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1、会计学1结晶与相图铁碳合金结晶与相图铁碳合金(hjn)工程材工程材料基础知识料基础知识第一页，共62页。一、金属一、金属(jnsh)的晶体结构的晶体结构n n1 1纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 n n（1 1）晶体与非晶体）晶体与非晶体）晶体与非晶体）晶体与非晶体 固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分为晶体与非晶体。为晶体与非晶体。为晶体与非晶体。为晶体与非晶体。n n 晶体晶体晶体晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期
2、性地排列；内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；n n 非晶体非晶体非晶体非晶体内部质点是散乱内部质点是散乱内部质点是散乱内部质点是散乱(sn lun)(sn lun)排列的。排列的。排列的。排列的。n n 自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体大多
3、数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换，结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换，结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换，结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换，n n 第1页/共62页第二页，共62页。（2 2）常见金属晶格类型：体心）常见金属晶格类型：体心(t xn)(t xn)立方晶格、面心立方立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，如下图所示。晶格、密排六方晶格，如下图所示。体心立方(lfng)晶格：如
4、图1-13a所示，体心立方(lfng)晶格的晶胞是一个立方(lfng)体，立方(lfng)体的八个顶角和立方(lfng)体的中心各有一个原子。具有体心立方(lfng)晶格的金属有：-Fe（温度低于912的铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、-Ti（温度在8831668的钛）等。第2页/共62页第三页，共62页。（3）实际）实际(shj)金属晶体结构金属晶体结构晶体缺陷晶体缺陷：在实际金属晶体中，存在原：在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。按陷的几何形态，晶体缺陷分为点体缺陷。按陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷
5、、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形都会造成晶格畸变，使变形(binxng)抗力抗力增大，从而提高材料的强度、硬度。增大，从而提高材料的强度、硬度。点缺陷（空位、间隙原子）：晶格中某个点缺陷（空位、间隙原子）：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。子。空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了格，即发生了“晶格畴变晶格畴变”，点缺陷的存在，点缺陷的存在，提高了材料的硬
6、度和强度，点缺陷是动态变提高了材料的硬度和强度，点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质扩散的原因。化着的，它是造成金属中物质扩散的原因。第3页/共62页第四页，共62页。n n线缺陷：它是在晶体线缺陷：它是在晶体线缺陷：它是在晶体线缺陷：它是在晶体(jngt(jngt)中某处有一列或若干列原子发生了中某处有一列或若干列原子发生了中某处有一列或若干列原子发生了中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体有规律的错排现象。晶体有规律的错排现象。晶体有规律的错排现象。晶体(jngt(jngt)中最普通的线缺陷就是位错，中最普通的线缺陷就是位错，中最普通的线缺陷就是位错，中最普通的线缺陷就是
7、位错，这种错排现象是晶体这种错排现象是晶体这种错排现象是晶体这种错排现象是晶体(jngt(jngt)内部局部滑移造成的，根据局部滑内部局部滑移造成的，根据局部滑内部局部滑移造成的，根据局部滑内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。线缺陷线缺陷(quxin)第4页/共62页第五页，共62页。n n刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错n n 效应：在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属效应：在位错周围，由于原子的错排使
8、晶格发生了畸变，使金属效应：在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属效应：在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量(dling)(dling)位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能有效地提高金属强度。有效地提高金属强度。有效地
9、提高金属强度。有效地提高金属强度。第5页/共62页第六页，共62页。n n面缺陷（晶界、亚晶界）：面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒面缺陷（晶界、亚晶界）：面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒面缺陷（晶界、亚晶界）：面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒面缺陷（晶界、亚晶界）：面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想(l(l xixi ng)ng)晶体，而是由位向差晶体，而是由位向差晶体，而是由位向差晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块
