凝固与相变精选PPT.ppt

关于凝固与相变第1页，讲稿共83张，创作于星期一 第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶n n凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念n n结晶的现象与规律结晶的现象与规律n n同素异晶同素异晶(构构)转变转变第2页，讲稿共83张，创作于星期一1.1.凝固凝固 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。一、一、凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程有序结构1.1 1.1 晶体的结晶晶体的结晶第3页，讲稿共83张，创作于星期一晶体的结晶晶体的结晶2.2.结晶结晶*物质从一种原子排列状态物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态晶态或非晶态)过渡为另一过渡为另一种原子规则排列状态种原子规则排列状态(晶态晶态)的转变过程。的转变过程。*即物质中的原子由短程有序排列向长程有序排列的过即物质中的原子由短程有序排列向长程有序排列的过程。程。第4页，讲稿共83张，创作于星期一-FTTFTnToTL液相液相固相固相 F 物体的物体的自由能自由能 结晶的能量条件及结构条件结晶的能量条件及结构条件结晶的能量条件及结构条件结晶的能量条件及结构条件第5页，讲稿共83张，创作于星期一2.过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度n n过冷现象过冷现象(supercooling)：结晶时，实：结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。际结晶温度低于理论结晶温度的现象。n n过冷度过冷度(degree of supercooling)T=T0 0 Tn nn n过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。第6页，讲稿共83张，创作于星期一结晶的冷却曲线结晶的冷却曲线1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线To时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)第7页，讲稿共83张，创作于星期一非晶体的凝固过程非晶体的凝固过程 非晶体的凝固虽然也是由液态转化为固态，但在本质非晶体的凝固虽然也是由液态转化为固态，但在本质上与晶体的结晶有区别。在非晶体的凝固中熔体实质是上与晶体的结晶有区别。在非晶体的凝固中熔体实质是粘滞系数连续加大的过程，非晶固态可以看作粘滞系数粘滞系数连续加大的过程，非晶固态可以看作粘滞系数很大的熔体。很大的熔体。第8页，讲稿共83张，创作于星期一2 2、结晶的一般过程、结晶的一般过程形核形核+核长大核长大微小微小晶核晶核长大长大晶体晶体两个密切联系的过程，即生核和长大 第10页，讲稿共83张，创作于星期一（一）晶核的生成：（一）晶核的生成：、自发生核、自发生核(同质形核同质形核)两条途径2 2、非自、非自发发形核形核(异质形核异质形核)自发生核自发生核:即晶体核心是从液体结构内部自发长出来的即晶体核心是从液体结构内部自发长出来的.其形成条件其形成条件是是:必须具有足够的过冷度必须具有足够的过冷度.*非自发形核非自发形核 T=200T=200非自发形核非自发形核:晶核是依附外来杂质而生成的晶核是依附外来杂质而生成的.*非自发形核非自发形核 T=20 T=20 在实际金属和合金中在实际金属和合金中,非自发形核比自发生核更重要非自发形核比自发生核更重要,往往起优先和主往往起优先和主导作用导作用第11页，讲稿共83张，创作于星期一（二）晶体的长大方式（生长形态）（二）晶体的长大方式（生长形态）平面状长大树枝状长大 第12页，讲稿共83张，创作于星期一第13页，讲稿共83张，创作于星期一金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶第14页，讲稿共83张，创作于星期一2.影响形核和长大率的因素影响形核和长大率的因素v形核率形核率:在单位时间内在单位时间内,单位体积中所产生的单位体积中所产生的晶核数晶核数,以以N N表示表示.晶核的长大速率：单位时间内晶核长大的平均速度晶核的长大速率：单位时间内晶核长大的平均速度以以G G表示。表示。过冷度的影响过冷度的影响未熔杂质的影响未熔杂质的影响影响影响形核和长大率的形核和长大率的因素因素第15页，讲稿共83张，创作于星期一1)过冷度的影响过冷度的影响第16页，讲稿共83张，创作于星期一2)难熔杂质的影响难熔杂质的影响提高形核率提高形核率*金属结晶过程中，非自发形核的作用往往是金属结晶过程中，非自发形核的作用往往是主要的。所以，某些高熔点的杂质，特别是当主要的。所以，某些高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结结构与金属的晶体结构有某些相似时，杂质的晶体结结构与金属的晶体结构有某些相似时，将强烈地促使非自发形核，大大提高将强烈地促使非自发形核，大大提高形核率。形核率。