高，塑性和韧性很好，易 锻压成形。组织：多边形晶粒，晶粒内有孪晶。,3.4 铁碳合金的基本组织,58,4、渗碳体 概念：渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，用化学式FeC表示。性能：渗碳体中碳的质量分数 为6.69%，熔点为1227，硬度很 高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆 性大。作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。,3.4 铁碳合金的基本组织,59,5、珠光体 概念：珠光体由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。成分与性能：珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，其性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬度适中。组织：在显微镜放大倍数较 高时，能清楚地看到铁素体和渗 碳体呈片层状交替排列的情况。由于珠光体中渗碳体量较铁素体 少，因此渗碳体层片较铁素体层 片薄。,3.4 铁碳合金的基本组织,60,6、莱氏体 概念：碳含量为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。在727以下莱氏体变成由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号Ld表示。性能：莱氏体的性能 与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。,3.4 铁碳合金的基本组织,61,3.5 Fe-Fe3C相图,铁碳合金相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形，是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基础，也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据。,62,三、典型合金的结晶过程及组织 A点：纯铁的熔点 C点：共晶点 D点：渗碳体的熔点 E点：碳在-Fe中的最大溶解度 G点：纯铁的同素异晶转变点 P点：碳在-Fe中的最大溶解度 S点：共析点 Q点：碳在-Fe中的溶解度,3.5 Fe-Fe3C相图,63,（2）相图中的主要特性线 ACD线：液相线，在ACD线以上合金为液态，用符号L表示。液态合金冷却到此线时开始结晶，在AC线以下结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体（FeC）。AECF线：固相线，在此线以下合金为固态。液相线与固相线之间为合金的结晶区域，这个区域内液体和固体共存。ECF线：共晶线，温度为1148。液态合金冷却到该线温度时发生共晶转变,即C点成分的液态合金缓慢冷却到共晶温度(1148)时，从液体中同时结晶出E点成分的奥氏体和渗碳体。共晶转变后的产物称为莱氏体，C点称为共晶点。凡是碳的质量分数为2.11%6.69%的铁碳合金均会发生共晶转变。,3.5 Fe-Fe3C相图,64,PSK线：共析线，又称A线，温度为727。铁碳合金冷却到该线温度时发生共析转变，即S点成分的奥氏体缓慢冷却到共析温度时，同时析出P点成分的铁素体和渗碳体。转变后的产物称为珠光体，S点称为共析点。凡是碳的质量分数为0.0218%6.69%的铁碳合金均会发生共析转变。ES线：碳在Fe中的溶解度曲线，又称Acm线。溶解度随温度的下降而减小，在1148时溶解度为2.11%(E点)，到727时降为0.77%(S点)。因此，凡碳的质量分数在0.77%以上的铁碳合金由1148冷却到727的过程中，都有渗碳体从奥氏体中析出，称为二次渗碳体（FeC）。GS线：又称A3线。是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线。,3.5 Fe-Fe3C相图,65,PQ线：碳在-Fe中的溶解度曲线。碳在-Fe中的溶解度随温度的下降而减小，在727时溶解度为0.0218%(P点)，到600时降为0.008%(Q点)。因此，铁碳合金从727向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号FeC表示。因其数量极少，常予以忽略。（3）相图中的相区 单相区：L、F、A、Fe3C。两相区：L+A、L+Fe3C、F+A、A+Fe3C、F+Fe3C。三相区（三相平衡线）：ECF、PSK。,3.5 Fe-Fe3C相图,66,3.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织,（1）、工业纯铁（2）共析钢：室温组织为珠光体(P)。（3）亚共析钢：室温组织为铁素体和珠光体(F+P)。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。,67,3.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织,（4）过共析钢：室温组织为珠光体和网状二次渗碳体(P+Fe3C)。随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。（5）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld)。,68,3.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织,（6）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体(P+Fe3C+Ld)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。（7）过共晶白口铁：室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体(Ld+Fe3C)。随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。,69,四、含碳量与铁碳合金组织及性能的关系 1、碳含量对室温平衡组织的影响 不同成分的铁碳合金室温下均由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化。2、含碳量对力学性能的影响 钢中渗碳体量愈多，其强度、硬度愈 高，而塑性、韧性相应降低。当钢中碳的 质量分数小于0.9%时，强度达到最 大值，当钢中碳的质量分数大 于0.9%时，强度 也明显下降。3、含碳量对工艺性能的影响（1）切削加工性能（2）、可锻性（3）铸造工艺性能（4）、可焊性,70,五、铁碳合金相图的应用 1、选材 需要塑性、韧性好材料，应选用低碳钢；需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用中碳钢；需要硬度高、耐磨性好的材料，应选用高碳钢。2、制订热加工工艺 铁碳相图可作为制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据，如确定浇注温度、确定锻造温度范围及热处理的加热温度等。,71,零部件常用的获得方法：1、铸件：由合金在一定几何形状，与尺寸的铸模中直接形成。应用有限2、铸锭：通过合金浇注成方的或者圆的铸锭，然后开坯。通过热轧或热锻，最终通过机加工和热处理甚至焊接来获得部件的几何尺寸和性能。对于铸件，其组织和缺陷直接影响其力学性能；对于铸锭，铸态组织和缺陷直接影响其加工性能，也可以影响到最终制品的力学性能。金属铸锭的组织特点：（1）表层细晶区；（2）柱状晶区；（3）中心等轴晶区。,第四节 金属的凝固组织,72,二、铸锭中的缺陷 铸锭缺陷在金属铸锭中除组织不均匀以外，常见的有偏析、缩孔及气孔。（1）偏析（2）缩孔（3）气孔,第四节 金属的凝固组织,