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1、徐州工程学院徐州工程学院Add Your Company Slogan机电工程学院杨峰机电工程学院杨峰第二章金属材料的凝固与固态相变第二章金属材料的凝固与固态相变徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料第一节 纯金属的结晶第一节 纯金属的结晶第一节 纯金属的结晶第一节 纯金属的结晶第二节 合金的结晶第二节 合金的结晶第二节 合金的结晶第二节 合金的结晶第三节 铁碳合金相图第三节 铁碳合金相图第三节 铁碳合金相图第三节 铁碳合金相图第四节 钢在加热时的转变第四节 钢在加热时的转变第四节 钢在加热时的转变第四节 钢在加热时的转变第五节 钢在冷却时的转变第五节 钢在冷却时的转变第五节 钢在冷却时的转
2、变第五节 钢在冷却时的转变徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料第一节纯属的结晶第一节纯属的结晶一一.凝固的基本概念凝固的基本概念一一.凝固的基本概念凝固的基本概念二二.结晶的一般过程结晶的一般过程二二.结晶的一般过程结晶的一般过程三三.同素异构转变同素异构转变三三.同素异构转变同素异构转变徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料1、冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度、冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。曲线上水平阶段是由于结晶时放
3、出结晶潜热引起的。纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线一一.凝固的基本概念凝固的基本概念一一.凝固的基本概念凝固的基本概念徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料2、过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度、过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0，熔点或平衡结晶温度。在该温度下，液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在，熔点或平衡结晶温度。在该温度下，液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。以下的实际结晶温度下才能进行。雾凇雾凇徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差液态金属在理论结晶温度以下
4、开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度称过冷度T=T0T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料二、结晶的一般过程二、结晶的一般过程二、结晶的一般过程二、结晶的一般过程1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。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，称为晶坯。在、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。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，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后即孕育期，一些大尺寸的晶坯将会
5、长大，称为晶核。以下，经一段时间后即孕育期，一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。T0T1T液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化晶核半径与晶核半径与G关系关系徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料形核有两种方式，即形核有两种方式，即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀
6、形核。?由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。?以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。均匀形核均匀形核非均匀形核示意图非均匀形核示意图2、晶核的形成方式、晶核的形成方式徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料晶核的长大方式有两种，均匀长大和树枝状长大。晶核的长大方式有两种，均匀长大和树枝状长大。均匀长大均匀长大3、晶核的长大方式、晶核的长大方式徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。在正温度梯度下，晶体生长以
7、平面状态向前推进。正温度梯度正温度梯度液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况，其结晶前沿液体中的过冷度随至界面距离的增加而减小。液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况，其结晶前沿液体中的过冷度随至界面距离的增加而减小。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料实际金属结晶主要以树枝状长大这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴实际金属结晶主要以树枝状长大这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。负温度梯度负温度梯度负温度梯度是指液相
8、中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况，过冷度随至界面距离的增加而增大。负温度梯度是指液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况，过冷度随至界面距离的增加而增大。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料三、同素异构转变三、同素异构转变三、同素异构转变三、同素异构转变物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一，固态相变。物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一，固态相变。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变1394912-Fe -Fe -Fe1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：、
9、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料-Fe、-Fe为体心立方结构为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。都是铁的同素异构体。-Fe-Fe徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料2、固态转变的特点、固态转变的特点(1)形核一般在某些特定部位发生（晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。形核一般在某些特定部位发生（晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。(2)由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。(3)固态转变伴随着体积变化易造成很大内应力。固态转变伴随着体积变化易
10、造成很大内应力。固态相变的晶界形核固态相变的晶界形核(Sn-0.5%Cu铸态，铸态，255K)锡疫锡疫徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料第二节合的凝固第二节合的凝固二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析1、二元匀晶相图、二元匀晶相图2、二元共晶相图、二元共晶相图徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析，相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，又称状态图或平衡图。合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析，相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，又称状态图或平衡图。一、二元相图的建立一、二元相图
11、的建立一、二元相图的建立一、二元相图的建立徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料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。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。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可看作组元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。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。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可看作组元,如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt%Ni）
12、温度（）温度（）CuNi徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料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、热加工及热处理工艺重要依据。根据组元数，分为二元相图、三元相图和多元相图。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、热加工及热处理工艺重要依据。根据组元数，分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料二元相图的建立步骤二元相图的建立步骤Cu-Ni合金(白铜)Cu-Ni合金(白铜)1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转
13、折点）。配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2.将临界点标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料二、二元相图的基本类型二、二元相图的基本类型二、二元相图的基本类型二、二元相图的基本类型1、二元匀晶相图1、二元匀晶相图两组元在液态和固态下均两组元在液态
14、和固态下均无限互溶无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图以时所构成的相图称二元匀晶相图以Cu-Ni合金为例进行分析。合金为例进行分析。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。）。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(1)合金的结晶过程，除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。合金的结晶
15、过程，除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。当液态金属自高温冷却到 t1 温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。L L+徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料随温度下降，固溶体重量增加液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。随温度下降，固溶体重量增加液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变。从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最
16、后一滴时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，固溶体的成分又变回到合金成分成分的液体也转变为固溶体，固溶体的成分又变回到合金成分 3上来。上来。液固相线不仅是相区分界线，也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。液固相线不仅是相区分界线，也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(2)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，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以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，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：确定两