第17页，讲稿共83张，创作于星期一三、晶粒大小及控制三、晶粒大小及控制1 1 1 1、晶粒度、晶粒度、晶粒度、晶粒度用于描述晶粒大小的参数用于描述晶粒大小的参数用于描述晶粒大小的参数用于描述晶粒大小的参数常用的表示方法常用的表示方法常用的表示方法常用的表示方法（1 1 1 1）单位体积的晶粒数目（）单位体积的晶粒数目（）单位体积的晶粒数目（）单位体积的晶粒数目（Z Z Z ZV V V V）；或单位面积内的晶）；或单位面积内的晶）；或单位面积内的晶）；或单位面积内的晶粒数目（粒数目（粒数目（粒数目（Z Z Z ZS S S S）或晶粒的平均线长度（或直径）表示）或晶粒的平均线长度（或直径）表示）或晶粒的平均线长度（或直径）表示）或晶粒的平均线长度（或直径）表示2 2、晶粒大小控制、晶粒大小控制影响晶粒大小的主要因素：形核率和核长大速度影响晶粒大小的主要因素：形核率和核长大速度形核率愈大形核率愈大,则结晶后的晶粒愈多则结晶后的晶粒愈多,晶粒就愈小晶粒就愈小.如果如果形核率不变形核率不变,晶核的长大速度愈小晶核的长大速度愈小,则结晶所需的时则结晶所需的时间愈长间愈长,能生成的核心愈多能生成的核心愈多,晶粒就愈细晶粒就愈细.晶粒度晶粒度 形核率形核率/核长大速度核长大速度第18页，讲稿共83张，创作于星期一晶粒大小的控制晶粒大小的控制1.增大过冷度增大过冷度：由于晶粒大小取决于形核率与长大速度的比：由于晶粒大小取决于形核率与长大速度的比值值,而形核率与长大速度以及它们的比值又决定过冷度而形核率与长大速度以及它们的比值又决定过冷度,所以所以晶粒大小实际上可以通过过冷度来控制晶粒大小实际上可以通过过冷度来控制.2.变质处理变质处理:就是有意地向液态金属中加入某些变质剂就是有意地向液态金属中加入某些变质剂,以细化晶粒和改善组织以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的达到提高材料性能的目的.变质剂的作用有两种情况变质剂的作用有两种情况.变质剂加入液态金属时变质剂加入液态金属时,能直能直接增加形核中心接增加形核中心.这一类变质剂称为孕育剂这一类变质剂称为孕育剂,相应处理称相应处理称为孕育处理为孕育处理.另一种情况是加入变质剂另一种情况是加入变质剂,虽然不能提供结晶核心虽然不能提供结晶核心,但但能改变晶核的生长条件能改变晶核的生长条件,强烈地阻碍晶核的长大或改善组织形态强烈地阻碍晶核的长大或改善组织形态.3.其他其他：机械振动、超声波振动、电磁搅拌、热加工后再结晶：机械振动、超声波振动、电磁搅拌、热加工后再结晶第19页，讲稿共83张，创作于星期一n n纯铁的同素异晶纯铁的同素异晶纯铁的同素异晶纯铁的同素异晶(allomorph)(allomorph)转变反应式转变反应式转变反应式转变反应式:第二节第二节 金属的同素异构转变金属的同素异构转变1394 C912 Cbccfccbcc-Fe -Fe -Fe一、同素异构现象：晶体在外界条件变化时具有不同一、同素异构现象：晶体在外界条件变化时具有不同晶体结构的现象晶体结构的现象二、同素异构转变：同种晶体材料发生的不同晶二、同素异构转变：同种晶体材料发生的不同晶体结构之间的变化，也称固态相变。是原子重新体结构之间的变化，也称固态相变。是原子重新排列的过程，遵循形核和核长大规律。排列的过程，遵循形核和核长大规律。第20页，讲稿共83张，创作于星期一纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912-Fe -Fe-Fe第21页，讲稿共83张，创作于星期一 同素异构转变的过程同素异构转变的过程同素异构转变的过程同素异构转变的过程,也就是原子重新排列的过也就是原子重新排列的过也就是原子重新排列的过也就是原子重新排列的过程程程程,它也遵循生核与长大的基本规律它也遵循生核与长大的基本规律它也遵循生核与长大的基本规律它也遵循生核与长大的基本规律.由此可见由此可见由此可见由此可见,同素异同素异同素异同素异构转变实质上也是一种广义的结晶过程构转变实质上也是一种广义的结晶过程构转变实质上也是一种广义的结晶过程构转变实质上也是一种广义的结晶过程,与液与液与液与液-固结晶过固结晶过固结晶过固结晶过程不同之处在于晶体结构的转变是在固态下进行的程不同之处在于晶体结构的转变是在固态下进行的程不同之处在于晶体结构的转变是在固态下进行的程不同之处在于晶体结构的转变是在固态下进行的.同分异构同分异构:把化学成分相同把化学成分相同,而组成原子而组成原子排列成不同的分子结构现象排列成不同的分子结构现象.它主要存在于它主要存在于有机物质和高分子材料中有机物质和高分子材料中.第22页，讲稿共83张，创作于星期一第二节第二节 合金的结晶合金的结晶n n一、二元相图的建立一、二元相图的建立一、二元相图的建立一、二元相图的建立n n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n n1 1 1 1、二元匀晶相图、二元匀晶相图、二元匀晶相图、二元匀晶相图n n2 2 2 2、二元共晶相图、二元共晶相图、二元共晶相图、二元共晶相图n n3 3 3 3、二元包晶相图、二元包晶相图、二元包晶相图、二元包晶相图n n4 4 4 4、形成稳定化合物的二元相图、形成稳定化合物的二元相图、形成稳定化合物的二元相图、形成稳定化合物的二元相图n n5 5 5 5、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图n n6 6 6 6、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤n n7 7 7 7、相图与合金性能之间的关系、相图与合金性能之间的关系、相图与合金性能之间的关系、相图与合金性能之间的关系第23页，讲稿共83张，创作于星期一1.