机械工程材料的凝固10407.pptx

材 料 的 凝 固 第三章第三章金属材料及热处理金属材料及热处理第三章第三章 材料的凝固材料的凝固 3.4 凝固组织与其控制凝固组织与其控制3.1 纯金属的结晶纯金属的结晶3.2 合金的结晶合金的结晶3.3 铁碳合金相图铁碳合金相图基本概念基本概念 凝固与结晶凝固与结晶凝凝 固：固：指物质从液态经冷却转变为固态的过程；指物质从液态经冷却转变为固态的过程；凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体结结 晶：晶：通过凝固形成晶体物质的过程通过凝固形成晶体物质的过程金属的凝固过程金属的凝固过程玻璃的凝固过程玻璃的凝固过程结晶过程结晶过程非晶体凝固过程非晶体凝固过程金属从液态过渡为固体晶态的转变金属从液态过渡为固体晶态的转变一次结晶一次结晶金属从一种固态过渡到另一种固体晶态的金属从一种固态过渡到另一种固体晶态的过程过程二次结晶二次结晶性能发生突变性能发生突变逐渐变化逐渐变化 影响凝固状态的因素影响凝固状态的因素1.熔融液体的粘度熔融液体的粘度粘度粘度表征液体表征液体中发生相对运中发生相对运动的阻力动的阻力粘度越大，表粘度越大，表示液体越粘稠示液体越粘稠液体层间的内摩擦力液体层间的内摩擦力越大，相对运动也越越大，相对运动也越困难困难原子无法迁移排成晶体原子无法迁移排成晶体形成无规则的原子排列形成无规则的原子排列金属材料熔体的金属材料熔体的粘度值极小粘度值极小，熔点附近原子的迁移能，熔点附近原子的迁移能力极强，绝大多数能凝固为晶体。力极强，绝大多数能凝固为晶体。2.熔融液体的冷却速度熔融液体的冷却速度冷却速度越大冷却速度越大阻止金属材料阻止金属材料中原子的迁移中原子的迁移非晶态的金属材料非晶态的金属材料第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶三、三、同素异构转变同素异构转变二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程一、一、结晶的热力学条件结晶的热力学条件一、一、结晶的热力学条件结晶的热力学条件热力学定律：在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统热力学定律：在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统自由能降低自由能降低的方向进行的方向进行液液 态态固固 态态T0温度升高温度升高自由能下降自由能下降同一物质的液体和晶体在不同同一物质的液体和晶体在不同温度下自由能的变化温度下自由能的变化T0理论结晶温度理论结晶温度低于低于T0高于高于T0物质处于晶体状态稳定物质处于晶体状态稳定物质处于液体稳定物质处于液体稳定液液 态态固固 态态T0液体与晶体的液体与晶体的自由能自由能-温度曲线温度曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线T0冷却曲线：冷却曲线：测定液体金属冷却时温度和时间的变化关测定液体金属冷却时温度和时间的变化关 系作出的曲线系作出的曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线T0理论结晶温度（理论结晶温度（熔点熔点）结晶时的过冷现象结晶时的过冷现象金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象实际结晶温度实际结晶温度TTT0过冷度过冷度TT0 T注：对注：对于某种金属来说，过冷度不于某种金属来说，过冷度不是恒定值，它的大小与冷却速度有是恒定值，它的大小与冷却速度有关，关，冷却速度越大，过冷度也越大冷却速度越大，过冷度也越大，则金属的实际结晶温度越低。则金属的实际结晶温度越低。由于在结晶由于在结晶时释放出结时释放出结晶潜热晶潜热过冷是结晶过冷是结晶的必要条件的必要条件结晶的结构条件结晶的结构条件形成晶核形成晶核固态金属固态金属原子作长程有序规则排列原子作长程有序规则排列金属结晶的实质金属结晶的实质:由短程有序的排列的由短程有序的排列的液态金属转变成具有长程有序排列的固液态金属转变成具有长程有序排列的固态金属态金属在一定条件下短程有序排列的在一定条件下短程有序排列的原子团有可能成为原子团有可能成为结晶的核心结晶的核心液态金属冷却到液态金属冷却到T T0 0以下以下经过一段时间经过一段时间晶核晶核固态金属原子排列固态金属原子排列液态金属原子排列液态金属原子排列孕育孕育期期液态金属液态金属原子作短程有序规则排列原子作短程有序规则排列二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程结晶过程结晶过程晶核不断形成晶核不断形成晶核不断长大晶核不断长大液体冷却到液体冷却到T0 0温度以下温度以下出现新的晶核出现新的晶核液液 体体经过一段时间经过一段时间(称为孕育期称为孕育期)晶晶 核核各个方向生长各个方向生长不断生核不断生核不断长大不断长大液体完全消失液体完全消失一些尺寸极小、一些尺寸极小、原子规则排列原子规则排列的小晶体的小晶体1.