10、所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。n n 面缺陷同样使晶格产生畴变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加面缺陷同样使晶格产生畴变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加面缺陷同样使晶格产生畴变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加面缺陷同样使晶格产生畴变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细晶粒的金属塑性和韧性也晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时
11、，细晶粒的金属塑性和韧性也晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细晶粒的金属塑性和韧性也晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细晶粒的金属塑性和韧性也得到改善。得到改善。得到改善。得到改善。第6页/共62页第七页，共62页。2合金合金(hjn)的晶体结构的晶体结构n n 合金合金合金合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为有金属特征的物质称为有金属特征的物质称为有金属特征的物质称为(c
12、hn(chn wi)wi)合金。合金。合金。合金。n n 组元组元组元组元：组成合金最基本的、独立的单元称为：组成合金最基本的、独立的单元称为：组成合金最基本的、独立的单元称为：组成合金最基本的、独立的单元称为(chn(chn wi)wi)组元。根据组元组元。根据组元组元。根据组元组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。n n 相相相相：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学
13、性能，并与该：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为为为为(chn(chn wi)wi)单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为(chn(
14、chn wi)wi)多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。多相合金。合金的的相结构主要有固溶体和金属化合物。n n 显微组织显微组织显微组织显微组织：在显微镜下观察到的组成相的：在显微镜下观察到的组成相的：在显微镜下观察到的组成相的：在显微镜下观察到的组成相的n n种类、大小、形态和分布称为种类、大小、形态和分布称为种类、大小、形态和分布称为种类、大小、形态和分布称为(chn(chn wi)wi)显微组织，显微组织，显微组织，显微组织，n n简称组织，因此相是组成组织的基本物质。简称
15、组织，因此相是组成组织的基本物质。简称组织，因此相是组成组织的基本物质。简称组织，因此相是组成组织的基本物质。n n 第7页/共62页第八页，共62页。n n金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。n n（1 1）固溶体）固溶体）固溶体）固溶体 n n 固溶体固溶体固溶体固溶体：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体。固溶体中晶
16、格保持不变的组元称为溶剂，因此固溶体固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂，因此固溶体固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂，因此固溶体固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂，因此固溶体的晶格与溶剂的晶格相同；其它组元称为溶质的晶格与溶剂的晶格相同；其它组元称为溶质的晶格与溶剂的晶格相同；其它组元称为溶质的晶格与溶剂的晶格相同；其它组元称为溶质(rngzh)(rngzh)。n n 分类分类分类分类：根据溶质：根据溶质：根据溶质：根据溶质(rngzh)(rngzh)原子在晶格中原子在晶格中原子在晶格中原子在晶格中n n占据位置的不同，分为置换固溶占据位置的不同，分为置换固溶占据位置的
17、不同，分为置换固溶占据位置的不同，分为置换固溶n n体和间隙固溶体两类。体和间隙固溶体两类。体和间隙固溶体两类。体和间隙固溶体两类。第8页/共62页第九页，共62页。n n固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大
18、。晶格畸变导致变形抗力变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力(kn(kn l)l)增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径
19、之一。一。一。一。第9页/共62页第十页，共62页。n n（2 2）金属化合物）金属化合物）金属化合物）金属化合物 n n 金属化合物金属化合物金属化合物金属化合物：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元
20、素的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的Fe3CFe3C（渗碳体）。（渗碳体）。（渗碳体）。（渗碳体）。n n 金属化合物性能金属化合物性能金属化合物性能金属化合物性能：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一分布于固溶体基
