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1、 机械工程材料 -教材配套PPT课件第三章 材 料 的 凝 固第三章 材料的凝固第一节第一节第一节第一节 凝固的基本概念凝固的基本概念凝固的基本概念凝固的基本概念第二节第二节第二节第二节 金属的结晶金属的结晶金属的结晶金属的结晶第三节第三节第三节第三节 二元合金相图二元合金相图二元合金相图二元合金相图第四节第四节第四节第四节 铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图水晶n n物质由液态转变为固态的过程称为凝固物质由液态转变为固态的过程称为凝固物质由液态转变为固态的过程称为凝固物质由液态转变为固态的过程称为凝固。n n物质从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡到另物质从一种原子排列状态（
2、晶态或非晶态）过渡到另物质从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡到另物质从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程称为一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程称为一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程称为一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程称为结晶结晶结晶结晶。n n物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而因而因而因而结晶过程是相变过程。结晶过程是相变过程。结晶过程是相变过程。结晶过程是相变过程。凝固凝固结晶结晶非非晶晶体体晶晶体体
3、液体液体水水结晶结晶 =相变相变 冰冰 同一物质的液态和固同一物质的液态和固同一物质的液态和固同一物质的液态和固态自由能与温度的关系态自由能与温度的关系态自由能与温度的关系态自由能与温度的关系曲线，如右图所示。曲线，如右图所示。曲线，如右图所示。曲线，如右图所示。液体和固体自由能与温度的关系曲线纯金属的冷却曲线 纯金属纯金属的冷却曲的冷却曲线线 金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。系曲线称冷却曲线。系曲线称冷却曲线。系曲线称冷却曲线。曲线上水曲线上水曲线上水曲线上水平阶段所对应的温度称平阶段所对应的温度称平阶段所对应
4、的温度称平阶段所对应的温度称实际结实际结实际结实际结晶温度晶温度晶温度晶温度T1T1。曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的时放出结晶潜热引起的时放出结晶潜热引起的时放出结晶潜热引起的.1、冷却曲线、冷却曲线一、晶体的结晶n n2 2、过冷与过冷度、过冷与过冷度、过冷与过冷度、过冷与过冷度n n纯金属都有一个纯金属都有一个纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度T T0 0(熔点熔点熔点熔点或或或或平衡结晶平衡结晶平衡结晶平衡结晶温度温度温度温度)。在该温度下。在该温度下。在该温度
5、下。在该温度下,液体和晶体处于液体和晶体处于液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态动平衡状态动平衡状态.n n结晶只有在结晶只有在结晶只有在结晶只有在T T0 0以下的实以下的实以下的实以下的实 际结晶温度下才能进行。际结晶温度下才能进行。际结晶温度下才能进行。际结晶温度下才能进行。纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线n n液态金属在理论结晶温度以液态金属在理论结晶温度以液态金属在理论结晶温度以液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷下开始结晶的现象称过冷下开始结晶的现象称过冷下开始结晶的现象称过冷。n n理论结晶温度与实际结晶温理论结晶温度与实际结晶温理论结晶温度与实际结晶温理论
6、结晶温度与实际结晶温度的差度的差度的差度的差 T T称过冷度称过冷度称过冷度称过冷度 T=T=T T0 0 T T1 1 l过冷度大小与冷却速度过冷度大小与冷却速度有关，有关，冷速越大，过冷冷速越大，过冷度越大度越大。二、非晶体的凝固 相对晶态而言，非晶态是物质的另一种结相对晶态而言，非晶态是物质的另一种结构状态，它不像晶态原子有规则排列成一定构状态，它不像晶态原子有规则排列成一定的晶体结构，而是一种长程无序、短程有序的晶体结构，而是一种长程无序、短程有序的混合结构。这种结构中原子排列从总体上的混合结构。这种结构中原子排列从总体上说是无规则的，但近邻原子排列却是有一定说是无规则的，但近邻原子排
7、列却是有一定规律，所以，非晶固态物质（非晶体）在性规律，所以，非晶固态物质（非晶体）在性质上表现为各向同性。质上表现为各向同性。第二节第二节 金属的结晶金属的结晶纯金属结晶过程示意图n n一、金属的结晶过程一、金属的结晶过程一、金属的结晶过程一、金属的结晶过程n n1.1.结晶的基本过程结晶的基本过程结晶的基本过程结晶的基本过程n n结晶由结晶由结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成晶核的形成晶核的形成和和和和晶核的长大晶核的长大晶核的长大晶核的长大两个基本过程组成两个基本过程组成两个基本过程组成两个基本过程组成.n n液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，液态金属中存在着原子排列规