结晶的基本过程结晶的基本过程晶晶 体体每一个晶核每一个晶核 一个小晶粒一个小晶粒 多晶体多晶体结构结构1 1）晶核的形成方式）晶核的形成方式）晶核的形成方式）晶核的形成方式晶核的形晶核的形晶核的形晶核的形成方式成方式成方式成方式自发成核自发成核非自发成核非自发成核2.2.结晶后晶粒的大小结晶后晶粒的大小晶核可以由近程有序结构液体中晶核可以由近程有序结构液体中规则排列的原子团形成规则排列的原子团形成由液体中的固态杂质微粒作晶核由液体中的固态杂质微粒作晶核注：注：在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核同时在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核同时存在，但以非自发形核方式发生结晶更为普遍存在，但以非自发形核方式发生结晶更为普遍2)2)晶核的长大方式晶核的长大方式晶核的长大方式晶核的长大方式晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状长大树枝状长大均匀长大均匀长大主要方式主要方式过冷度很小时过冷度很小时实际金属结晶实际金属结晶时冷却速度较时冷却速度较大大晶核树枝状长大示意图晶核树枝状长大示意图3 3）晶粒大小）晶粒大小）晶粒大小）晶粒大小表示晶粒大小的一种尺寸表示晶粒大小的一种尺寸l 晶粒度晶粒度晶粒就是由一个晶核长大的晶体晶粒就是由一个晶核长大的晶体 晶粒大小一般以单位面积的晶粒数目或晶粒大小一般以单位面积的晶粒数目或以晶粒的平均直径来表示以晶粒的平均直径来表示标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。钢的晶粒度示意图（钢的晶粒度示意图（100 X 100 X）2 2级级1 1级级8 8级级7 7级级6 6级级5 5级级4 4级级3 3级级3.3.晶粒大小对材料性能的影响晶粒大小对材料性能的影响晶粒越细，常温下的力学性能越好晶粒越细，常温下的力学性能越好晶粒直径晶粒直径晶粒直径晶粒直径抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度伸长率伸长率伸长率伸长率7.0mm7.0mm7.0mm7.0mm180MPa180MPa180MPa180MPa38MPa38MPa38MPa38MPa30.6%30.6%30.6%30.6%0.1mm0.1mm0.1mm0.1mm278MPa278MPa278MPa278MPa116MPa116MPa116MPa116MPa50%50%50%50%对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大为减弱而致阻力大为减弱而致多晶体纯铁的晶粒大小与力学性能多晶体纯铁的晶粒大小与力学性能 决定晶粒度的因素决定晶粒度的因素晶粒的大小晶粒的大小长大的速度长大的速度形核率形核率单位时间单位体积内形成晶核的数目单位时间单位体积内形成晶核的数目形核率（形核率（N）晶核的长大速度（晶核的长大速度（G）单位时间晶体生长的线长度单位时间晶体生长的线长度形核率与长大速度的比值形核率与长大速度的比值N/G越大越大晶粒越细晶粒越细晶粒度晶粒度-N,G-N,G-过冷度关系曲线过冷度关系曲线 控制晶粒尺寸的方法控制晶粒尺寸的方法1.控制过冷度控制过冷度过冷度增大过冷度增大NG值增加值增加晶粒细小晶粒细小降低浇铸温度降低浇铸温度因此小型和薄壁铸件比因此小型和薄壁铸件比大型铸件组织细大型铸件组织细增大冷却速度增大冷却速度增加过冷度增加过冷度2.变质处理变质处理（孕育处理）（孕育处理）在液态金属中加入能在液态金属中加入能成为外生核的物质成为外生核的物质促进形核促进形核细化晶粒细化晶粒变质剂（孕育剂变质剂（孕育剂)注：注：不是加入任何物质都能起变质作用的，不同的不是加入任何物质都能起变质作用的，不同的 金属液体要加入不同的物质金属液体要加入不同的物质铸造工业中利用此法，可生产出高强度的孕育铸铁铸造工业中利用此法，可生产出高强度的孕育铸铁提高形提高形核率核率3.