21、体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；但由于金属化合物的塑性、韧性但由于金属化合物的塑性、韧性但由于金属化合物的塑性、韧性但由于金属化合物的塑性、韧性(rn xn(rn xn)差，当合金中的金属化合物差，当合金中的金属
22、化合物差，当合金中的金属化合物差，当合金中的金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。n n 合金的组织可以是单相固溶体，合金的组织可以是单相固溶体，合金的组织可以是单相固溶体，合金的组织可以是单相固溶体，n n但由于其强度不够高，其应用具有局限性；但由于其强度不够高，其应用具有局限性；但由于其强度不够高，其应用具有局限性；但由于其强度不够高，其应用具有局限性；n n绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属绝大多数合金的组织
23、是固溶体与少量金属绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属n n化合物组成的混合物。化合物组成的混合物。化合物组成的混合物。化合物组成的混合物。第10页/共62页第十一页，共62页。二、金属二、金属(jnsh)的结晶的结晶n n 结晶结晶结晶结晶：金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。：金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。：金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。：金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。n n 1 1纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶 n n（1 1）冷却曲线与过冷度）冷却曲线与过冷度）冷却曲线与过冷度）冷却曲线与过冷度 n
24、 n 冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述(mio sh)(mio sh)金属的结晶规律。可通过金属的结晶规律。可通过金属的结晶规律。可通过金属的结晶规律。可通过热分析法测量绘制，其方法是使熔化热分析法测量绘制，其方法是使熔化热分析法测量绘制，其方法是使熔化热分析法测量绘制，其方法是使熔化n n后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录n n下温度值，将温
25、度下温度值，将温度下温度值，将温度下温度值，将温度T T和对应时间和对应时间和对应时间和对应时间t t绘制成绘制成绘制成绘制成T-tT-t曲线。曲线。曲线。曲线。n n 曲线分析：随时间的增加，纯金属液曲线分析：随时间的增加，纯金属液曲线分析：随时间的增加，纯金属液曲线分析：随时间的增加，纯金属液n n的温度不断下降；当冷到某一温度时，在曲线的温度不断下降；当冷到某一温度时，在曲线的温度不断下降；当冷到某一温度时，在曲线的温度不断下降；当冷到某一温度时，在曲线n n上出现了一个恒温的水平线段，所对应的温度上出现了一个恒温的水平线段，所对应的温度上出现了一个恒温的水平线段，所对应的温度上出现了一
26、个恒温的水平线段，所对应的温度n n就是金属的结晶温度（或熔点），在结晶过程就是金属的结晶温度（或熔点），在结晶过程就是金属的结晶温度（或熔点），在结晶过程就是金属的结晶温度（或熔点），在结晶过程n n中，由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量，中，由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量，中，由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量，中，由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量，n n使温度保持恒定不变；结晶结束后，由于金使温度保持恒定不变；结晶结束后，由于金使温度保持恒定不变；结晶结束后，由于金使温度保持恒定不变；结晶结束后，由于金n n属继续散热，固态金属的温度开始下降。属继续散热，固态金属的温度开始下降。属
27、继续散热，固态金属的温度开始下降。属继续散热，固态金属的温度开始下降。第11页/共62页第十二页，共62页。n n 理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度：纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态：纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态：纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态：纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度，用下）的结晶温度称为理论结晶温度，用下）的结晶温度称为理论结晶温度，用下）的结晶温度称为理论结晶温度，用T0T0表示表示表示表示。n n 实际结晶温度实际结晶温度实际结晶温度实际结晶温度：实际生产：实际生产：实际生产：实际生产(shng
28、ch(shngch n)n)中金属的冷却速度不可中金属的冷却速度不可中金属的冷却速度不可中金属的冷却速度不可能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用TnTn表示。表示。表示。表示。n n 过冷现象过冷现象过冷现象过冷现象：金属的实际结晶温度总：金属的实际结晶温度总：金属的实际结晶温度总：金属的实际结晶温度总n n是低于理论结晶温度，即是低于理论结晶温度，即是低于理论结晶温度，即是低于理论结晶温度，即TnT0Tn6.69%Wc6.