二元合金的相图和凝固二元合金的相图和凝固 一、相图的基本概念一、相图的基本概念 n n合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。n n相图又称状态图或平衡图，是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶相图又称状态图或平衡图，是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶相图又称状态图或平衡图，是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶相图又称状态图或平衡图，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。过程的简明图解。过程的简明图解。n n它是表示体系的成分、外界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是表示体系的成分、外界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是表示体系的成分、外界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是表示体系的成分、外界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。n n它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力。压力。压力。压力。第24页，讲稿共83张，创作于星期一二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平元的含量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示，通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成面上表示，通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。分。横座标用线段表示成分，纵座标表示温度。横座标用线段表示成分，纵座标表示温度。(如图如图)n n合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例合金系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配制的一系列不同成分的合金配制的一系列不同成分的合金配制的一系列不同成分的合金.n n组元是指组成合金的最简单、最基本、组元是指组成合金的最简单、最基本、组元是指组成合金的最简单、最基本、组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。能够独立存在的物质。能够独立存在的物质。能够独立存在的物质。n n多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元可看作组元可看作组元可看作组元,如如如如Fe-CFe-C合金中的合金中的合金中的合金中的Fe3C.Fe3C.第25页，讲稿共83张，创作于星期一相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随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，是制订熔炼、铸造、热加工及温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。热处理工艺的重要依据。相图作用：相图作用：1.1.由材料的成分和温度预知平衡相；由材料的成分和温度预知平衡相；2.2.材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；规律；3.3.估算平衡相的数量。估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能预测材料的组织和性能第26页，讲稿共83张，创作于星期一2 2、相图的建立、相图的建立、相图的建立、相图的建立常用热分析法常用热分析法常用热分析法常用热分析法第27页，讲稿共83张，创作于星期一时间时间温度90 705030AB温度A温度B温度第28页，讲稿共83张，创作于星期一abLL +SSL:液相区液相区S:固相区固相区L+S:液固共存区液固共存区AB温度二、二元匀晶相图与固溶体的凝固二、二元匀晶相图与固溶体的凝固1.二元匀晶相图二元匀晶相图:两组两组元在液态和固态均能元在液态和固态均能无限互溶所构成的相无限互溶所构成的相图图.第29页，讲稿共83张，创作于星期一2.2.