振动、搅拌等方法振动、搅拌等方法在结晶时，采用机械振在结晶时，采用机械振动、超声波处理等方法动、超声波处理等方法能促进形核能促进形核打碎正在生长的树状晶打碎正在生长的树状晶新的晶核新的晶核晶粒细化晶粒细化碎晶块碎晶块由于外部由于外部输入了能输入了能量量三、三、同素异构转变同素异构转变同素异构转变同素异构转变:物质在固态下其晶格类型随温度的变化物质在固态下其晶格类型随温度的变化 而发生转变的现象而发生转变的现象同素异晶体同素异晶体:同素异构转变所得到的不同晶格的晶体同素异构转变所得到的不同晶格的晶体同素异构转变同样也要遵循形核、长大的规律，但它是一同素异构转变同样也要遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即为固态相变个固态下的相变过程，即为固态相变在金属中，在金属中，锡、铁、锰、钴、钛锡、铁、锰、钴、钛等都存等都存在着同素异构转变在着同素异构转变1.基本概念基本概念温温度度时间时间1538153813941394912912-Fe-Fe-Fe纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变2.2.铁的同素异构转变铁的同素异构转变液态铁结晶后是液态铁结晶后是体心立方晶格体心立方晶格-Fe在在1394以下转变以下转变成面心立方晶格成面心立方晶格-Fe冷却至冷却至912时又转时又转变成体心立方晶格变成体心立方晶格-Fe-Fe-Fe-Fe13941394912912正是纯铁具有这种正是纯铁具有这种同素异晶转变同素异晶转变，因而才能对钢和铸铁进行各种热处因而才能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能理，以改变其组织和性能3.3.固态转变的特点固态转变的特点固态转变又称为固态转变又称为二次结晶或重结晶二次结晶或重结晶，它有与结晶不同的特点：，它有与结晶不同的特点：1、发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生，、发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷等如晶界、晶内缺陷等2、由于固态下扩散困难，因而固态转变的过冷倾向大、由于固态下扩散困难，因而固态转变的过冷倾向大固态相变组织通常要比结晶组织细固态相变组织通常要比结晶组织细3、固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大、固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大的内应力，使材料发生变形或开裂的内应力，使材料发生变形或开裂第二节第二节 合金的结晶合金的结晶2.二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析1.二元相图的建立二元相图的建立基本知识基本知识合金的结晶特点：合金的结晶特点：1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温温度范围内度范围内完成，而纯金属在完成，而纯金属在恒温恒温下完成；下完成；2.合金的结晶不仅会发生合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化晶体结构的变化，还会，还会伴有化伴有化学成分的变化学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。，而纯金属仅发生晶体结构的变化。合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成 的一系列不同成分的合金的总称的一系列不同成分的合金的总称合合 金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与 非金属元素组成的具有金属特性的物质非金属元素组成的具有金属特性的物质组元：组元：组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质；组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质；在大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合在大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合金分为二元合金、三元合金及多元合金金分为二元合金、三元合金及多元合金相：相：是指合金中是指合金中化学成分、晶体结构和原子聚集状态化学成分、晶体结构和原子聚集状态皆相同，皆相同，并以界面互相分开的各均匀组成部分并以界面互相分开的各均匀组成部分组织：组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中合金中不同形状、大小、数量和分布的相不同形状、大小、数量和分布的相，又称显微组织。，又称显微组织。