第2章金属材料的凝固与固态相变精选PPT.ppt

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1、第第2章章 金属材料的凝固与固金属材料的凝固与固态相变态相变第1页，此课件共111页哦2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶n n2.1.12.1.1广义结晶广义结晶n n物质从液态转化成固态的过程称为凝固。物质从液态转化成固态的过程称为凝固。n n液态物质内部的原子，在短距离的小范围内，液态物质内部的原子，在短距离的小范围内，呈现出近似于固态结构的规则排列，即短程呈现出近似于固态结构的规则排列，即短程有序的原子集团，是不稳定的，瞬间出现又有序的原子集团，是不稳定的，瞬间出现又瞬间消失。结晶实质上是原子由近程有序转瞬间消失。结晶实质上是原子由近程有序转变为长程有序状态的过程。变为长程有序状态的过程。

2、第2页，此课件共111页哦n n物质从一种原子排列状态（晶态或非晶态）物质从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程称为结晶。把液态转变成固体晶态转变过程称为结晶。把液态转变成固体晶态称为一次结晶，把一种固态转变成另一种固称为一次结晶，把一种固态转变成另一种固态称为二次结晶。态称为二次结晶。n n液态和固态的能量状态相等，处于动态平衡，液态和固态的能量状态相等，处于动态平衡，可长期共存对应的温度可长期共存对应的温度T T0 0称为理论结晶温度称为理论结晶温度或熔点。液态物质要结晶，就必须冷却到或熔点。液态物质要结晶，就

3、必须冷却到T T0 0温度以下的某一个温度温度以下的某一个温度T Tn n才能结晶。这种现才能结晶。这种现象称为过冷。理论结晶温度象称为过冷。理论结晶温度T T0 0与实际结晶温与实际结晶温度度T Tn n之差称为过冷度。因此，结晶的充分必之差称为过冷度。因此，结晶的充分必要条件是具有一定的过冷度要条件是具有一定的过冷度TT。第3页，此课件共111页哦纯金属的结晶条件纯金属的结晶条件纯金属的结晶条件纯金属的结晶条件晶体晶体液体液体结晶结晶结晶：结晶：液体液体-晶体晶体凝固：凝固：液体液体-固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）第4页，此课件共111页哦冷却曲线冷却曲线冷却曲线冷却曲线tT

4、T0Tn理论结晶温度理论结晶温度开始结晶温度开始结晶温度 T过冷度过冷度 T=T0 -Tn纯金属结晶的条件就纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷是应当有一定的过冷度度（克服界面能）（克服界面能）第5页，此课件共111页哦冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。第6页，此课件共111页哦n n2.1.2 2.1.2 金属的结晶金属的结晶n n1 1金属的结晶过程：形核、长大。金属的结晶过程：形核、长大。n n当液态金属过冷到一定温度时，一些尺寸当液态金属过冷到一定温度时，一些尺寸较大的原子集团开始变得稳定，而成为结较大的原子

5、集团开始变得稳定，而成为结晶核心，称为晶核。形成的晶核按各自方晶核心，称为晶核。形成的晶核按各自方向吸附周围原子自由长大，在长大的同时，向吸附周围原子自由长大，在长大的同时，又有新晶核出现长大。又有新晶核出现长大。第7页，此课件共111页哦纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过程第8页，此课件共111页哦n n晶核的形成有两种方式，一种是自发形核（均晶核的形成有两种方式，一种是自发形核（均质形核），即晶体核心是从液体结构内部自发质形核），即晶体核心是从液体结构内部自发长出的。

6、另一种是非自发形核（异质形核），长出的。另一种是非自发形核（异质形核），晶核是依附于外来杂质而生成的。自发形核和晶核是依附于外来杂质而生成的。自发形核和非自发形核是同时存在的，在实际金属和合金非自发形核是同时存在的，在实际金属和合金中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优先和主导的作用。先和主导的作用。n n晶核的长大方式通常是树枝状长大，即枝晶长晶核的长大方式通常是树枝状长大，即枝晶长大。因为晶核的棱角具有较好的散热条件，而大。因为晶核的棱角具有较好的散热条件，而且缺陷多，易于固定转移来的原子，再加上枝且缺陷多，易于固定转移来的原子，再加上枝晶结构表面