固溶体材料冷却时组织转变：固溶体材料冷却时组织转变：0点以上液体冷却点以上液体冷却1点开始凝固，固体成分点开始凝固，固体成分在对应固相线处在对应固相线处12之间，温度下降，液之间，温度下降，液体数量减少，固体数量增体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线和固相加，成分沿液相线和固相线变化，线变化，到到2点，液体数量为点，液体数量为0，固体成分回到合金，固体成分回到合金原始成分，凝固完成原始成分，凝固完成2点以下固体冷却，无点以下固体冷却，无组织变化组织变化第30页，讲稿共83张，创作于星期一2.2.两相平衡时的数量分配规律杠杆定律两相平衡时的数量分配规律杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。n n现以现以现以现以Cu-NiCu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：n n 确定两平衡相的成分：设合金成分为确定两平衡相的成分：设合金成分为确定两平衡相的成分：设合金成分为确定两平衡相的成分：设合金成分为x x，过，过，过，过x x做成做成做成做成分垂线。分垂线。分垂线。分垂线。在成分垂线相当于温度在成分垂线相当于温度t 的的o点作水平线，其与液固相线点作水平线，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成分。即分别为液相和固相的成分。12 t第31页，讲稿共83张，创作于星期一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，液相重量为QL，固相重量为，固相重量为Q.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。则则则则 QQl l +QQ =1=1 QQl l x x1 1+QQ x x2 2=x x 解方程组得解方程组得解方程组得解方程组得第32页，讲稿共83张，创作于星期一因此两相的相对重量百分比为：因此两相的相对重量百分比为：因此两相的相对重量百分比为：因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：两相的重量比为：两相的重量比为：两相的重量比为：第33页，讲稿共83张，创作于星期一n n上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温定律。即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。度下与各自相区距离较远的成分线段之比。度下与各自相区距离较远的成分线段之比。度下与各自相区距离较远的成分线段之比。n n在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分.n n杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。n n例例例例（如图）（如图）（如图）（如图）第34页，讲稿共83张，创作于星期一1.与纯金属凝固一样，结晶过程包括形核和长大；结晶与纯金属凝固一样，结晶过程包括形核和长大；结晶需要一定的过冷度才能开始。需要一定的过冷度才能开始。2.结晶在一温度范围内进行。只有在温度不断下降时固体结晶在一温度范围内进行。只有在温度不断下降时固体量才增加，温度不变，结晶数量维持平衡不变量才增加，温度不变，结晶数量维持平衡不变可利用可利用杠杆定律计算两相相对量。杠杆定律计算两相相对量。3.结晶过程中液体和固体的成分分别沿液、固线不断结晶过程中液体和固体的成分分别沿液、固线不断变化。变化。合金固溶体形成的特点：合金固溶体形成的特点：如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产生晶内偏析（也称枝晶偏析）；工程中分也不均匀，产生晶内偏析（也称枝晶偏析）；工程中采用先快冷，再在固态较高温度下让成分均匀采用先快冷，再在固态较高温度下让成分均匀高温扩高温扩散退火。散退火。第35页，讲稿共83张，创作于星期一三、二元共晶相图三、二元共晶相图1.1.相图形式相图形式 两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，一组元溶入另两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，一组元溶入另一组元中时都使结晶温度下降，并发生共晶转变（一组元中时都使结晶温度下降，并发生共晶转变（LEC+D）。）。如如PbSn、AgCu等二元共晶相图。等二元共晶相图。相图的构成：相图的构成：tA-E-tB为液相线，为液相线，与其对应的与其对应的tA-C-E-D-tB为固相为固相线；线；CG和和DH线为固溶体线为固溶体、的溶解度随温度变化线；的溶解度随温度变化线；CED为水平共晶线。将相图分成三为水平共晶线。将相图分成三个单相区个单相区 L、；三个双相；三个双相区区L、L、和和 一个一个三相区三相区L，即，即CED为共为共晶线。晶线。第36页，讲稿共83张，创作于星期一2.2.