相相 图：图：反映在反映在平衡条件平衡条件下各成分合金的结晶过程以及下各成分合金的结晶过程以及相和组织存在范围与变化规律的简明示意图相和组织存在范围与变化规律的简明示意图状态图：状态图：相图可以反映材料在不同条件下的状态相图可以反映材料在不同条件下的状态平衡图：平衡图：相图是通过材料在极其缓冷的条件下所测得相图是通过材料在极其缓冷的条件下所测得的试验数据建立的，反映各相平衡状态的关系的试验数据建立的，反映各相平衡状态的关系相相 图图状态图状态图平衡图平衡图缓慢冷缓慢冷却条件却条件下下1.二元相图的建立二元相图的建立CuNi二元合金系为例，说二元合金系为例，说明二元相图的建立过程明二元相图的建立过程1）配制出不）配制出不同成分的合金同成分的合金测出它们的测出它们的冷却曲线冷却曲线找出各曲线找出各曲线上的临界点上的临界点温度温度时间时间100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷却曲线合金的冷却曲线结晶的开始结晶的开始温度和终了温度和终了温度温度2）在温度在温度-成分坐标成分坐标系中过合金成分系中过合金成分点作成分垂线点作成分垂线将临界点标在成分线上将临界点标在成分线上将成分垂线上相同意义将成分垂线上相同意义的点连接起来，标上相的点连接起来，标上相应的数字和字母应的数字和字母Cu-Ni合金的二元相图合金的二元相图温度温度时间时间LCuNi20%20%80%80%60%60%40%40%Ni%100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷却曲线合金的冷却曲线Cu-Ni合金相图合金相图液相线：液相线：结结晶开始点的晶开始点的连线连线固相线固相线：结结晶终了点的晶终了点的连线连线在温度在温度-成分坐标成分坐标系中过合金成分系中过合金成分点作成分垂线点作成分垂线将临界点标将临界点标在成分线上在成分线上将成分垂线上相同意义的点连接将成分垂线上相同意义的点连接起来，标上相应的数字和字母起来，标上相应的数字和字母L+温度温度2.2.二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系二元匀晶相图二元匀晶相图二元共晶相图二元共晶相图二元包晶相图二元包晶相图形成稳定化合物的二元合晶相图形成稳定化合物的二元合晶相图具有共析反应的二元合晶相图具有共析反应的二元合晶相图二元相图的分析步骤二元相图的分析步骤二二元元相相图图的的基基本本类类型型二元匀晶相图二元匀晶相图定定 义：两组元在液态和固态下均无限互溶，且只发生义：两组元在液态和固态下均无限互溶，且只发生匀晶反应的相图匀晶反应的相图匀晶反应：从液相中直接结晶出固溶体的反应匀晶反应：从液相中直接结晶出固溶体的反应二元匀晶相图是最简单的二元相图，二元匀晶相图是最简单的二元相图，Cu-Ni;Cu-Au;Au-Cu-Ni;Cu-Au;Au-Ag;W-MoAg;W-Mo等合金都具有这类相图等合金都具有这类相图LABCuNiNi%Cu-Ni合金相图合金相图液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区L+两相区两相区铜的熔点铜的熔点镍的熔点镍的熔点1）相图分析）相图分析LABCuNiNi%Cu-Ni合金相图合金相图合金平衡结晶过程合金平衡结晶过程LLLL时间时间L+t1t2t3t4温度温度l1l2l31432l42 2）合金的结晶过程）合金的结晶过程温度温度分分 析析1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两相的成分变化线相的成分变化线2.2.匀晶转变是变温转变，在结晶过程中，液、固匀晶转变是变温转变，在结晶过程中，液、固两相的成分随温度而变化两相的成分随温度而变化3 3）杠杆定律）杠杆定律 确定两平衡相的成分确定两平衡相的成分LABCuNiNi%L+t1x1xx2abo 确定两平衡相的相对确定两平衡相的相对重量重量LABCuNiNi%L+x1xx2t1abo 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金成分为x过过x作成分垂线作成分垂线在垂线上相当于在垂线上相当于t1 1的的点做水平线点做水平线其与液、固相线的交点其与液、固相线的交点a，b所对应的成分所对应的成分x1 1、x2 2分别为分别为液相、固相的成分液相、固相的成分LABCuNiNi%L+x1xx2t1abo 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量设成分为设成分为x的合金的重量为的合金的重量为1固相相对重量为固相相对重量为Q，其成分为其成分为x2 2，则：，则：液相的相对重量为液相的相对重量为QL L，其成分为其成分为x1 1QL+Q=1QL*x1+Q*x2=x 