7、积大，便于从周围液体获得生长所晶结构表面积大，便于从周围液体获得生长所需的原子。需的原子。第9页，此课件共111页哦晶核长大过程晶核长大过程晶核长大过程晶核长大过程长大方式长大方式 树枝状生长树枝状生长第10页，此课件共111页哦n n2 2影响形核和长大的因素影响形核和长大的因素n n金属的结晶过程是晶核不断形成、长大的金属的结晶过程是晶核不断形成、长大的过程。在单位时间内，单位体积中所产生过程。在单位时间内，单位体积中所产生的晶核数称为形核率的晶核数称为形核率N N，单位时间内晶核长，单位时间内晶核长大的平均速度为大的平均速度为G G。显然，结晶后的晶粒大。显然，结晶后的晶粒大小必然与形核

8、率和长大速度有关，而影响小必然与形核率和长大速度有关，而影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度形核率和长大速度的重要因素是冷却速度（或过冷度）和难熔杂质。（或过冷度）和难熔杂质。第11页，此课件共111页哦n n过冷度过冷度过冷度过冷度n n在结晶过程中晶核形成和长大的驱动力与在结晶过程中晶核形成和长大的驱动力与在结晶过程中晶核形成和长大的驱动力与在结晶过程中晶核形成和长大的驱动力与TTTT成正比，而成正比，而成正比，而成正比，而晶核形成和长大所需的必要条件晶核形成和长大所需的必要条件晶核形成和长大所需的必要条件晶核形成和长大所需的必要条件原子迁移能力（或扩原子迁移能力（或扩原子迁移能力（或

9、扩原子迁移能力（或扩散能力）则与散能力）则与散能力）则与散能力）则与TTTT成反比。两种因素的综合结果，使形核成反比。两种因素的综合结果，使形核成反比。两种因素的综合结果，使形核成反比。两种因素的综合结果，使形核率和长大速度与率和长大速度与率和长大速度与率和长大速度与TTTT的关系出现了一个极大值。的关系出现了一个极大值。的关系出现了一个极大值。的关系出现了一个极大值。n n在实际工业生产中，液态金属一般达不到极值时的在实际工业生产中，液态金属一般达不到极值时的在实际工业生产中，液态金属一般达不到极值时的在实际工业生产中，液态金属一般达不到极值时的TTTT，所以，所以，所以，所以TTTT愈大，

10、形核率和长大速度就愈大。但是，当愈大，形核率和长大速度就愈大。但是，当愈大，形核率和长大速度就愈大。但是，当愈大，形核率和长大速度就愈大。但是，当TTTT较小时，长大速较小时，长大速较小时，长大速较小时，长大速度的增加成度快于形核率；当度的增加成度快于形核率；当度的增加成度快于形核率；当度的增加成度快于形核率；当TTTT较大时，则形核率的增大程度较大时，则形核率的增大程度较大时，则形核率的增大程度较大时，则形核率的增大程度快于长大速度。快于长大速度。快于长大速度。快于长大速度。n n难熔杂质难熔杂质难熔杂质难熔杂质n n高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有高熔点的杂质，特别是

11、当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似时，将强烈地促进非自发形核，大大提高形核率。某些相似时，将强烈地促进非自发形核，大大提高形核率。某些相似时，将强烈地促进非自发形核，大大提高形核率。某些相似时，将强烈地促进非自发形核，大大提高形核率。第12页，此课件共111页哦n n3 3晶粒大小及控制晶粒大小及控制n n晶粒度：是晶粒大小的量度，用单位体积晶粒度：是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目表示，中晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目表示，也可以用晶粒的平均线长度

12、或直径表示。影也可以用晶粒的平均线长度或直径表示。影响晶粒度的主要因素是形核率和长大速度。响晶粒度的主要因素是形核率和长大速度。形核率愈大，则结晶后的晶粒愈多，晶粒就形核率愈大，则结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈细小。若形核率不变，晶核的长大速度愈愈细小。若形核率不变，晶核的长大速度愈小，则结晶所需的时间愈长，能生成的核心小，则结晶所需的时间愈长，能生成的核心就愈多，晶粒就愈细。就愈多，晶粒就愈细。n n晶粒愈小，金属的强度、塑性和韧性愈好。晶粒愈小，金属的强度、塑性和韧性愈好。细化晶粒是提高金属性能的重要途径之一。细化晶粒是提高金属性能的重要途径之一。第13页，此课件共111页哦n n细化铸态金属

