第二章相图精选文档.ppt

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1、第二章相图本讲稿第一页，共四十页材料：你最关心的是什么？性能：你认为与哪些因素有关？决定性能是自然界永恒的规律The The term term structurestructure means means a a description description of of the the arrangement arrangement of of atoms,atoms,as as seen seen at at different different levels levels of of details.details.性能结构本讲稿第二页，共四十页 第1节 金属材料的结构1）晶体：其内

2、部原子在空间作有规则的排列，如食盐、金刚石等；纯金属及合金均属于晶体。2）非晶体：其内部原子杂乱无章地不规则的堆积，如玻璃、沥青等。一、金属的晶体结构 3）晶体结构：指晶体中原子排列的方式。4）晶格：把晶体内的每一个原子看成一个小球，把这些小球用线条连接起来，形成一个空间格架，这种空间格架叫晶格。5）晶胞。晶格的最小几何组成单元。本讲稿第三页，共四十页本讲稿第四页，共四十页6）晶格常数：晶胞中各棱边的长度，单位为nm。7）金属中常见的晶体结构 体心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个角 上 和 立 方 体 的 中 心 各 有 一 个 原 子。其 原 子 个 数 为：，如铬、钠等。体心立方

3、晶格体心立方晶格本讲稿第五页，共四十页 面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子。其原子个数为：，如铝，铜等。密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体，在六方柱体的十二个角上和上、下底面的中心各有一个原子，在上、下 底 面 之 间 还 均 匀 分 布 着 三 个 原 子。其 原 子 个 数 为：，如镁、锌等。面心立方晶格面心立方晶格图图1-2c 密排六方晶格密排六方晶格本讲稿第六页，共四十页本讲稿第七页，共四十页二、合金的晶体结构 1.固溶体 在合金中所形成的固相的晶体结构与合金中某一组元的晶体结构相同，这种相称为固溶体，这种组元称为溶剂，其他的组元称为溶

4、质；根据固溶体晶格中溶剂与溶质原子的相互位置的不同，可分为置换固溶体（如黄铜）和间隙固溶体(如铁素体和奥氏体)。合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素，通过熔化或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。合金的晶体结构大致可归纳为3类，即固溶体、金属化合物和机械混合物。本讲稿第八页，共四十页置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体本讲稿第九页，共四十页 固溶强化：当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，晶格常数发生变化。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子

5、的溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫固溶强化。本讲稿第十页，共四十页固溶体的晶格畸变固溶体的晶格畸变本讲稿第十一页，共四十页 2.金属化合物 金属化合物是合金组元相互作用形成的晶格结构和特性完全不同于任一组元的新相，也称中间相。如渗碳体就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆性。合金中含有金属化合物时，合金强度、硬度和耐磨性提高，而塑性、韧性降低。金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。3.机械混合物 由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成晶体，如铁素

6、体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。本讲稿第十二页，共四十页第2节 铁碳合金相图相图：表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为平衡相图。本讲稿第十三页，共四十页材料的性能材料的性能组织结构组织结构相种类种类数量数量尺寸尺寸形状形状分布分布一、相图的基本知识 本讲稿第十四页，共四十页基本概念 1.相相(Phase)在在一一个个系系统统中中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分叫叫做做相相，不不同同相相之之间间有有明明显显的的界面分分开开,该该界界面面称称为为相界面。注意：相在物理性

7、能和化学性能上是均匀的。相界面和晶界的区别。本讲稿第十五页，共四十页2.组元组元(Component)组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种系统的各种化学元素或或化合物。按组元数目，将系统分为：按组元数目，将系统分为：一元系一元系二元系二元系三元系三元系化学元素：化学元素：Cu,Ni,Fe等等化合物：化合物：Al2O3,MgO,Na2O,SiO2等等本讲稿第十六页，共四十页3.相平衡相平衡 在某一温度下，系统中各个相经过很长

8、时间也不互相转变，在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。各组元在各相中的化学势相同。各组元在各相中的化学势相同。AB热力学动态平衡热力学动态平衡本讲稿第十七页，共四十页二、铁碳合金的基本组织铁素体：（F）碳溶于Fe中的固溶体，它保持体心立方晶格结构。溶解度小于0.02%，故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。奥氏体（A）碳溶于 Fe中的固溶体，保持面心立方晶格结构。溶解度小于2.11%，其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。渗碳体（Fe3C）铁和碳组成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为6.69%，其硬度很

9、高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。本讲稿第十八页，共四十页珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。莱氏体（Ld）莱氏体在727oC以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在7270C以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld。其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。本讲稿第十九页，共四十页3、铁碳合金相图钢：含碳量小于2.11%的铁碳合金；铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利

10、用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图。本讲稿第二十页，共四十页Fe-Fe3C Phase Diagram本讲稿第二十一页，共四十页 相图上的特性线和点如下：由于图中左上角部分在实用中用处不大，故不予分析。1）ACD线（液相线）：当金属液冷却到此线时开始结晶，在此线以上区域为液相。2）AECF线（固相线）：当合金冷却到此线时，金属液全部结晶为固相，在此线以下区域为固相。3）A点：纯铁的熔点（1538oC）。4）D点：渗碳体的熔点（1227oC）。本讲稿第