29、69%的铁碳合金脆性极大，加工困难，生产中无实用价值，并且的铁碳合金脆性极大，加工困难，生产中无实用价值，并且的铁碳合金脆性极大，加工困难，生产中无实用价值，并且的铁碳合金脆性极大，加工困难，生产中无实用价值，并且Fe3CFe3C（Wc=Wc=6.69%6.69%）可以作为一个独立组元。因此）可以作为一个独立组元。因此）可以作为一个独立组元。因此）可以作为一个独立组元。因此(ync(ync)，仅研究，仅研究，仅研究，仅研究WcWc为为为为0%6.69%0%6.69%的的的的Fe-Fe3CFe-Fe3C相图相图相图相图部分。部分。部分。部分。为便于研究，将相图左上角部分简化，得到简化后的为便于研
30、究，将相图左上角部分简化，得到简化后的为便于研究，将相图左上角部分简化，得到简化后的为便于研究，将相图左上角部分简化，得到简化后的Fe-Fe3CFe-Fe3C相图。相图。相图。相图。第45页/共62页第四十六页，共62页。1 1）、）、）、）、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图相图相图相图(xin(xin t)t)的特性点的特性点的特性点的特性点 Fe-Fe3C相图相图(xint)特性点特性点特性点温度t/Wc/%含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，LCldD12276.69渗碳体的熔点（计算值）E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度G9120纯铁的同素异晶转变点，-Fe-Fe
31、P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点，AsPQ6000.0057600时碳在-Fe中的溶解度第46页/共62页第四十七页，共62页。2 2）、）、）、）、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图相图相图相图(xin(xin t)t)的特性线的特性线的特性线的特性线 特性线特性线名称名称含含义义ACD液相线液相线此线以上为液相（此线以上为液相（L），缓冷至液相线时，开始结晶），缓冷至液相线时，开始结晶AECF固相线固相线此线以下为固相此线以下为固相ECF共晶线共晶线发生共晶转变，生成莱氏体（发生共晶转变，生成莱氏体（Ld）。共晶反应式为：）。共晶反应式为：LcLdPSK共析
32、线共析线A1发生共析转变，生成珠光体（发生共析转变，生成珠光体（P）.共析反应式为：共析反应式为：ASPESAcm碳在碳在-Fe中的溶解度曲线中的溶解度曲线PQ碳在碳在-Fe中的溶解度曲线中的溶解度曲线GSA3奥氏体奥氏体铁素体转变线铁素体转变线第47页/共62页第四十八页，共62页。3）Fe-Fe3C相图相图(xin t)的相区（标示于的相区（标示于相图相图(xin t)中）中）第48页/共62页第四十九页，共62页。2、相图相图(xin t)分析要点分析要点：n n五个重要五个重要(zhngyo)的成份点的成份点:P、S、E、C、F n n 四条重要四条重要(zhngyo)的线的线:ECF
33、、PSK、ES、GS n n三个重要三个重要(zhngyo)转变转变:共晶转变反应共晶转变反应式、共析转变式、共析转变 n n 反应式、包晶转变反应式、包晶转变 n n 二个重要二个重要(zhngyo)温度温度:1148 、727 第49页/共62页第五十页，共62页。三、三、三、三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程典型成分铁碳合金的平衡结晶过程典型成分铁碳合金的平衡结晶过程典型成分铁碳合金的平衡结晶过程(guchng)(guchng)及其组及其组及其组及其组织织织织 铁碳合金铁碳合金铁碳合金铁碳合金(hjn)(hjn)的分类：的分类：的分类：的分类：工业纯铁、工业纯铁、工业纯铁、工业纯铁、钢、