13、晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施n n增大过冷度：过冷度愈大，形核率和长大速度增大过冷度：过冷度愈大，形核率和长大速度愈大，但形核率的增加速度更大，晶粒就愈细。愈大，但形核率的增加速度更大，晶粒就愈细。n n提高液态金属的冷却速度是增大过冷度的主要方提高液态金属的冷却速度是增大过冷度的主要方法。提高液态金属的过冷能力（如高温融化、低法。提高液态金属的过冷能力（如高温融化、低温浇注）也是增大过冷度的有效方法。温浇注）也是增大过冷度的有效方法。n n变质处理：向液态金属中加入某些变质剂，以变质处理：向液态金属中加入某些变质剂，以细化晶粒和改善组织，达到提高材料性能的目的。细化晶粒和改善组织，达到提

14、高材料性能的目的。变质剂的作用：一种是直接增加形核核心，称为变质剂的作用：一种是直接增加形核核心，称为孕育剂，相应处理称为孕育处理。如在铁水中加孕育剂，相应处理称为孕育处理。如在铁水中加入硅铁、硅钙合金都能细化晶粒。另一种不能提入硅铁、硅钙合金都能细化晶粒。另一种不能提供结晶核心，但能改变晶核的生长条件，强烈地供结晶核心，但能改变晶核的生长条件，强烈地阻碍晶核的长大，细化组织。阻碍晶核的长大，细化组织。n n振动搅拌。振动搅拌。第14页，此课件共111页哦提高过冷度提高过冷度提高过冷度提高过冷度形核率形核率N、长大速度、长大速度G 与与 过冷度过冷度T 的关系的关系TG，NGN第15页，此课件

15、共111页哦n n2.1.3 2.1.3 同素异构同素异构n n有些晶体随着外界条件（如温度、压力）变有些晶体随着外界条件（如温度、压力）变化有不同类型晶体结构。同种材料不同类型化有不同类型晶体结构。同种材料不同类型晶体结构的转变称为同素异构转变（固态相晶体结构的转变称为同素异构转变（固态相变）。同素异构转变实质上也是一种广义结变）。同素异构转变实质上也是一种广义结晶过程，是原子重新排列过程，同样遵循形晶过程，是原子重新排列过程，同样遵循形核与长大的基本规律，只是在固态下进行。核与长大的基本规律，只是在固态下进行。铁结晶后冷至室温发生两次晶格转变：铁结晶后冷至室温发生两次晶格转变：-FeFe（

16、体心立方）（体心立方）-FeFe（面心立方）（面心立方）-FeFe（体心立方），是钢铁能够进行热处理的（体心立方），是钢铁能够进行热处理的内因和根据。内因和根据。第16页，此课件共111页哦同素异构转变同素异构转变同素异构转变同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 -Fe -Fe -Fe1394 C C912 C C-Fe-Fe912 C C第17页，此课件共111页哦纯铁的冷却曲线纯铁

17、的冷却曲线纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线Tt15381394912-Fe-Fe-Fe770铁磁性第18页，此课件共111页哦2.2 合金的凝固合金的凝固n n2.2.1 2.2.1 二元合金相图与凝固二元合金相图与凝固n n相图（平衡图或状态图）是表明合金系中不相图（平衡图或状态图）是表明合金系中不同成分的合金在不同温度下所存在的相以及同成分的合金在不同温度下所存在的相以及相与相之间关系的图形。从相图中可以知道相与相之间关系的图形。从相图中可以知道某一个成分合金在某一个温度下具有哪些相、某一个成分合金在某一个温度下具有哪些相、它们的平衡关系以及由它们所构成的组织，它们的平衡关系以及由它们所构成的

18、组织，从而了解合金系的成分、组织与性能的关系。从而了解合金系的成分、组织与性能的关系。n n相图是通过热分析实验法建立的。相图是通过热分析实验法建立的。第19页，此课件共111页哦n n1 1匀晶相图匀晶相图n n两组元在液态和固态均能无限互溶所构两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。如：成的相图称为二元匀晶相图。如：Cu-NiCu-Ni、Cu-AuCu-Au、Au-AgAu-Ag、Fe-NiFe-Ni、W-MoW-Mo。n n平衡结晶过程：合金的结晶过程是在平衡结晶过程：合金的结晶过程是在一个温度范围内完成的。一个温度范围内完成的。第20页，此课件共111页哦匀晶相图匀

19、晶相图匀晶相图匀晶相图相图（平衡图、状态图）相图（平衡图、状态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+第21页，此课件共111页哦铜铜铜铜-镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区第22页，此