11、二十二页，共四十页5）C点：共晶点，温度1148oC，成分4.3%C。共晶：指合金在一定的条件(温度、成分)下，由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的转变。即 6）ECF线（共晶线）：含碳量在2.11%6.69%的铁碳合金，冷却到此线时（1148度），将发生共晶反应，同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物莱氏体。本讲稿第二十三页，共四十页7）ES线：是碳在-Fe中的溶解度曲线，E点表示在1148oC时碳在-Fe中的最大溶解度为2.11%。随着温度降低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为Acm线。8）GS线

12、：是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线，常称为A3线。本讲稿第二十四页，共四十页9）S点：共析点，温度727oC，成分0.77%。共析转变：指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机械混合物的过程。即10）PSK线（共析线）：含碳量在0.02%6.69%的铁碳合金，冷却到此线时（727oC），将发生共析反应，从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的共析混合物珠光体。即A1线。本讲稿第二十五页，共四十页4、铁碳合金的组织转变工业纯铁：含碳量小于0.0218%的铁碳合金，钢：含碳量在0.0218%2.11%的铁碳合金，共析钢：含碳量等于0.77%，亚共析钢：含碳量小于0.77%，过共

13、析钢：含碳量位于0.77%2.11%，白口铸铁：含碳量在2.11%6.69%的铁碳合金 共晶白口铸铁：含碳量等于4.3%，亚共晶白口铸铁：含碳量位于2.11%4.3%过共晶白口铸铁：含碳量位于4.3%6.69%本讲稿第二十六页，共四十页共析钢和亚共析钢的结晶过程分析本讲稿第二十七页，共四十页过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析本讲稿第二十八页，共四十页亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析Ld变态莱氏体变态莱氏体本讲稿第二十九页，共四十页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溶解度

14、碳在奥氏体中的最大溶解度A3线线Acm本讲稿第三十页，共四十页第3节 钢的热处理 1.铁的同素异晶转变：金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格本讲稿第三十一页，共四十页热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。如图所示是最基本的热处理工艺曲线。加热加热保温保温冷却

15、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本讲稿第三十二页，共四十页热处理普通热处理表面热处理 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其它热处理形变形变真空真空激光激光本讲稿第三十三页，共四十页1、退火 退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却得到接近平衡状态组织的热处理工艺。退火的目的：1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；2）消除钢中的残余内应力，以防工件变形和开裂；3）改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。本讲稿第三十四页，共四十页退火的分类1）完

16、全退火：加热到Ac3以上2030oC，保温，缓冷至600oC以下，再空冷，得到接近平衡状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、铸件，使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能。过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。2）球化退火：使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。将工件加热到Ac1以上2030oC，保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球状化，以降低硬度提高韧性，改善切削加工性能。本讲稿第三十五页，共四十页3)去应力退火：为消除形变加工、锻造、焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。铸钢件的温度为600650oC，铸铁

17、件为500550oC，保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生变化，只消除内应力，减少变形，稳定尺寸。4）扩散退火(均匀化退火)：将钢加热到略低于固相线温度，长时间保温，随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。本讲稿第三十六页，共四十页2、正火 正火是将工件加热到Ac3（亚共析钢）或Acm（过共析钢）以上3050oC，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火主要应用于：1）对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理；2）对低碳钢火低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；3）对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗

18、碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。本讲稿第三十七页，共四十页3、淬火 淬火是将钢加热到Ac3或Ac1 线以上3050 oC，保温后在淬火介质中快速冷却（Fe向aFe同素异晶转变），以获得马氏体（M)组织（碳在a Fe中的严重过饱和固溶体）的热处理工艺。马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：（1）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 产生裂纹。（2）合理选择淬火介质 淬透性好，选油淬。（3）正确选择淬火方法 采用水油双介质淬火法。本讲稿第三十八页，共四十页4、回火 回火是为了消除淬火引起的残余应力及获得要求的组织和性能，将淬火

19、后的工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火目的：1）减少和消除淬火应力；2）稳定工件尺寸，防止变形和开裂；3）获得工件所需的组织和性能；即获得要求的强度、硬度和韧性。本讲稿第三十九页，共四十页回火三种形式：1）低温回火：加热温度为150250 oC，得到回火马氏体，硬度较高，在HRC5864之间，高耐磨性。可消除一定的残余应力，韧性有所改善。用于各类高碳钢的工具、模具、量具。2）中温回火：加热温度为350500 oC，得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物回托氏体，有极高的弹性极限和屈服强度，也有较好的韧性。硬度在HRC3545；用于各种弹簧、弹簧夹头及锻模。3）高温回火：加热温度为500650 oC，得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物-回火索氏体，有较高的强度和硬度，又有较好的韧性和塑性。工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理。用于重要的零件如轴、齿轮、连杆和螺栓。本讲稿第四十页，共四十页