34、钢、钢、钢、白口铸铁。白口铸铁。白口铸铁。白口铸铁。铁碳合金类别铁碳合金类别化学成分化学成分wc(%)室温平衡组织室温平衡组织工业纯铁工业纯铁00.0218F钢钢共析钢共析钢0.77P亚共析钢亚共析钢0.02180.77F+P过共析钢过共析钢0.772.11P+Fe3CII白口铸铁白口铸铁白口铸铁白口铸铁4.3P+Fe3CII+ld亚共晶白口铸亚共晶白口铸铁铁2.114.3ld过共晶白口铸过共晶白口铸铁铁4.36.69ld+Fe3CI第50页/共62页第五十一页，共62页。uu1 1 1 1、共析钢的结晶过程及平衡组织、共析钢的结晶过程及平衡组织、共析钢的结晶过程及平衡组织、共析钢的结晶过程及
35、平衡组织 结晶过程：结晶过程：结晶过程：结晶过程：液相温度以上，合金为液相；液相温度以上，合金为液相；液相温度以上，合金为液相；液相温度以上，合金为液相；温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相：温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相：温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相：温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相：温度降至液相线与固相线之间时，液相不断减少，温度降至液相线与固相线之间时，液相不断减少，温度降至液相线与固相线之间时，液相不断减少，温度降至液相线与固相线之间时，液相不断减少，固相不断增加固相不断增加固相不断增加固相不断增加温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相；温度降至固相
36、线时，所有液相全部结晶成固相；温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相；温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相；在固相线和共析线之间，合金的成份、相结构均不在固相线和共析线之间，合金的成份、相结构均不在固相线和共析线之间，合金的成份、相结构均不在固相线和共析线之间，合金的成份、相结构均不发生变化；发生变化；发生变化；发生变化；降到共析温度时，固相将发生共析反应：奥氏体共降到共析温度时，固相将发生共析反应：奥氏体共降到共析温度时，固相将发生共析反应：奥氏体共降到共析温度时，固相将发生共析反应：奥氏体共析体珠光体（铁素体渗碳体），共析反应结束后，析体珠光体（铁素体渗碳体），共析反应结束后，析体珠
37、光体（铁素体渗碳体），共析反应结束后，析体珠光体（铁素体渗碳体），共析反应结束后，所有的奥氏体都转变成珠光体；所有的奥氏体都转变成珠光体；所有的奥氏体都转变成珠光体；所有的奥氏体都转变成珠光体；从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗碳体）及其成份基本上不再发生变化。碳体）及其成份基本上不再发生变化。碳体）及其成份基本上不再发生变化。碳体）及其成份基本上不再发生变化。到达室温后，共析成份的碳钢由两种相（铁素体，到达室温后，共析成份的碳钢由两种相（铁素体，到达室
38、温后，共析成份的碳钢由两种相（铁素体，到达室温后，共析成份的碳钢由两种相（铁素体，渗碳体）构成渗碳体）构成渗碳体）构成渗碳体）构成(guchng)(guchng)(guchng)(guchng)机械混合物；机械混合物；机械混合物；机械混合物；其组织全都为共析体即珠光体构成其组织全都为共析体即珠光体构成其组织全都为共析体即珠光体构成其组织全都为共析体即珠光体构成(guchng)(guchng)(guchng)(guchng)。室温时：相组成物为：室温时：相组成物为：室温时：相组成物为：室温时：相组成物为：F F F F、Fe3CFe3CFe3CFe3C共析钢显微(xinwi)组织C第51页/共6
39、2页第五十二页，共62页。2.亚共析钢：亚共析钢：亚共析钢：亚共析钢：n n结晶过程：结晶过程：结晶过程：结晶过程：n n液相温度以上，合金为液相；液相温度以上，合金为液相；液相温度以上，合金为液相；液相温度以上，合金为液相；n n温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相温度降至液相线时，从液相中开始结晶出固相：n n温度降至液相线与固相线时，液相不断减少，固相不断增加温度降至液相线与固相线时，液相不断减少，固相不断增加温度降至液相线与固相线时，液相不断减少，固相不断增加温度降至液相线与固相线时，液相不断减少，固相