20、课件共111页哦匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程abcdT,CtL L L匀晶转变匀晶转变 L 冷却曲线冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。第23页，此课件共111页哦n n杠杆定律：在合金的结晶过程中，液、杠杆定律：在合金的结晶过程中，液、固两相的相对量是在变化的，在某一温度固两相的相对量是在变化的，在某一

21、温度下液、固两相的相对量可用杠杆定律来计下液、固两相的相对量可用杠杆定律来计算。算。n n设一合金的含设一合金的含B B量为量为K K，质量为，质量为1 1。在某温度。在某温度下液相的相对量为下液相的相对量为L%L%，固相的相对量为，固相的相对量为%。已知液相的含已知液相的含B B量为量为X XL L，固相的含，固相的含B B量为量为X X。根据质量守恒定律得下列方程：根据质量守恒定律得下列方程：第24页，此课件共111页哦n nL%+%=1 n nL%XL+%X=K n nXL得：得：L%XL+%XL=XL n n-得：得：%（X-XL）=K-XL%=（K-XL）/（X-XL）n nX得：得

22、：L%X+%X=X n n-得：得：L%（X-XL）=X-K L%=（X-K）/（X-XL）n n液、固两相的相对量的关系如同力学中的杠液、固两相的相对量的关系如同力学中的杠杆定律，故此而得名。杆定律，故此而得名。第25页，此课件共111页哦例：求例：求例：求例：求30%Ni30%Ni30%Ni30%Ni合金在合金在合金在合金在1280 1280 1280 1280 时时时时 相的相对量相的相对量相的相对量相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ac30a1b1c11280 C解：作成分线和温解：作成分线和温度

23、线如图。度线如图。6618根据杠杆定律推论，根据杠杆定律推论，Q Q /Q QH H =a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=12/48=1/4=12/48=1/4答：所求答：所求合金在合金在1280 1280 时时 相的相相的相对质量为对质量为1/41/4。第26页，此课件共111页哦n n枝晶（晶内）偏析：在一个晶粒内化学成分不枝晶（晶内）偏析：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象。均匀的现象。n n在结晶过程中，随着温度的降低，液相与固相的在结晶过程中，随着温度的降低，液相与固相的成分将分别沿着液相线与固相线变化。在结晶完成分将分别沿着液相线与固相线变化。在结晶完毕时形成成分为

24、毕时形成成分为K的的相。这种变化只有在非常相。这种变化只有在非常缓慢的冷却条件下才能实现。但在实际铸造条件缓慢的冷却条件下才能实现。但在实际铸造条件下，一般冷却较快，原子扩散来不及充分进行，下，一般冷却较快，原子扩散来不及充分进行，使先结晶出来的固相含高熔点组元量较高。使先结晶出来的固相含高熔点组元量较高。n n枝晶偏析的存在会严重影响合金的力学性能，消枝晶偏析的存在会严重影响合金的力学性能，消除或改善的办法是：采用扩散（均匀化）退火，除或改善的办法是：采用扩散（均匀化）退火，即将铸件加热到低于固相线即将铸件加热到低于固相线100-200，进行，进行较长时间的保温，使偏析元素进行充分扩散，以较

25、长时间的保温，使偏析元素进行充分扩散，以达到成分均匀的目的。达到成分均匀的目的。第27页，此课件共111页哦n n2 2共晶相图共晶相图n n两组元在液态无限互溶，在固态有限溶两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解（或不溶），并在结晶时发生共晶转解（或不溶），并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图。如：变所构成的相图称为二元共晶相图。如：Pb-SnPb-Sn、Pb-SbPb-Sb、Ag-CuAg-Cu、Al-SiAl-Si。第28页，此课件共111页哦2 2 2 2共晶相图共晶相图共晶相图共晶相图PbSnSn%T,C铅铅-锡合金共晶相图锡合金共晶相图液相线液相线L固相线固相线 +L+

26、L+固溶线固溶线 固溶线固溶线第29页，此课件共111页哦n n相图分析相图分析n na a、b b分别表示组元分别表示组元A A和和B B的熔点。的熔点。acbacb线为液线为液相线，相线，acdebacdeb线为固相线。线为固相线。cfcf、egeg分别为分别为B B溶于溶于A A及及A A溶于溶于B B的溶解度曲线（固溶线）。的溶解度曲线（固溶线）。合金系有三个基本相：液相合金系有三个基本相：液相L L、B B溶于溶于A A所形所形成的固溶体成的固溶体和和A A溶于溶于B B而形成的固溶体而形成的固溶体。n n相图中有三个单相区：相图中有三个单相区：L L、及及。三个两。三个两相区：相区