8、则的小原子团，它们时聚时散，液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为称为称为称为晶胚晶胚晶胚晶胚。在。在。在。在T T0 0以下以下以下以下,经一段时间后经一段时间后经一段时间后经一段时间后(即孕育期即孕育期即孕育期即孕育期),),一些大尺寸的一些大尺寸的一些大尺寸的一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶坯将会长大，称为晶坯将会长大，称为晶坯将会长大，称为晶核晶核晶核晶核。n n晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核晶核形成后便向各方向生长，
9、同时又有新的晶核产生。产生。产生。产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全晶核不断形成，不断长大，直到液体完全晶核不断形成，不断长大，直到液体完全晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。消失。消失。消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。后形成晶界。后形成晶界。后形成晶界。n n2 2、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n n形核有两种方式形核有两种方式形核有两种方式形核有两种方式，即，即，即，即均匀形核均匀形核均匀形核均匀形核和和和和非均匀
10、形核非均匀形核非均匀形核非均匀形核。n n由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。均匀形核。均匀形核。均匀形核。n n以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核非均匀形核非均匀形核非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。n n3 3、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n n晶核的长大方式有两种晶核的长大方式有
11、两种晶核的长大方式有两种晶核的长大方式有两种，即即即即均匀长大均匀长大均匀长大均匀长大和和和和树枝状长树枝状长树枝状长树枝状长大大大大.二、影响形核和长大的因素1.1.过冷度的影响过冷度的影响 金属结晶时，过冷度与形核金属结晶时，过冷度与形核率、长大速度的系，如图所示。率、长大速度的系，如图所示。过冷度与形核率、长大速度的关系 2.2.难熔杂质的影响难熔杂质的影响 金属结晶过程中，非自发形核金属结晶过程中，非自发形核的作用往往是主要的。所以，某的作用往往是主要的。所以，某些高熔点的杂质，特别是杂质的些高熔点的杂质，特别是杂质的晶体结构与金属的晶体结构有某晶体结构与金属的晶体结构有某些相似时将强
12、烈地促使非自发形些相似时将强烈地促使非自发形核，大大提高形核率。核，大大提高形核率。三、晶粒大小及其控制n n1 1 1 1、晶粒度、晶粒度、晶粒度、晶粒度n n表示晶粒大小的尺度表示晶粒大小的尺度表示晶粒大小的尺度表示晶粒大小的尺度叫叫叫叫晶粒度晶粒度晶粒度晶粒度。可用晶粒。可用晶粒。可用晶粒。可用晶粒的平均面积或平均直的平均面积或平均直的平均面积或平均直的平均面积或平均直径表示。径表示。径表示。径表示。工业生产上工业生产上工业生产上工业生产上采用采用采用采用晶粒度等级晶粒度等级晶粒度等级晶粒度等级来表来表来表来表示晶粒大小。示晶粒大小。示晶粒大小。示晶粒大小。l标准晶粒度共分八级，一级最粗
13、，八级最细标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。n n2 2、决定晶粒度的因素、决定晶粒度的因素、决定晶粒度的因素、决定晶粒度的因素n n晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度晶核的形成速度晶核的形成速度和和和和长大速度长大速度长大速度长大速度。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响l单位时间、单位体积内形成单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫的晶核数目叫形核率形核率(N)。l单位时间内晶核生长的长度单位时间内晶核生长的长度叫叫长大速度长大速度(G
14、)。lN/G比值越大，晶粒越细小比值越大，晶粒越细小.因此，凡是促进形核、抑制因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒长大的因素，都能细化晶粒.3、控制晶粒度的方法n n 控制过冷度：控制过冷度：控制过冷度：控制过冷度：随过冷随过冷随过冷随过冷度度度度增加，增加，增加，增加，N/GN/G值增加，晶值增加，晶值增加，晶值增加，晶粒变细。粒变细。粒变细。粒变细。n n 变质处理：变质处理：变质处理：变质处理：又称又称又称又称孕育孕育孕育孕育处理处理处理处理。即有意向液态金属即有意向液态金属即有意向液态金属即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从内加入非均匀形核物质从内加入非均匀形核物质从内加