40、不断增加n n温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相温度降至固相线时，所有液相全部结晶成固相；n n在固相线和铁素体析出线之间的温度范围，合金的成份、相结构均不发生变化；在固相线和铁素体析出线之间的温度范围，合金的成份、相结构均不发生变化；在固相线和铁素体析出线之间的温度范围，合金的成份、相结构均不发生变化；在固相线和铁素体析出线之间的温度范围，合金的成份、相结构均不发生变化；n n达到铁素体析出线温度时，将从达到铁素体析出线温度时，将从达到铁素体析出线温度时，将从达到铁素体析出线温度时，将从 相中析出相中析出相
41、中析出相中析出 相铁素体；相铁素体；相铁素体；相铁素体；n n在铁素体析出线和共析线之间的温度范围，从在铁素体析出线和共析线之间的温度范围，从在铁素体析出线和共析线之间的温度范围，从在铁素体析出线和共析线之间的温度范围，从 相奥氏体中不断析出相奥氏体中不断析出相奥氏体中不断析出相奥氏体中不断析出 相铁素体，相铁素体，相铁素体，相铁素体，随温度降低，随温度降低，随温度降低，随温度降低，相奥氏体不断减少，其成份沿铁素体析出线变化，析出的相奥氏体不断减少，其成份沿铁素体析出线变化，析出的相奥氏体不断减少，其成份沿铁素体析出线变化，析出的相奥氏体不断减少，其成份沿铁素体析出线变化，析出的 相铁素体相铁
42、素体相铁素体相铁素体不断增加，其成份沿铁素体成份变化线变化；不断增加，其成份沿铁素体成份变化线变化；不断增加，其成份沿铁素体成份变化线变化；不断增加，其成份沿铁素体成份变化线变化；n n剩余剩余剩余剩余(shngy)(shngy)相发生共析反应：奥氏体珠光体（铁素体渗碳体）；相发生共析反应：奥氏体珠光体（铁素体渗碳体）；相发生共析反应：奥氏体珠光体（铁素体渗碳体）；相发生共析反应：奥氏体珠光体（铁素体渗碳体）；n n从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗碳体）及其成份基本上不再发生从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗碳体）及其成份基本上不再发生从共析温度到室温，合金中的相结构（铁
43、素体，渗碳体）及其成份基本上不再发生从共析温度到室温，合金中的相结构（铁素体，渗碳体）及其成份基本上不再发生变化。变化。变化。变化。n n到达室温后，亚共析成份的碳钢由两种相（铁素体，渗碳体）构成；到达室温后，亚共析成份的碳钢由两种相（铁素体，渗碳体）构成；到达室温后，亚共析成份的碳钢由两种相（铁素体，渗碳体）构成；到达室温后，亚共析成份的碳钢由两种相（铁素体，渗碳体）构成；n n其组织由两种组织构成：珠光体铁素体。其组织由两种组织构成：珠光体铁素体。其组织由两种组织构成：珠光体铁素体。其组织由两种组织构成：珠光体铁素体。n n室温时：相组成物为：室温时：相组成物为：室温时：相组成物为：室温时
44、：相组成物为：相、相、相、相、Fe3CFe3C相相相相第52页/共62页第五十三页，共62页。20钢钢45钢钢65钢钢亚共析钢显微组织亚共析钢显微组织第53页/共62页第五十四页，共62页。3 3、过共析钢、过共析钢 过共析钢显微过共析钢显微(xinwi)组织组织(T12钢钢)过共析钢的结晶过共析钢的结晶(jijng)过程以图中（过程以图中（3）中合金为例。冷却时与图中）中合金为例。冷却时与图中AC、.AE、.ES和和PSK线分别交于线分别交于1、2、3、4点。该合金在点。该合金在3点以上的结晶点以上的结晶(jijng)过程与共析钢的结晶过程与共析钢的结晶(jijng)过程相似。当其缓冷至过程
45、相似。当其缓冷至3点时，开点时，开始从奥氏体中析出渗碳体（称此为二次渗碳体始从奥氏体中析出渗碳体（称此为二次渗碳体Fe3C），随温度的降低，），随温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而剩余奥氏体中的含碳量沿二次渗碳体量逐渐增多，而剩余奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降线变化，当温度降至至4点（点（727）时，奥氏体的含碳量达到共析成分（）时，奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时），此时会发生共析转变，生成珠光体。因此，过共析钢室温平衡组织为珠光体和会发生共析转变，生成珠光体。因此，过共析钢室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。二次渗碳体一般以网状形式沿奥氏体晶界分布。图中片状或二