27、：L+L+、L+L+、+。还有一个三相。还有一个三相区（区（cdecde水平线）：水平线）：L+L+。第30页，此课件共111页哦n ncdecde线为共晶线，所有成分在线为共晶线，所有成分在c c点和点和e e点之间的点之间的合金，当冷却到水平线合金，当冷却到水平线cdecde时，将发生恒温转时，将发生恒温转变：变：L Ld dc c+e e。即成分为。即成分为d d点的点的L Ld d同时结晶同时结晶出两种成分和结构均不同的固相出两种成分和结构均不同的固相c c及及e e，这，这种转变称为共晶转变。其产物为两相的机械种转变称为共晶转变。其产物为两相的机械混合物，称为共晶体或共晶组织。共晶组

28、织混合物，称为共晶体或共晶组织。共晶组织特征是两相交替分布，细小分散。特征是两相交替分布，细小分散。n nd d点称为共晶点，成分对应于共晶点的合金称点称为共晶点，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金；成分位于为共晶合金；成分位于cdcd之间的合金称为亚之间的合金称为亚共晶合金；成分位于共晶合金；成分位于dede之间的合金称为过共之间的合金称为过共晶合金。晶合金。第31页，此课件共111页哦共晶转变分析共晶转变分析共晶转变分析共晶转变分析PbSnT,CL +L+L+共晶反应线共晶反应线表示从表示从c点到点到e点范点范围的合金，在该温围的合金，在该温度上都要发生不同度上都要发生不同程度上的共晶反应

29、。程度上的共晶反应。ce 共晶点共晶点表示表示d点成分的合点成分的合金冷却到此温度上金冷却到此温度上发生完全的共晶转发生完全的共晶转变。变。dLd c+e第32页，此课件共111页哦共晶反应要点共晶反应要点共晶反应要点共晶反应要点PbSnT,CL +L+L+183cedn n共晶转变在恒温下进行。共晶转变在恒温下进行。共晶转变在恒温下进行。共晶转变在恒温下进行。n n转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。n n存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。存在一

30、个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。n n成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。第33页，此课件共111页哦n n典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程n n共晶合金：共晶合金：LL（+）共共。n n亚共晶合金：亚共晶合金：LL+LL+（+）共共+（+）共共+。n n过共晶合金：过共晶合金：LL+LL+（+）共共+（+）共共+。n n亚共晶以左合金：亚共晶以左合金：LL+LL+。n n

31、过共晶以右合金：过共晶以右合金：LL+LL+。第34页，此课件共111页哦X X1 1合金结晶过程分析合金结晶过程分析合金结晶过程分析合金结晶过程分析cefgX1T,CtL L LL+冷却曲线冷却曲线 +1234PbSnT,CL +L+L+183ced第35页，此课件共111页哦X X1 1合金结晶特点合金结晶特点合金结晶特点合金结晶特点T,CtL L LL+冷却曲线冷却曲线 +1.没有共晶反应过程，而是没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相经过匀晶反应形成单相 固固相。相。2.要经过脱溶反应，室温要经过脱溶反应，室温 组织组成物组织组成物为为 +组织组成物组织组成物组织中，由一定的相构成

32、组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的的，具有一定形态特征的组成部分。组成部分。第36页，此课件共111页哦X X2 2合金结晶过程分析合金结晶过程分析合金结晶过程分析合金结晶过程分析（共晶合金）（共晶合金）（共晶合金）（共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体共晶体冷却曲线冷却曲线(+)PbSnT,CL +L+L+183ced第37页，此课件共111页哦X X3 3合金结晶过程分析合金结晶过程分析合金结晶过程分析合金结晶过程分析（亚共晶合金）（亚共晶合金）（亚共晶合金）（亚共晶合金）X3T,CtLL+(+)+12(+)+PbSnT,CL +L+L+183cedL+(+)+

33、第38页，此课件共111页哦标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图第39页，此课件共111页哦n n3 3共析相图共析相图n n具有共析反应：具有共析反应：+。与共晶反应不。与共晶反应不同，是一个固溶体恒温析出两种成分一定同，是一个固溶体恒温析出两种成分一定的固相。共析组织形态也是两相交替分布，的固相。共析组织形态也是两相交替分布，只是更细。这种组织在钢中普遍存在。只是更细。这种组织在钢中普遍存在。第40页，此课件共111页哦 共析相图共析相图共析相图共析相图共析转变：共析转变：(+)共析体共析体ABT,C +cedL+L第41页，此课件共11