15、入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。而细化晶粒的方法。而细化晶粒的方法。而细化晶粒的方法。所加所加所加所加入的非均匀形核物质叫变入的非均匀形核物质叫变入的非均匀形核物质叫变入的非均匀形核物质叫变质剂质剂质剂质剂（或称（或称（或称（或称孕育剂孕育剂孕育剂孕育剂）。）。）。）。四、材料的同素异构现象四、材料的同素异构现象四、材料的同素异构现象四、材料的同素异构现象n n一、晶体的同素异构一、晶体的同素异构n n同一物质在固态时发生晶格类型的转变，称为同素异构转变。n n同素异构转变的过程是原子重新排列的过程，它也遵循着生核与长大的基本规律。图3-6 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化三、同素异构转变 构
16、转变。构转变。构转变。构转变。同素异构转变属于同素异构转变属于同素异构转变属于同素异构转变属于相变之一相变之一相变之一相变之一固态相变固态相变固态相变固态相变。1394912-Fe -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l纯铁的同素异构转变：纯铁的同素异构转变：l铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：第二节第二节 二元合金相图二元合金相图n n一、二元合金相图的建立一、二元合金相图的建立一、二元合金相图的建立一、二元合金相图的建立图5-
17、2 Pb-Sb合金相图的绘制l几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法热分析法。二、二元相图的基本类型与分析l两组元在液态和固两组元在液态和固态下均无限互溶时态下均无限互溶时所构成的相图称所构成的相图称二二元匀晶相图元匀晶相图。l以以Cu-Ni合金为例进合金为例进行分析。行分析。Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图合金相图合金相图1、二元匀晶相图、二元匀晶相图2、二元共晶相图n n当两组元在液态当两组元在液态当两组元在液态当两组元在液态下完全互溶，在下完全互溶，在下完全互溶，在下完全互溶，在固态下有限互溶固态下有限互溶固态下有限互溶固态下
18、有限互溶,并发生并发生并发生并发生共晶反应共晶反应共晶反应共晶反应时所构成的相图时所构成的相图时所构成的相图时所构成的相图称作共晶相图称作共晶相图称作共晶相图称作共晶相图。n n以以以以 Pb-Sn Pb-Sn 相图为相图为相图为相图为例进行分析例进行分析例进行分析例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSnn n 相图分析相图分析相图分析相图分析n n 相：相：相：相：相图中有相图中有相图中有相图中有L L、三种相三种相三种相三种相,是溶质是溶质是溶质是溶质Sn Sn 在在在在 PbPb中的固溶体中的固溶体中的固溶体中的固溶体，是溶质是溶质是溶质是溶质
19、PbPb在在在在SnSn中的固溶体中的固溶体中的固溶体中的固溶体。ABl 相区：相区：相图中有相图中有:l三个单相区：三个单相区：L、；l三个两相区：三个两相区：L+、L+、+；l一个三相区：一个三相区：即水即水平线平线CED。n n 固溶线固溶线固溶线固溶线:溶解度溶解度溶解度溶解度点的连线称点的连线称点的连线称点的连线称固溶线固溶线固溶线固溶线.相图中的相图中的相图中的相图中的CFCF、DGDG线分别为线分别为线分别为线分别为 SnSn在在在在 PbPb中和中和中和中和 PbPb在在在在 SnSn中的中的中的中的固溶线。固溶线。固溶线。固溶线。l 液固相线液固相线:液相线液相线AEB,固相
20、线固相线ACEDB.A、B分分别为别为Pb、Sn的熔点的熔点.ABl 和和 固溶体的溶解度随温度降低而下降。固溶体的溶解度随温度降低而下降。在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应.n n 共晶线：共晶线：共晶线：共晶线：水平线水平线水平线水平线CEDCED叫做叫做叫做叫做共晶线共晶线共晶线共晶线。n n在共晶线对应的温度下在共晶线对应的温度下在共晶线对应的温度下在共晶线对应的温度下(183183 )，E E点成分的合金点成分的合金点成分的
21、合金点成分的合金同时结晶出同时结晶出同时结晶出同时结晶出C C点成分的点成分的点成分的点成分的 固溶体和固溶体和固溶体和固溶体和DD点成分的点成分的点成分的点成分的 固固固固溶体溶体溶体溶体，形成这两个相的机械混合物：，形成这两个相的机械混合物：，形成这两个相的机械混合物：，形成这两个相的机械混合物：L LE E (C C+D D)AB183 n n共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或或或或共晶组织共晶组织共晶组织共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表发生