共晶合金的凝固共晶合金的凝固1）共晶成分（）共晶成分（E点）合金点）合金温度温度TE以上是液体的冷却以上是液体的冷却到达到达TE温度，发生共晶转变，温度，发生共晶转变，（LEC+D），），得到两固相的混得到两固相的混合物，称为共晶体，一般呈层片合物，称为共晶体，一般呈层片分布。分布。在在TE温度以下是固溶体的冷却，温度以下是固溶体的冷却，共共晶体体中的晶体体中的相和相和相相成分分别沿成分分别沿CG线和线和DH线变化并析出线变化并析出II和II。这种由固相中析出的固相称为次生相，由于由于次生相都相应地同相和相和连在一起，且数量较少，故不改变共且数量较少，故不改变共晶体的形貌。晶体的形貌。第37页，讲稿共83张，创作于星期一合金合金(成分在成分在CE之间之间)：L L+初初+(L+)(初初+II)+(+)共共 在到达在到达TE温度前转变同固溶体的转变温度前转变同固溶体的转变,在在TE温度下剩余的液体温度下剩余的液体转变同共晶成分转变同共晶成分E(合金合金)的转变。的转变。第38页，讲稿共83张，创作于星期一室温下的平衡相室温下的平衡相室温下的组织组成物室温下的组织组成物第39页，讲稿共83张，创作于星期一四、其它类型相图四、其它类型相图1.1.二元包晶相图二元包晶相图 两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包晶转变。生包晶转变。相图的构成：相图的构成：ac和和bc为两液相线，与其对为两液相线，与其对应的应的ad和和bp为两固相线；为两固相线；df和和pg固溶体固溶体、的溶解度随温度变化线；的溶解度随温度变化线；dpc为包晶转变为包晶转变线。线。它们分隔相图为三个单相区它们分隔相图为三个单相区L、；三个双相区；三个双相区L、L、；一个三相区一个三相区 L，即水平线，即水平线dpc为包晶线。为包晶线。包晶转变包晶转变 LC+d P 第40页，讲稿共83张，创作于星期一2.2.形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图 以化合物的单相区为界将相图分割成若干区域，则每个区以化合物的单相区为界将相图分割成若干区域，则每个区域为已经讨论过的简单域为已经讨论过的简单(匀晶、共晶、包晶匀晶、共晶、包晶)相图，按简单相图相图，按简单相图的规律来分析。的规律来分析。第41页，讲稿共83张，创作于星期一 相图与合金物理、力学性能之间的关系相图与合金物理、力学性能之间的关系第42页，讲稿共83张，创作于星期一合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系固溶体合金液固固溶体合金液固相线间距大、偏析相线间距大、偏析倾向大倾向大,树枝晶发树枝晶发达达,流动性降低流动性降低,补缩能力下降补缩能力下降,分散缩孔增加分散缩孔增加共晶合金结晶温共晶合金结晶温度低度低,流动性好，流动性好，缩孔集中，缩孔集中，偏析小，铸造偏析小，铸造性能好性能好第43页，讲稿共83张，创作于星期一 铸锭（件）的凝固铸锭（件）的凝固铸锭（件）的结晶组织铸锭（件）的结晶组织铸锭（件）的结晶组织铸锭（件）的结晶组织 实际生产中，金属或实际生产中，金属或实际生产中，金属或实际生产中，金属或合金在定模或铸型中结合金在定模或铸型中结合金在定模或铸型中结合金在定模或铸型中结晶组织都有三个晶区：晶组织都有三个晶区：晶组织都有三个晶区：晶组织都有三个晶区：1.1.细等轴晶区细等轴晶区细等轴晶区细等轴晶区 晶粒细小，取向随机，晶粒细小，取向随机，晶粒细小，取向随机，晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭尺寸等轴，因为浇铸时锭尺寸等轴，因为浇铸时锭尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加模温度低，大的过冷度加模温度低，大的过冷度加模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，上模壁和涂料帮助形核，上模壁和涂料帮助形核，上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触大的形核率使与锭模接触大的形核率使与锭模接触大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。的表层得到等轴细晶区。的表层得到等轴细晶区。的表层得到等轴细晶区。第44页，讲稿共83张，创作于星期一2.2.柱状晶区柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。方向基本相同的长形晶粒区。3.3.中心等轴晶区中心等轴晶区 凝固的后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降凝固的后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固点以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核到凝固点以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。晶粒通常较粗大。4.4.力学性能力学性能 表层硬表层硬;柱状区有方向性柱状区有方向性;中心疏松、多杂质中心疏松、多杂质5.5.铸锭缺陷：铸锭缺陷：集中缩孔集中缩孔最后凝固部位。要控制部位，便于切去。最后凝固部位。