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量QL+Q=1QL*x1+Q*x2=xQL=Q=x2-xx2-x1x-x1x2-x1LABCuNiNi%L+x1xx2t1aboQL=Q=QLQ注：杠杆定律只适用于两相区注：杠杆定律只适用于两相区支点是支点是合金的合金的成分成分端点是所求端点是所求两平衡相的两平衡相的成分成分4 4）枝晶偏析）枝晶偏析也称晶内偏析也称晶内偏析在一个晶粒中，造成先结晶晶轴在一个晶粒中，造成先结晶晶轴(枝干枝干)的成分和后的成分和后结晶晶轴结晶晶轴(分枝分枝)成分的差异成分的差异定定 义：义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀 的现象的现象成成 因：因：实际冷却速度较快实际冷却速度较快致使扩散过程落后于结晶过程致使扩散过程落后于结晶过程影响影响因素因素冷却速度冷却速度给定成分合金的液相线给定成分合金的液相线与固相线的垂直距离与固相线的垂直距离距离越大距离越大偏析相对越严重偏析相对越严重速度越大速度越大偏析相对越严重偏析相对越严重对合金性对合金性能的影响能的影响加工性能加工性能力学性能力学性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能解决方法解决方法将铸件加热到固相线以下将铸件加热到固相线以下100-200长时间长时间保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火可使原子充可使原子充分扩散，使分扩散，使成分均匀成分均匀二元共晶相图二元共晶相图定义：定义：组成二元合金的两组元，在液态能无限互组成二元合金的两组元，在液态能无限互 溶，但在固态只能有限互溶且发生共晶反应溶，但在固态只能有限互溶且发生共晶反应 时，其所构成的相图时，其所构成的相图Pb-Sb，A1-Si，Pb-Sn，Ag-Cu等等二元合金均为这类的相图二元合金均为这类的相图1）相图分析）相图分析AEB液相线液相线固相线固相线ACEDBA A点点Pb的熔点的熔点Sn的熔点的熔点B B点点相图中的点和线相图中的点和线PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+L+327温温度度19.261.997.5Sn%CF线线Sn在在Pb中的溶解度曲线中的溶解度曲线DG线线Pb在在Sn中的溶解度曲线中的溶解度曲线E点点共晶点共晶点CED线线共晶线共晶线PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+L+327温温度度19.261.997.5Sn%1 1）相图分析）相图分析相图中的相区相图中的相区液相区液相区液相线以上液相线以上合金全部处于液相合金全部处于液相L 相区相区 相是相是Sn溶于溶于Pb中的固溶体中的固溶体 相是相是Pb溶于溶于Sn中的固溶体中的固溶体两相两相共存共存区区单相区单相区 相区相区固相区固相区L+L+位于每两个单相区之间位于每两个单相区之间1 1）相图分析）相图分析共晶反应共晶反应水平线水平线CED共晶反应线共晶反应线浓度为浓度为E E的的L L相同时结晶出浓度为相同时结晶出浓度为C C的的相和浓度为相和浓度为D D的的相相共晶体共晶体在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程个成分和结构都不相同的新固相的转变过程共晶反应共晶反应共晶反应的产物，即两相的机械混合物共晶反应的产物，即两相的机械混合物共晶温度共晶温度发生共晶反应的温度发生共晶反应的温度共晶合金共晶合金LEcD+183(183)具有共晶成分的合金具有共晶成分的合金共晶反应是共晶反应是在恒温下进在恒温下进行的行的共晶体共晶体共晶反应共晶反应共晶温度共晶温度共晶合金液体共晶合金液体冷冷 却却注注:发生共晶反应时，发生共晶反应时，L、三个相平衡共三个相平衡共存，它们的成分固定，但各自的重量在不断变化存，它们的成分固定，但各自的重量在不断变化 水平线水平线CED是一个是一个三相区三相区2 2）典型合金的结晶过程）典型合金的结晶过程 含含Sn量小于量小于C点成分合金的结晶过程（以合金点成分合金的结晶过程（以合金为例）为例）LLL1234温度温度时间时间合金合金冷却冷却1点点开始结晶开始结晶出出相相1 1点到点到2 2点点匀晶反应匀晶反应单相单相固溶体固溶体2 2点到点到3 3点点固溶体冷却固溶体冷却组织无变化组织无变化3 3点以下点以下固溶体被固溶体被SnSn过饱和过饱和出现出现+二次相二次相从已有固相中析出的新固相，记作从已有固相中析出的新固相，记作冷却过程中两固相的重量变化冷却过程中两固相的重量变化相相相相沿沿CF线变化线变化沿沿DG线变化线变化室温下的室温下的相对重量相对重量Q=F4FG100%+合金合金室温下的组织室温下的组织成分大于成分大于D点合金的结晶过程与合金相似，其室温组点合金的结晶过程与合金相似，其室温组织为织为+二次析出二次析出形成二次相的过程形成二次相的过程 