22、共晶反应的温度称共晶温度。代表发生共晶反应的温度称共晶温度。代表发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。共晶温度和共晶成分的点称共晶点。共晶温度和共晶成分的点称共晶点。共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织L+CDABn n具有共晶成分的合金具有共晶成分的合金具有共晶成分的合金具有共晶成分的合金称称称称共晶合金共晶合金共晶合金共晶合金。共晶线上，。共晶线上，。共晶线上，。共晶线上，凡凡凡凡成分位于共晶点以左的合金成分位于共晶点以左的合金成分位于共晶点以左的合金成分位于共晶点以左的合金称称称称亚共晶合金亚共晶合金亚共晶合金亚共晶合金，位于位于位于位于
23、 共晶点以右的共晶点以右的合金合金称称过共晶过共晶合金合金。l凡具有共晶线凡具有共晶线成分的合金液成分的合金液体冷却到共晶体冷却到共晶温度时都将发温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+CDABn n 合金的结晶过程合金的结晶过程合金的结晶过程合金的结晶过程n n 含含含含SnSn量小于量小于量小于量小于C C点合金点合金点合金点合金(合金合金合金合金)的结晶过程的结晶过程的结晶过程的结晶过程n n在在在在3 3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体固溶体固溶体固溶体,这这这这种直接种直接种直接种直接从液相中结晶
24、出的固相称一次相或初生相从液相中结晶出的固相称一次相或初生相从液相中结晶出的固相称一次相或初生相从液相中结晶出的固相称一次相或初生相.2n n温度降到温度降到温度降到温度降到3 3点以下，点以下，点以下，点以下，固溶体被固溶体被固溶体被固溶体被SnSn过饱和，由于晶过饱和，由于晶过饱和，由于晶过饱和，由于晶格不稳，开始析出格不稳，开始析出格不稳，开始析出格不稳，开始析出（相变过程也称析出）（相变过程也称析出）（相变过程也称析出）（相变过程也称析出）新相新相新相新相 相。相。相。相。由已有固相析出的新固相由已有固相析出的新固相由已有固相析出的新固相由已有固相析出的新固相称称称称二次相二次相二次相
25、二次相或或或或次生相次生相次生相次生相。n n形成二次相的过程形成二次相的过程形成二次相的过程形成二次相的过程称称称称二次析出二次析出二次析出二次析出,是固态相变的一种是固态相变的一种是固态相变的一种是固态相变的一种.Hn n合金室合金室合金室合金室温组织为温组织为温组织为温组织为 +。第三节 铁碳合金相图n n铁碳合金铁碳合金铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢碳钢碳钢和和和和铸铁铸铁铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广的合金。最广的合金。最广的合金。n n含碳量为含碳量为含碳量为含碳量为0.0218%0.0218%2.11%2.11%的的的的称称称称钢钢钢钢n n含
26、碳量为含碳量为含碳量为含碳量为 2.11%2.11%6.69%6.69%的的的的称称称称铸铁。铸铁。铸铁。铸铁。一、铁碳合金的组元和相n n碳在碳在碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称铁素体中的固溶体称铁素体中的固溶体称铁素体中的固溶体称铁素体,用用用用F F 或或或或 表示。表示。表示。表示。n n碳在碳在碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称中的固溶体称中的固溶体称中的固溶体称 -铁素体铁素体铁素体铁素体，用，用，用，用 表示。表示。表示。表示。n n都是体心立方间隙固溶体都是体心立方间隙固溶体都是体心立方间隙固溶体都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低铁素体的溶碳能力很低铁素体的溶碳能力
27、很低铁素体的溶碳能力很低,在在在在727727时最大为时最大为时最大为时最大为0.0218%0.0218%，室温下仅为，室温下仅为，室温下仅为，室温下仅为0.0008%0.0008%。n n铁素体的组织为多面体晶粒，铁素体的组织为多面体晶粒，铁素体的组织为多面体晶粒，铁素体的组织为多面体晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似性能与纯铁相似性能与纯铁相似。l 组元：组元：Fe、Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：铁素体铁素体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中的固溶体称奥氏体中的固溶体称奥氏体中的固溶体称奥氏体。用用用用 A A 或或或或 表示表
28、示表示表示。是面心立方晶格。是面心立方晶格。是面心立方晶格。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素的间隙固溶体。溶碳能力比铁素的间隙固溶体。溶碳能力比铁素的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，体大，体大，体大，11481148时最大时最大时最大时最大,为为为为2.11%2.11%。l组织为不规则多面体晶组织为不规则多面体晶粒粒,晶界较直。晶界较直。强度低、强度低、塑性好塑性好，钢材热加工都钢材热加工都在在 区进行。区进行。碳钢室温碳钢室温组织中无奥氏体。组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体n n 渗碳体：渗碳体：渗碳体：渗碳体：即即即即FeFe3 3C,C,含碳含碳含碳含碳6.69%,6.69%,用用