34、1页哦n n2.2.2 2.2.2 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系n n合金的性能取决于它的成分、相结构和组织。合金的性能取决于它的成分、相结构和组织。n n1 1合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系n n固溶体的性能与溶质的浓度有关。溶质的浓度固溶体的性能与溶质的浓度有关。溶质的浓度愈大，晶格畸变愈大，则强度、硬度愈高，当愈大，晶格畸变愈大，则强度、硬度愈高，当溶质浓度达到一定值时达到极大值。虽然固溶溶质浓度达到一定值时达到极大值。虽然固溶体强度、硬度提高的幅度有限，但由于其塑性体强度、硬度提高的幅度有限，但由于其塑性较好，故常将固溶体作为合金的基体。较好，故常

35、将固溶体作为合金的基体。n n两相组织合金的力学性能，约等于两相性能按两相组织合金的力学性能，约等于两相性能按百分含量的加权平均值。此外，与组织的形态百分含量的加权平均值。此外，与组织的形态有很大关系，组织愈细小，则强度愈高。有很大关系，组织愈细小，则强度愈高。第42页，此课件共111页哦 相图与性能的关系相图与性能的关系相图与性能的关系相图与性能的关系 合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系 固溶体中溶质浓度固溶体中溶质浓度 强度、硬度强度、硬度 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。第43页，此课件共111

36、页哦n n2 2合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系n n铸造性能：相图中液相线和固相线之间距离铸造性能：相图中液相线和固相线之间距离愈小，合金结晶的温度范围愈窄，则流动性愈小，合金结晶的温度范围愈窄，则流动性愈好，缩孔愈倾向于集中，对铸件质量愈有愈好，缩孔愈倾向于集中，对铸件质量愈有利。可见，纯金属和共晶成分合金具有最理利。可见，纯金属和共晶成分合金具有最理想的铸造性能。若合金液、固相线温度间隔想的铸造性能。若合金液、固相线温度间隔愈大，则树枝晶愈发达，形成枝晶偏析的倾愈大，则树枝晶愈发达，形成枝晶偏析的倾向也愈大。且由于先结晶出的树枝晶阻碍未向也愈大。且由于先结晶出的树枝晶

37、阻碍未结晶液体的流动，并将金属液分割成许多分结晶液体的流动，并将金属液分割成许多分散的小封闭区域，从而造成流动性下降，增散的小封闭区域，从而造成流动性下降，增加分散缩孔。所以铸造合金的成分常选在共加分散缩孔。所以铸造合金的成分常选在共晶点附近。晶点附近。第44页，此课件共111页哦n n单相固溶体合金的塑性好，变形抗力小，单相固溶体合金的塑性好，变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而压力加工性能变形均匀，不易开裂，因而压力加工性能好。当合金中出现第二相，特别是较多的好。当合金中出现第二相，特别是较多的第二相化合物时，由于化合物很脆，故合第二相化合物时，由于化合物很脆，故合金的压力加工性能明显变差

38、。金的压力加工性能明显变差。第45页，此课件共111页哦 合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。锻造、轧制性能锻造、轧制性能单相固溶体合金，单相固溶体合金，变形抗力小，变形变形抗力小，变形均匀，均匀，不易开裂。不易开裂。第46页，此课件共111页哦n n2.2.3 2.2.3 铸件的凝固铸件的凝固n n1 1铸锭结晶组织及特征铸锭结晶

39、组织及特征n n细等轴晶区：外壳层，具有很大的过细等轴晶区：外壳层，具有很大的过冷度，模壁又能起非自发形核，结晶成冷度，模壁又能起非自发形核，结晶成等轴细晶粒。等轴细晶粒。第47页，此课件共111页哦n n柱状晶区：由于垂直于模壁的方向散热最柱状晶区：由于垂直于模壁的方向散热最快，所以晶粒沿着散热反方向向液体中长大，快，所以晶粒沿着散热反方向向液体中长大，不与模壁垂直的晶粒，遇到其它相邻晶粒的不与模壁垂直的晶粒，遇到其它相邻晶粒的阻碍而停止长大。结果形成了彼此平行、粗阻碍而停止长大。结果形成了彼此平行、粗大而密集的柱状晶区。大而密集的柱状晶区。n n柱状晶区各晶粒是平行地向中心长大，彼此柱状晶