共晶合金的结晶过程（以合金共晶合金的结晶过程（以合金为例）为例）LEcD+183该合金冷却到该合金冷却到E点点共晶反应共晶反应温度继续下降温度继续下降共晶反应结束共晶反应结束相相相相沿沿CF线变化线变化沿沿DG线变化线变化析出析出析出析出合金合金室温下的组织室温下的组织+二次相不二次相不易分辨易分辨L+LL+121共晶反应刚结束时两相的相对重量百分比共晶反应刚结束时两相的相对重量百分比Q=EDCD100%Q=100%-Q=54.6%=97.5-61.997.5-19.2100%=45.5%亚共晶合金的结晶过程（以合金亚共晶合金的结晶过程（以合金为例）为例）LLL(+)LL温度温度时间时间3122(+)(+)合金液体合金液体匀晶转变匀晶转变一次一次相相一次一次的成分沿的成分沿AC线变化到线变化到C点点液相的成分沿液相的成分沿AE线变化到线变化到E点点析出析出LEcD+183LLL(+)LL温度温度时间时间3122(+)(+)匀晶反应共晶匀晶反应共晶反应二次析出反应二次析出 合金合金室温下的组织室温下的组织+(+)+亚共晶合金的结晶过程亚共晶合金的结晶过程 过共晶合金的结晶过程（以合金过共晶合金的结晶过程（以合金为例）为例）结晶过程与亚共晶合金相似结晶过程与亚共晶合金相似不同的是不同的是二次相二次相合金合金室温下的组织室温下的组织(+)+一次相一次相3）组织组成物在相图上的标注）组织组成物在相图上的标注组织组成物组织组成物组成合金显微组织的独立成分组成合金显微组织的独立成分相与相的差别主要在结构和成分上相与相的差别主要在结构和成分上组织组成物之间的差别主要在形态上组织组成物之间的差别主要在形态上组织和相组织和相的区别的区别二元包晶相图二元包晶相图定义：定义：当两组元在液态时无限互溶，在固态时当两组元在液态时无限互溶，在固态时 形成有限固溶体而且发生包晶反应时，其形成有限固溶体而且发生包晶反应时，其 所构成的相图所构成的相图常用的常用的Fe-CFe-C，Cu-ZnCu-Zn，Cu-SnCu-Sn等合金相图中，均等合金相图中，均包括这种类型的相图包括这种类型的相图二元包晶相图二元包晶相图1）相图分析）相图分析三个局部的匀晶相图三个局部的匀晶相图一条水平线组成一条水平线组成2）包晶反应）包晶反应定义：定义：包晶水平线上发生的反应是由一种液相和一种固包晶水平线上发生的反应是由一种液相和一种固相相互作用生成另一种固相的转变过程相相互作用生成另一种固相的转变过程LBHJ成分为成分为B(O.53B(O.53C)C)的液相的液相L LB B成分为成分为H(0.09H(0.09C)C)的初晶的初晶H H成分为成分为J(0.017J(0.017C)C)的的J J固固溶体溶体2 2）包晶反应）包晶反应具体过程具体过程 L L反应产物反应产物形核、成长形核、成长新相新相对内不断对内不断“吃掉吃掉”相，向内扩张相，向内扩张直到液相和固相任一方或直到液相和固相任一方或双方消耗完了为止，反应双方消耗完了为止，反应才告结束才告结束由于是一相包着另一相进行反应，故称为由于是一相包着另一相进行反应，故称为包晶反应包晶反应液相液相L L固相固相交界面上交界面上形成一层相外壳形成一层相外壳三相共存三相共存对外不断消耗液相，向液内长大对外不断消耗液相，向液内长大3）典型合金的结晶过程）典型合金的结晶过程合金合金在温度缓在温度缓冷到冷到2点时，反应点时，反应前的液相前的液相L和固和固 相相数量比为：数量比为：反应后两相全部耗尽，反应后两相全部耗尽，形成单一的新相形成单一的新相 匀晶反应包晶反应匀晶反应包晶反应 L/=HJ/JB结晶过程结晶过程温度温度结晶过程：结晶过程：合金合金在温度缓冷到在温度缓冷到2 2点时，反应前的液相点时，反应前的液相L L和固相和固相数量比为：数量比为：L/=H2/2BL/=H2/2B参加包晶反应的参加包晶反应的 相量过剩，相量过剩，所以反应所以反应后形成后形成+两相两相进入进入HNJ匀晶区，随温度的匀晶区，随温度的下降，下降，3 3点以下形成单相点以下形成单相 匀晶反应包晶反应匀晶反应包晶反应+匀晶反应匀晶反应 结晶过程：结晶过程：合金合金在温度缓冷到在温度缓冷到2点时，反应前的液相点时，反应前的液相L L和固相和固相数量比为：数量比为：L/=H2/2B参加包晶反应的参加包晶反应的L L相量过剩，相量过剩，所以反应所以反应后形成后形成L+L+两相两相进入进入JBCE匀晶区，随温度的匀晶区，随温度的下降，下降，3 3点以下形成单相点以下形成单相 匀晶反应包晶反应匀晶反应包晶反应+匀晶反应匀晶反应 具有共析反应的二元合金相图具有共析反应的二元合金相图水平线上的共析反应，自水平线上的共析反应，自 固固相中同时析出相中同时析出1 1和和2 2 两种新两种新相，即相，即 c1d2e+水平线水平线dcedce称为称为共析线共析线反应产物称为反应产物称为共析体共析体共析反应：共析反应：在一定温度下，在一定温度下，由一定成分的固相同时析出由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的两个成分和结构完全不同的新固相的反应新固相的反应共析反应是在固态下进行的共析反应是在固态下进行的反应中的原子扩散比较困难反应中的原子扩散比较困难易于达到较大的过冷度易于达到较大的过冷度生核率高生核率高与共晶组织相比，共与共晶组织相比，共析组织要细得多析组织要细得多共析反应的特点共析反应的特点二元相图的分析步骤二元相图的分析步骤1.