要控制部位，便于切去。第45页，讲稿共83张，创作于星期一第四节第四节 铁碳合金系相图铁碳合金系相图(FeFe3C)第46页，讲稿共83张，创作于星期一 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200时间16001500500700900110013001400912-Fe -Fe-Fe一、铁碳合金的相一、铁碳合金的相 (基本相：铁素体、奥氏体和基本相：铁素体、奥氏体和Fe3C)Fe3C)铁素体：铁素体：l碳在碳在-Fe-Fe中的固溶体中的固溶体称铁素体称铁素体,用用F F 或或 表示。表示。碳在碳在-Fe中的固溶体中的固溶体称称高温高温铁素体，用铁素体，用 表表示。示。都是体心立方间隙固都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳溶体。铁素体的溶碳能力很低能力很低,在在727时时最大为最大为0.0218%，室，室温下仅为温下仅为0.0008%。第47页，讲稿共83张，创作于星期一n n 奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体:n n碳在碳在碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称奥氏体。用中的固溶体称奥氏体。用中的固溶体称奥氏体。用中的固溶体称奥氏体。用A A或或或或 表示。表示。表示。表示。n n是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，11481148时最时最时最时最大为大为大为大为2.11%2.11%。l组织为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在性好，钢材热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体第48页，讲稿共83张，创作于星期一n n 渗碳体：即渗碳体：即渗碳体：即渗碳体：即FeFe3 3C,C,含碳含碳含碳含碳6.69%,6.69%,用用用用FeFe3 3C C或或或或C Cmm表示。表示。表示。表示。n nFeFe3 3C C硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。lFe3C是一个亚稳相，在一定条是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨),该反应对该反应对铸铁有重要意义。铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在-Fe中的溶解度很小，中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要因而常温下碳在铁碳合金中主要以以Fe3C或石墨的形式存在。或石墨的形式存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体第49页，讲稿共83张，创作于星期一二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析n n 特征点特征点特征点特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+第50页，讲稿共83张，创作于星期一2、相图中各点的参数及含义、相图中各点的参数及含义第51页，讲稿共83张，创作于星期一n n 特征线特征线特征线特征线n n 液相线液相线液相线液相线ABCDABCD，固相线固相线固相线固相线AHJECFD AHJECFD n n 三条水平线：三条水平线：三条水平线：三条水平线：n nHJBHJB：包晶线：包晶线：包晶线：包晶线L LB B+HH J J n nECFECF：共晶线：共晶线：共晶线：共晶线L LC C E E+Fe+Fe3 3C Cn n共晶产物是共晶产物是共晶产物是共晶产物是 与与与与FeFe3 3C C的机械混的机械混的机械混的机械混合物，称作莱氏体合物，称作莱氏体合物，称作莱氏体合物，称作莱氏体,用用用用LeLe表示。表示。表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状为蜂窝状为蜂窝状,以以以以FeFe3 3C C为基，性能硬为基，性能硬为基，性能硬为基，性能硬而脆。而脆。而脆。而脆。莱氏体莱氏体第52页，讲稿共83张，创作于星期一n nPSKPSK：共析线：共析线 S S F FP P+Fe+Fe3 3C Cn n共析转变的产物是共析转变的产物是 与与FeFe3 3C C的机械混合物的机械混合物,称作称作珠光体，用珠光体，用P 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两珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布相呈片层相间分布,性能性能介于两相之间。介于两相之间。PSK线线又称又称A1线线。