29、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，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨),该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在-Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗
30、碳体钢中的渗碳体二、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+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AHJECFDAHJECFD 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的机械的机械的机械的机械混合物，称作莱氏
31、体混合物，称作莱氏体混合物，称作莱氏体混合物，称作莱氏体，用，用，用，用LeLe表示。表示。表示。表示。为蜂窝状。以为蜂窝状。以为蜂窝状。以为蜂窝状。以FeFe3 3C C为为为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体n nPSKPSK：共析线：共析线：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共析转变的产物是共析转变的产物是 与与与与FeFe3 3C C的机械混合物的机械混合物的机械混合物的机械混合物,称称称称作珠光体作珠光体作珠光体作珠光体，用，用，用，用P P表示。表示。表示。表示。l珠光体的组
32、织特点是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。PSK线又称线又称A1线线。L+L+L+Fe3C+Fe3C +F+Fe3C珠光体珠光体(光镜光镜)扫描电镜形貌扫描电镜形貌n n 其它相线其它相线其它相线其它相线n nGS,GPGS,GP 固溶体固溶体固溶体固溶体转变线转变线转变线转变线,GSGS又称又称又称又称A A3 3 线。线。线。线。n nHN,JNHN,JN 固溶体固溶体固溶体固溶体转变线，转变线，转变线，转变线，n nESES碳在碳在碳在碳在 -Fe-Fe中的固中的固中的固中的固溶线。溶线。溶线。溶线。又称又称又称又称A Ac mc
33、 m线。线。线。线。n nPQPQ碳在碳在碳在碳在 -Fe-Fe中的固中的固中的固中的固溶线。溶线。溶线。溶线。n n 三个三相区：三个三相区：三个三相区：三个三相区：即即即即HJB HJB(L+L+)、ECFECF(L+L+FeFe3 3C C)、PSKPSK(+Fe+Fe3 3C C)三条水平线三条水平线三条水平线三条水平线 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 3 3、铁碳合金相图、铁碳合金相图 n n点：点：点：点：符号、成分、温度符号、成分、温度符号、成分、温度符号、成分、温度FeFe
34、3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LeLeLe+Fe3CLe+Fe3CLeP+Fe3C+LeP+Fe3CP+FPF+Fe3C莱氏体莱氏体Le(A+Fe3C)Le(P+Fe3C)珠光体珠光体P(F+Fe3C)复相组织组成物：复相组织组成物：组织组成物标注组织组成物标注相区标注相区标注线：线：液固相线、水液固相线、水平线、固溶线、固平线、固溶线、固溶体转变线溶体转变线A 1538D 1227N 1394G 912PSK 727ECF 1148HJB 1495C%温温度度三、典型合金的平衡结晶过程n n 钢钢钢钢
35、(0.02182.11%C)(0.02182.11%C)高温组织为单相高温组织为单相高温组织为单相高温组织为单相奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体 n n 亚共析钢亚共析钢亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)(0.02180.77%C)n n 共析钢共析钢共析钢共析钢 (0.77%C)(0.77%C)n n 过过过过共共共共析析析析钢钢钢钢 (0.772.11%C)(0.772.11%C)l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：l 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n n 白口铸铁白口铸铁白口铸铁白口铸铁
36、(2.116.69%C)(2.116.69%C)铸造性能好铸造性能好铸造性能好铸造性能好,硬而脆硬而脆硬而脆硬而脆n n 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)n n 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)n n 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)n n工工工工业业业业纯纯纯纯铁铁铁铁的的的的结晶过程结晶过程结晶过程结晶过程 n n合合合合金金金金液液液液体体体体在在在在1-21-2点点点点间间间间转转转转变变变变为为为为 ，