40、区各晶粒是平行地向中心长大，彼此互相限制，故结晶后显微缩孔少，组织较致互相限制，故结晶后显微缩孔少，组织较致密。但柱状晶较粗大，而且方向一致，因而密。但柱状晶较粗大，而且方向一致，因而脆性较大。另外，两个不同方向的柱状晶交脆性较大。另外，两个不同方向的柱状晶交界面处，由于常有杂质聚集而形成弱面，在界面处，由于常有杂质聚集而形成弱面，在压力加工时易沿这些界面开裂。因此，柱状压力加工时易沿这些界面开裂。因此，柱状晶区的性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶晶区的性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向的性能较高。轴方向的性能较高。第48页，此课件共111页哦n n粗等轴晶区：铸锭中心，剩余液态金属粗等轴晶

41、区：铸锭中心，剩余液态金属的温度趋向一致，当它降至熔点以下时，的温度趋向一致，当它降至熔点以下时，再加上杂质起非自发形核的作用，会在整再加上杂质起非自发形核的作用，会在整个剩余液态金属中同时形成晶核并向各个个剩余液态金属中同时形成晶核并向各个方向长大，形成一个粗大的等轴晶区。方向长大，形成一个粗大的等轴晶区。n n等轴晶不存在明显的脆弱区，性能没有方等轴晶不存在明显的脆弱区，性能没有方向性。向性。第49页，此课件共111页哦n n2 2影响铸件结晶组织的因素影响铸件结晶组织的因素n n冷却速度：愈大，愈有利于大型铸件在结晶过冷却速度：愈大，愈有利于大型铸件在结晶过程中保持较大的温度梯度，从而有

42、利于柱状晶区程中保持较大的温度梯度，从而有利于柱状晶区的发展；但冷速大而铸件小，使液态金属在极大的发展；但冷速大而铸件小，使液态金属在极大过冷度下结晶，形核率增加，则可能抑制柱状晶过冷度下结晶，形核率增加，则可能抑制柱状晶区的形成，反而会得到细的等轴晶区。区的形成，反而会得到细的等轴晶区。n n加热温度、浇注温度和浇注速度：提高，均使加热温度、浇注温度和浇注速度：提高，均使铸件截面温度梯度增大，促进柱状晶区发展。铸件截面温度梯度增大，促进柱状晶区发展。n n外加杂质（变质处理）：增加非自发形核，增外加杂质（变质处理）：增加非自发形核，增大形核率，可获得细小晶粒，阻止柱状晶区的形大形核率，可获得

43、细小晶粒，阻止柱状晶区的形成和发展。成和发展。n n结晶时振动、搅拌，可促进等轴晶组织形成。结晶时振动、搅拌，可促进等轴晶组织形成。第50页，此课件共111页哦2.3 Fe-C相相图图n n现代工业应用最广泛的金属材料就是现代工业应用最广泛的金属材料就是Fe-CFe-C合金，而掌握合金，而掌握Fe-CFe-C合金的成分、组织与性合金的成分、组织与性能之间的关系，最基础、最重要的就是能之间的关系，最基础、最重要的就是Fe-Fe-C C相图。相图。n nFe-CFe-C相图是本课程的重点和难点，也是掌相图是本课程的重点和难点，也是掌握后续课程：金属材料、热处理、铸造、握后续课程：金属材料、热处理、

44、铸造、塑性加工、焊接等内容的基础和必要条件。塑性加工、焊接等内容的基础和必要条件。第51页，此课件共111页哦n n一、一、Fe-CFe-C合金相结构与性能合金相结构与性能n n1 1铁素体铁素体 F F：C C在在-Fe-Fe中的间隙固溶体。中的间隙固溶体。体心立方晶格间隙分体心立方晶格间隙分散，散，溶溶C C能力差。溶能力差。溶C C量量：727727时最大，时最大，C C%=%=0.0218%0.0218%；室温；室温几乎为几乎为0 0。因此因此F F强度差，硬度低，塑性好。强度差，硬度低，塑性好。例：例：工业工业纯纯FeFe的组织为的组织为F F，虽然强度低，虽然强度低，但导磁率高，是