第53页，讲稿共83张，创作于星期一n n 其它相线其它相线其它相线其它相线n nGS,GPGS,GP 固溶体转固溶体转固溶体转固溶体转变线变线变线变线,GS,GS又称又称又称又称A A3 3 线线线线.n nHN,JNHN,JN 固溶体转变固溶体转变固溶体转变固溶体转变线，线，线，线，n nESES碳在碳在碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶中的固溶中的固溶中的固溶线。又称线。又称线。又称线。又称A Ac mc m线。线。线。线。n nPQPQ碳在碳在碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶中的固溶中的固溶中的固溶线。线。线。线。第54页，讲稿共83张，创作于星期一n n 三个三相区：即三个三相区：即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水三条水平线平线 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 第55页，讲稿共83张，创作于星期一三、典型合金的平衡结晶过程三、典型合金的平衡结晶过程钢钢钢钢(0.02182.11%C)(0.02182.11%C)高高高高温温温温组组组组织织织织为为为为单相单相单相单相奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体 亚共析钢亚共析钢亚共析钢亚共析钢 0.0218 0.77%C0.0218 0.77%C 共析钢共析钢共析钢共析钢 0.77%C0.77%C 过共析钢过共析钢过共析钢过共析钢 0.772.11%C0.772.11%C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：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。工工业业纯纯铁铁第56页，讲稿共83张，创作于星期一 白口铸铁，含碳白口铸铁，含碳白口铸铁，含碳白口铸铁，含碳 2.116.69%2.116.69%，铸铸铸铸造造造造性性性性能好能好能好能好,硬而脆硬而脆硬而脆硬而脆 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)(2.114.3%C)共共共共 晶晶晶晶 白白白白 口口口口 铸铸铸铸 铁铁铁铁(4.3%C)(4.3%C)过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)(4.36.69%C)第57页，讲稿共83张，创作于星期一二、典型铁碳合金结晶过程分析n n1 1含碳含碳0.01%0.01%的工业纯铁的工业纯铁 n n2.2.含碳含碳0.77%0.77%的共析钢（合金的共析钢（合金）n n3.3.含碳含碳0.40%0.40%的亚共析钢（合金的亚共析钢（合金）n n4 4含碳含碳1.2%1.2%的过共析钢（合金的过共析钢（合金）n n5 5含碳含碳4.3%4.3%的共晶白口铁：（合金的共晶白口铁：（合金）n n6 6含碳含碳3.0%3.0%的亚共晶白口铁：（合金的亚共晶白口铁：（合金）n n7 7含碳含碳5.0%5.0%的过共晶白口铁（合金的过共晶白口铁（合金）第58页，讲稿共83张，创作于星期一二、组元的特性二、组元的特性 1.1.纯铁纯铁具有具有同素异晶转变同素异晶转变铁素体的磁性转变温度为铁素体的磁性转变温度为770(居里居里点点)，曾经把，曾经把770912无磁性无磁性(顺磁性顺磁性)的铁称为的铁称为Fe。工业纯铁的力学性能特点是强度、工业纯铁的力学性能特点是强度、硬度低，塑性、韧性好。硬度低，塑性、韧性好。抗拉强度抗拉强度 b180230Mpa延伸率延伸率 3050断面收缩率断面收缩率7080冲击韧性冲击韧性 ak160200J/cm2硬度硬度 5060HB 第59页，讲稿共83张，创作于星期一1.含碳0.01%的工业纯铁 第60页，讲稿共83张，创作于星期一2.2.共析钢共析钢共析钢共析钢(C%(C%0.77%)0.77%)相转变过程相转变过程组织转变过程组织转变过程 LL+A P l合合金金液液体体在在1-21-2点点间间转转变变为为,到到S S点点发生共析转变：发生共析转变：S S P P+Fe+Fe3 3C,C,全全部部转转变变为为珠珠光体。光体。第61页，讲稿共83张，创作于星期一共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比两两相的厚度比相的厚度比8:18:1 第62页，讲稿共83张，创作于星期一室温下，珠光体中两相的室温下，珠光体中两相的室温下，珠光体中两相的室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少相对重量百分比是多少相对重量百分比是多少相对重量百分比是多少？QQ=SK/PK=SK/PK=6.69-0.77/6.69-0.0218=6.69-0.77/6.69-0.0218=88.7%=88.7%Q Q Fe3CFe3C=1 88.7%=1 88.7%=11.3%=11.3%Q43219第63页，讲稿共83张，创作于星期一3.3.亚共析钢亚共析钢亚共析钢亚共析钢(C%=0.020.77%)(C%=0.020.77%)以以0.45%C的钢为例的钢为例合金在合金在 4 点以前通过匀晶点以前通过匀晶包晶包晶匀晶反应全部转变为匀晶反应全部转变为。到。到4点，点，由由 中析出中