37、3-43-4点点点点 间间间间 ，5-65-6点点点点 间间间间 。到到到到7 7点点点点，从从从从 中中中中析出析出析出析出FeFe3 3C C。NSJBH L+随温度下降，随温度下降，随温度下降，随温度下降，FeFe3 3C C量不断增加量不断增加量不断增加量不断增加,合金的室温下组合金的室温下组合金的室温下组合金的室温下组织为织为织为织为F+FeF+Fe3 3C C。l从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示。Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。n n工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过
38、程工业纯铁的结晶过程 n n 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 l合合金金液液体体在在1-2点点间间转转变变为为,到到S点点发发生生共共析转变：析转变：S P+Fe3C,全全部部转转变变为为珠光体。珠光体。n n珠光体珠光体珠光体珠光体在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状.n n转变结束时，珠光体中相转变结束时，珠光体中相转变结束时，珠光体中相转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共共析渗碳体析渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中
39、析出中析出Fe3C，与共析与共析Fe3C结合结合不易分辨。不易分辨。室温组织为室温组织为P.Q珠光体珠光体n n共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程n n 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程n n0.090.53%C0.090.53%C亚共析钢亚共析钢亚共析钢亚共析钢冷却时发生包晶反应。冷却时发生包晶反应。冷却时发生包晶反应。冷却时发生包晶反应。n n以以以以0.45%C0.45%C的钢为例的钢为例的钢为例的钢为例n n合金在合金在合金在合金在 4 4 点以前通过匀点以前通过匀点以前通过匀点以前通过匀晶晶晶晶包晶包晶包晶包晶匀晶
40、反应全匀晶反应全匀晶反应全匀晶反应全部转变为部转变为部转变为部转变为 。到。到。到。到4 4点，由点，由点，由点，由 中析出中析出 。到。到5点，点，成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点，发生发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，共析反应转变为珠光体。温度继续下降，中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合,且量少且量少,忽略不计。忽略不计。+Fe3CGSPABJH亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程Sn n亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为为为F+PF+P。n n在在在在0.02180.77%C0.02180.77%C 范
41、围内范围内范围内范围内珠光体的量随含碳量增珠光体的量随含碳量增珠光体的量随含碳量增珠光体的量随含碳量增加而增加加而增加加而增加加而增加。含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程含含1.4%C钢的组织钢的组织n n 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 n n合金在合金在合金在合金在1212点转变为点转变为点转变为点转变为 ,到到到到 3 3 点点点点,开始析出开始析出开始析出开始析出FeFe3 3C C。从从从从奥氏体中析出的奥氏体中析出的奥氏体中析出的奥氏体中析出的
42、FeFe3 3C C称称称称二次渗碳体二次渗碳体二次渗碳体二次渗碳体,用用用用FeFe3 3C C表示表示表示表示,其其沿晶界呈网状沿晶界呈网状分布分布.l温度下降温度下降,Fe3C量增加。量增加。到到4点，点，成分成分沿沿ES线变化到线变化到S点，余下的点，余下的 转转变为变为P。12345S过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程含含1.4%C钢的组织钢的组织n n 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 n n液相冷却到液相冷却到液相冷却到液相冷却到C C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生