45、软磁材料，用于各种电机但导磁率高，是软磁材料，用于各种电机的铁芯。的铁芯。第52页，此课件共111页哦工业纯铁的金相组织工业纯铁的金相组织第53页，此课件共111页哦n n2 2奥氏体奥氏体 A A：C C在在-Fe-Fe中的中的间间隙固溶体。隙固溶体。面心立方晶格间隙面心立方晶格间隙集中，集中，溶溶C C能力较强能力较强，溶溶C C量量：11481148时最大时最大，C C%=2=2.1111%；727727时时为为0.77%0.77%。A A力学性能与溶力学性能与溶C C量及晶粒大小有量及晶粒大小有关关。A A硬度较低塑性较硬度较低塑性较高，高，常作各类钢的加常作各类钢的加工状态。工状态。

46、例：人们常说例：人们常说“趁热打铁趁热打铁”，其实，其实质就是钢在高温处于质就是钢在高温处于A A状态，塑性好变形抗状态，塑性好变形抗力小。日常生活中使用的不锈钢锅、盆、漏力小。日常生活中使用的不锈钢锅、盆、漏勺等，就是勺等，就是A A钢，其塑性好，可加工成薄壁钢，其塑性好，可加工成薄壁且复杂的形状。且复杂的形状。第54页，此课件共111页哦n n3 3渗碳体渗碳体FeFe3 3C C：FeFe、C C的的间隙间隙化合物化合物，含含C C量量6.696.69%。硬度高硬度高，800HB800HB,耐磨但耐磨但极极脆脆，塑性几乎为塑性几乎为0 0。它是钢中的强化相。它是钢中的强化相。第55页，此

47、课件共111页哦n n二、二、FeFe-FeFe3 3C C相图分析相图分析：n n由于含由于含C C量大于量大于6.696.69%的的Fe-CFe-C合金脆性极大，合金脆性极大，没有使用价值，另外没有使用价值，另外FeFe3 3C C是一个稳定的化合是一个稳定的化合物，可作为独立组元，因此，我们研究的物，可作为独立组元，因此，我们研究的相图实际是相图实际是FeFe-FeFe3 3C C相图相图。n nFeFe-FeFe3 3C C相图相图由三部分组成：包晶转变部分、由三部分组成：包晶转变部分、共晶转变部分和共析转变部分。因为包晶共晶转变部分和共析转变部分。因为包晶转变部分与本课程其他内容不相

48、关，所以转变部分与本课程其他内容不相关，所以将其忽略不考虑，因此我们学习的将其忽略不考虑，因此我们学习的FeFe-FeFe3 3C C相图相图实质上是一个经过简化的、由共晶转实质上是一个经过简化的、由共晶转变部分和共析转变部分组成的相图。变部分和共析转变部分组成的相图。第56页，此课件共111页哦n n1 1共晶转变部分：共晶转变部分：n nA A点是纯铁的熔点（点是纯铁的熔点（15381538），），D D点是点是FeFe3 3C C的的熔点（熔点（12271227，C C%=%=6.696.69%），），C C点是共晶点是共晶点（点（11481148，C C%=4%=4.3%3%），），E

49、 E点是点是C C在在A A中的中的最大溶解度（最大溶解度（11481148，C C%=2%=2.11%11%），），F F点点为为FeFe3 3C C成分（成分（C C%=%=6.696.69%），），S S点为点为727727时时C C在在A A中的溶解度（中的溶解度（C C%=0%=0.77%77%）。）。n nACAC和和CDCD是液相线，是液相线，ECFECF是共晶线，是共晶线，AEAE及及ECFECF是是固相线，固相线，ESES线（线（A Acmcm线）是线）是C C在在A A中的固溶线。中的固溶线。第57页，此课件共111页哦n n由于由于C C可固溶于可固溶于-Fe-Fe中形成

50、固溶体中形成固溶体A A，但但FeFe不溶于不溶于FeFe3 3C C，所以共晶线的左端，所以共晶线的左端E E点点（11481148，C C%=2%=2.11%11%）是）是C C在在A A中的最大溶中的最大溶解度，右端解度，右端F F点为点为FeFe3 3C C成分（成分（C C%=%=6.696.69%）。）。n n液相线液相线ACDACD以上是液相组织以上是液相组织L L，AECAEC之间的组之间的组织为织为L+AL+A，DCFDCF之间的组织为之间的组织为L+L+FeFe3 3C C，AESAES以左是单相以左是单相A A组织。组织。第58页，此课件共111页哦n n冷却时在冷却时在