先分清图中包括哪些基本类型的相图先分清图中包括哪些基本类型的相图2.相区的确定相区的确定 两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两个相邻单相区的相组成相区的相由两个相邻单相区的相组成 相区接触法则：相邻两个相区的相数差为相区接触法则：相邻两个相区的相数差为1 1 单相区的确定单相区的确定 相图中液相线以上为液相区相图中液相线以上为液相区 相图中每一条水平线必定与相图中每一条水平线必定与3 3个单相区接触个单相区接触 三相区的确定：三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成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3.分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程 做出典型合金冷却曲线示意图，二元合金冷却曲线的特做出典型合金冷却曲线示意图，二元合金冷却曲线的特征是征是 在单相区和两相区冷却曲线为一斜线；在单相区和两相区冷却曲线为一斜线；由一个相区过渡到另一个相区时，冷却曲线上出现拐点由一个相区过渡到另一个相区时，冷却曲线上出现拐点,发发生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶 分析合金结晶过程分析合金结晶过程 画出组织转变示意图画出组织转变示意图 计算各相、各组织组成物相对重量比：在单相区，合金由单相组计算各相、各组织组成物相对重量比：在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量；在两相区，两相的成分成，相的成分、重量即合金的成分、重量；在两相区，两相的成分随温度下降沿各自的相线变化，各相、各组成物的相对重量可由杠随温度下降沿各自的相线变化，各相、各组成物的相对重量可由杠杆定律；在三相区，三个相的成分固定，相对重量不断变化，杠杆杆定律；在三相区，三个相的成分固定，相对重量不断变化，杠杆定律不适用。定律不适用。相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系1.1.相图与合金力学性能、物理性能之间的关系相图与合金力学性能、物理性能之间的关系组织为机械混合物的合金，其组织为机械混合物的合金，其性能与合金成分呈直线关系性能与合金成分呈直线关系组织为固溶体的组织为固溶体的合金，随溶质元合金，随溶质元素含量的增加，素含量的增加，合金的强度和硬合金的强度和硬度也增加，产生度也增加，产生固溶强化，如果固溶强化，如果是无限互溶的合是无限互溶的合金，则在溶质含金，则在溶质含量为量为50%50%附近强度附近强度和硬度最高，性和硬度最高，性能与合金成分之能与合金成分之间呈曲线关系间呈曲线关系2.2.相图与铸造性能之间的关系相图与铸造性能之间的关系单相固溶体的合金，单相固溶体的合金，浇铸时合金流动性差浇铸时合金流动性差浇铸时不能充满铸型浇铸时不能充满铸型凝固后形成许多分散的缩孔凝固后形成许多分散的缩孔此类合金不宜此类合金不宜制作铸件制作铸件共晶成分的合金或接共晶成分的合金或接近共晶成分的合金，近共晶成分的合金，流动性好流动性好不易产生分散不易产生分散的缩孔的缩孔在凝固的过程中出现的集中缩孔的现象在凝固的过程中出现的集中缩孔的现象采取设置冒口的方法，并控制这种缩孔于采取设置冒口的方法，并控制这种缩孔于冒口处，待铸件成型后，再将冒口切除冒口处，待铸件成型后，再将冒口切除 此类合金的塑性较好，具有良好的压力此类合金的塑性较好，具有良好的压力加工性能加工性能第三节第三节 铁碳合金相图铁碳合金相图3.3.2 铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析3.3.1 铁碳合金的组元和相铁碳合金的组元和相3.3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程典型铁碳合金的平衡结晶过程3.3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响基本概念基本概念铁碳合金铁碳合金:碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金元的合金碳碳 钢钢:含碳量为含碳量为0.0218%2.11%的铁碳合金的铁碳合金铸铸 铁铁:含碳量大于含碳量大于2.11%的铁碳合金的铁碳合金铁碳合金相图铁碳合金相图:研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。