43、共晶反应全部转变为莱氏体LeLe,LeLe是共晶是共晶是共晶是共晶 与共晶与共晶与共晶与共晶FeFe3 3C C的机械混合物，的机械混合物，的机械混合物，的机械混合物，呈蜂窝状。呈蜂窝状。呈蜂窝状。呈蜂窝状。Fe3C l共晶转变结束时，共晶转变结束时，C点以下点以下,成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合，不易分辨。结合，不易分辨。12 Fe3C2PFe3Cn n温度降到温度降到温度降到温度降到2 2点，点，点，点，成分达到成分达到成分达到成分达到0.77%0.77%.l在在2点，共晶点，共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种发生共析
44、反应，转变为珠光体，这种由由 P与与 Fe3C组成的共晶体称组成的共晶体称低温莱氏体，低温莱氏体，用用Le表示表示。2 点以下，共晶体中珠点以下，共晶体中珠光体的变化同共析钢光体的变化同共析钢.S共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程n n共晶白口铁室共晶白口铁室温组织为温组织为Le(P+Fe3C),它它保留了共晶转保留了共晶转变产物的形态变产物的形态特征。特征。n n 亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程n n合合合合金金金金在在在在 12 12 点点点点间间间间析析析析出出出出 。到到到到 2 2 点点点点，液液液液相相相相成成成成分分
45、分分变变变变到到到到C C 点，并转变为点，并转变为点，并转变为点，并转变为 LeLe。23 23 点间从点间从点间从点间从 中析出中析出中析出中析出 FeFe3 3C C,一一 次次 的的Fe3C被被共共晶晶 衬衬托托出出来来。到到3点点，转转变为变为P.亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程ECFD1234Nn n亚共晶白口铁室温亚共晶白口铁室温组织为组织为P+Fe3C+Le。n n室温下组织组成物室温下组织组成物相对重量百分比为相对重量百分比为：n n 过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程n n1212点间点间点间点间从液相中析出
46、从液相中析出从液相中析出从液相中析出FeFe3 3C,C,这种渗碳体这种渗碳体这种渗碳体这种渗碳体称称称称一次渗一次渗一次渗一次渗碳体，碳体，碳体，碳体，用用用用 FeFe3 3C C表示，呈粗条片状。表示，呈粗条片状。表示，呈粗条片状。表示，呈粗条片状。到到到到2 2点，余下点，余下点，余下点，余下的液相成分变到的液相成分变到的液相成分变到的液相成分变到C C点并转变为点并转变为点并转变为点并转变为LeLe。DFK3Fe3C124n n2 2点以下点以下点以下点以下,FeFe3 3C C成分重量不成分重量不成分重量不成分重量不再变化再变化再变化再变化,LeLe变化同共晶合金变化同共晶合金变化
47、同共晶合金变化同共晶合金,其其其其室温组织为室温组织为室温组织为室温组织为FeFe3 3C C+Le+Le。n n组织组成物与相组成物标注区别主要在组织组成物与相组成物标注区别主要在组织组成物与相组成物标注区别主要在组织组成物与相组成物标注区别主要在 +Fe+Fe3 3C C和和和和l 组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注 +Fe3C +Fe3C +Fe3C两个两个相区相区.+Fe3C相区相区中中有四个组有四个组织组成物区织组成物区,+Fe3C相区相区中中有七个组有七个组织组成物区织组成物区.n n 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含
48、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n n 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 n n含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体
49、一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体n n 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响n n亚共析钢亚共析钢亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，随含碳量增加，随含碳量增加，P P 量增加，量增加，量增加，量增加，钢的强度、硬钢的强度、硬钢的强度、硬钢的强度、硬度升高度升高度升高度升高,塑性、韧性下降塑性、韧性下降塑性、韧性下降塑性、韧性下降.l0.77%C时时,组织为组织为100%
50、P,钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，为晶界连续网状，强度下降强度下降,但但硬度仍上升。硬度仍上升。l2.11%C，组织中有以组织中有以Fe3C为基的为基的Le,合金太脆合金太脆.n n 含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响n n 切削性能切削性能切削性能切削性能:中碳钢合适中碳钢合适中碳钢合适中碳钢合适n n 可锻性能可锻性能可锻性能可锻性能:低碳钢好低碳钢好低碳钢好低碳钢好n n 焊接性能焊接性能焊接性能焊接性能:低碳钢好低碳钢好低碳钢好低碳钢好n n 铸造性能铸造性能铸造性能铸造性能:共晶铸铁好