46、次渗碳体。二次渗碳体一般以网状形式沿奥氏体晶界分布。图中片状或黑色组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。黑色组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。第54页/共62页第五十五页，共62页。4、白口铸铁的结晶、白口铸铁的结晶(jijng)过程及组织过程及组织 过共晶(njn)白口铁亚共晶(njn)白口铁共晶白口铁u共晶白口铸铁共晶白口铸铁室温平衡组织室温平衡组织Ldu亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁室温平衡组织由珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体室温平衡组织由珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体组成（组成（P+Fe3C+Ld如下图所示，图中呈黑色树枝状部分为珠光如下图所示，图中呈黑色树枝状部分为珠光体，黑色
47、点状部分为变态莱氏体，白色基体部分为二次渗碳体和体，黑色点状部分为变态莱氏体，白色基体部分为二次渗碳体和共晶渗碳体；共晶渗碳体；u过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁室温平衡组织为变态莱氏体、一次渗碳体组成室温平衡组织为变态莱氏体、一次渗碳体组成（Ld+Fe3C），如下图所示。图中基体为变态莱氏体，白色条块），如下图所示。图中基体为变态莱氏体，白色条块状为一次渗碳体。状为一次渗碳体。第55页/共62页第五十六页，共62页。铁碳合金铁碳合金(hjn)中相与组织的中相与组织的变化规律变化规律 第56页/共62页第五十七页，共62页。n n根据上述分析，铁碳合金随含碳量增加，其组织发生下列变化：根据上述分析
48、，铁碳合金随含碳量增加，其组织发生下列变化：根据上述分析，铁碳合金随含碳量增加，其组织发生下列变化：根据上述分析，铁碳合金随含碳量增加，其组织发生下列变化：FeCFeC FeCFeC FeCFeCd d Ld Ld+FeCLd Ld+FeCn n当含碳量增加时，组织中的碳化物数量当含碳量增加时，组织中的碳化物数量当含碳量增加时，组织中的碳化物数量当含碳量增加时，组织中的碳化物数量(shling)(shling)增加，渗碳增加，渗碳增加，渗碳增加，渗碳体的形态和分布也发生了变化：体的形态和分布也发生了变化：体的形态和分布也发生了变化：体的形态和分布也发生了变化：n n 三次渗碳体：沿晶界分布三次
49、渗碳体：沿晶界分布三次渗碳体：沿晶界分布三次渗碳体：沿晶界分布n n 共析渗碳体：分布在铁素体内，呈片层状共析渗碳体：分布在铁素体内，呈片层状共析渗碳体：分布在铁素体内，呈片层状共析渗碳体：分布在铁素体内，呈片层状n n 二次渗碳体：沿奥氏体晶界分布二次渗碳体：沿奥氏体晶界分布二次渗碳体：沿奥氏体晶界分布二次渗碳体：沿奥氏体晶界分布n n 共晶渗碳体：作为莱氏体的基体共晶渗碳体：作为莱氏体的基体共晶渗碳体：作为莱氏体的基体共晶渗碳体：作为莱氏体的基体n n 一次渗碳体：作为基体，粗大枝晶状一次渗碳体：作为基体，粗大枝晶状一次渗碳体：作为基体，粗大枝晶状一次渗碳体：作为基体，粗大枝晶状四、碳的质
50、量分数四、碳的质量分数(fnsh)对力学性能的影响对力学性能的影响第57页/共62页第五十八页，共62页。组织组成物组织组成物（Mpa）硬度硬度Ak(J)铁素体（铁素体（）渗碳体渗碳体 珠光体珠光体 第58页/共62页第五十九页，共62页。n n铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。量及它们的相对分布状况。量及它们的相对分布状况。量及它们的相对分布状况。n n当碳的质量分数当碳的质量分数当碳的质量分数当碳的质量分数Wc0.9%Wc0.