定各种热加工工艺的依据。注：注：由于含碳量大于由于含碳量大于Fe3 3C的含碳量（的含碳量（6.69%）时，合金）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是是Fe-Fe3C3.3.1 3.3.1 铁碳合金的组元和相铁碳合金的组元和相1.1.纯铁纯铁纯铁纯铁指的是室温下的指的是室温下的-Fe-Fe注：注：纯铁的同素异构转变是一纯铁的同素异构转变是一个相变过程，有着很重要的实个相变过程，有着很重要的实际意义，正是因为有了这种转际意义，正是因为有了这种转变，才有可能使钢铁通过热处变，才有可能使钢铁通过热处理及合金化的途径实现组织性理及合金化的途径实现组织性能的多种变化能的多种变化强度、硬度低，塑性、韧性好强度、硬度低，塑性、韧性好2.2.碳碳碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体石墨具有简单的六方晶格石墨具有简单的六方晶格碳在铁碳合金中的存在形式有三种碳在铁碳合金中的存在形式有三种 C C溶于溶于FeFe的不同晶格中形成固溶体的不同晶格中形成固溶体 C C与与FeFe形成金属化合物，即渗碳体形成金属化合物，即渗碳体 C C以游离态的石墨存在于合金中以游离态的石墨存在于合金中石墨耐高温，可导电，石墨耐高温，可导电，有一定的润滑性，但有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性其强度、硬度、塑性和韧性极低和韧性极低 C C溶于溶于FeFe的不同晶格的不同晶格中形成固溶体中形成固溶体 铁素体铁素体n C溶于溶于-Fe中所形成的间隙中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格固溶体，体心立方晶格n 符号符号“F”或或“”表表示示n 铁素体是一种强度和硬度铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相低，而塑性和韧性好的相n 铁素体在室温下可稳定存在铁素体在室温下可稳定存在 奥氏体奥氏体n C溶于溶于-Fe中所形成的间中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格隙固溶体，面心立方晶格n 符号符号“A”或或“”表表示示n 奥氏体强度低、塑性好，钢奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进材的热加工都在奥氏体相区进行行n 奥氏体在高温下可稳定存在奥氏体在高温下可稳定存在 C C与与FeFe形成金属化合物，即渗碳体形成金属化合物，即渗碳体FeFe3 3C Cu Fe与与C组成的金属化合物组成的金属化合物具有复杂的晶体结构具有复杂的晶体结构渗碳体的含碳量为渗碳体的含碳量为6.69u 渗碳体以渗碳体以“Fe3C”或或“Cm”符号表符号表示示u 渗碳体的熔点为渗碳体的熔点为1227，硬度很高，硬度很高(HB800)而脆，塑而脆，塑性几乎等于零性几乎等于零u 渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相强化相u 碳在碳在-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在墨的形式存在3.3.2 3.3.2 铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析包晶相图包晶相图由三个相图组成由三个相图组成共析相图共析相图共晶相图共晶相图五个基本相：五个五个基本相：五个单相区单相区液相液相L L高温铁素体高温铁素体 铁素体铁素体 奥氏体奥氏体 渗碳体渗碳体 FeFe3 3C C相图的分析相图的分析相图的分析相图的分析三条水平线三条水平线 HJB水平线（水平线（1495）包晶线，发生包晶反应，包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体反应产物为奥氏体L0.53+0.090.17 ECF水平线（水平线（1148）共晶线，发生共晶反应，反共晶线，发生共晶反应，反应产物为奥氏体和渗碳体的应产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，机械混合物，称为莱氏体，用用“Le”表示表示L