17、平衡相的成分 确定两平衡相的成分合金成分为合金成分为x，过，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度做成分垂线。在成分垂线相当于温度t 的的o点作水平线，与液固相线交点点作水平线，与液固相线交点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。12t徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料则则QL+Q=1QLx1+Q x2=x121122LxxxxQxxxxQ=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。确定两平衡相的相对重量 确定两平衡相的相对重量，设合金的重量为，
18、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。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料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：abaoxxxxQabobxxxxQ211212L=两相的重量比为：两相的重量比为：21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ=或或徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料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。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。杠杆定律只适用于两相区。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
19、的成分线段之比。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。杠杆定律只适用于两相区。%5.61%10045.058.045.053.0=Q%5.38%10045.058.053.058.0=LQ徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Ni),
20、后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素，如后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素，如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。(3)枝晶偏析枝晶偏析徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线
21、以下100-200长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料2、二元共晶相图2、二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以Pb-Sn 相图为例进行分析。相图为例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(1)相图分析 相：相图中有相图分析 相：相图中有L、三
22、种相，是溶质、三种相，是溶质Sn在在Pb中的固溶体，是溶质中的固溶体，是溶质Pb在在Sn中的固溶体。相区：相图中有三个单相区：中的固溶体。相区：相图中有三个单相区：L、；三个两相区：、；三个两相区：L+、L+、+。AB徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料 固溶线 固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为线分别为 Sn在在Pb中和中和 Pb在在 Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。液固相线：液相线中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。液固相线：液相线AEB，固相线，固相线ACEDB。A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点
23、。AB徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相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。共晶线：水平线 共晶线：水平线CED叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（183），），E点成分的合金同时结晶出点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物LE (C+D)AB徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料共晶反应
24、的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。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。共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。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。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图Sn原子扩散原子扩散Pb原子扩散原子扩散徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶
25、点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(2)合金的结晶过程 含合金的结晶过程 含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程，在的结晶过程，在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相。点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相。.2徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料温度降到温度降到3点以下，点以下，固溶体被固溶体被Sn过饱和，开始析出新相过饱和，开始析出新相 相，由已有固相析出的新固相称二次相。
26、形成二次相的过程称二次析出，是固态相变的一种。相，由已有固相析出的新固相称二次相。形成二次相的过程称二次析出，是固态相变的一种。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料由于二次相析出温度较低一般十分细小。由由于二次相析出温度较低一般十分细小。由 析出的二次析出的二次 用用 表示。随温度下降，表示。随温度下降，和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变化，线变化，的重量增加。的重量增加。Q Q%1004=FGFQ 徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料合金室温组织为合金室温组织为+成分大于成分大于 D点合金结晶过程与点合金结晶过程与合金相似，室温组织为合金相似，室温组织为+。A A
27、B BC CD DE EF FG G徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料 共晶合金 共晶合金(合金合金)的结晶过程液态合金冷却到的结晶过程液态合金冷却到E 点时同时被点时同时被Pb和和Sn饱和饱和,发生共晶反应发生共晶反应LE(C+D)。19.2徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料共晶组织形态共晶组织形态层片状定向凝固层片状定向凝固条棒状横截面条棒状横截面螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）P
28、b-Sn共晶组织共晶组织徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L、三相共存、三相共存,三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时，和 相的相对重量百分比为：共晶转变结束时，和 相的相对重量百分比为：%6.54%100%4.45%1002.195.979.615.97%100=QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2)徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料共晶结束后，随温度下降，和 的成分分别沿共晶结束后，随温度下降，和 的成分分别沿
29、CF线和线和DG线变化，并从共晶 中析出线变化，并从共晶 中析出，从共晶 中析出，从共晶 中析出。由于共晶组织细，。由于共晶组织细，与共晶结合，与共晶结合，与共晶结合共晶合金的室温组织仍为与共晶结合共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。共晶体。Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料 亚共晶合金 亚共晶合金(合金合金)的结晶过程合金液体在的结晶过程合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到点，固相成分变化到C点，液相成分变化到点，液相成分变化到E点，两相的相对重量为点，两相的相对重量为:%1002%,1002)(=CEEQC
30、ECQQEL 徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料在在2点具有点具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应：L (+)，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等,即即QE=QL，反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百分比为：，反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百分比为：%1002%,1002=CDCQCDDQ徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出，其室温组织为，其室温组织为+(+)+。亚共晶合金的结晶过程亚共晶合金的结晶
31、过程如何求室温下三种组织组成物的相对重量？如何求室温下三种组织组成物的相对重量？徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料 过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 ,二次相为二次相为室温组织为室温组织为+(+)+。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料第三节 铁碳合金相图铁碳合金铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。?含碳量为含碳量为0.0218%2.11%的称钢；的称钢；?含碳量为含碳量为2.11%6.69%的称铸铁。的称铸铁。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料一、铁碳合金的组元和
32、相一、铁碳合金的组元和相一、铁碳合金的组元和相一、铁碳合金的组元和相碳在碳在-Fe中的固溶体用中的固溶体用 表示，体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在表示，体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体铁素体1.组元：组元：Fe、Fe3C2.相 铁素体相 铁素体 碳在碳在-Fe中的固溶体称铁素体，用中的固溶体称铁素体，用F或或 表示表示徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(2)奥氏体碳在奥氏体碳在-Fe中的固溶体称奥氏体
33、。用中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，或 表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行，碳钢室温组织中无奥氏体。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行，碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(3)渗碳体渗碳体(Fe3C)含碳含碳6.69%，用，用Fe3C或或Cm表示。表示。Fe3C硬度高、强度低硬度高、强度低(b 35MPa)，脆性大，塑性几乎为零。由于碳在，脆性
34、大，塑性几乎为零。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以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徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料?Fe-Fe3C相图的特性线相图的特性线徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料?Fe-Fe3C相图的特性点相图的特性点徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料重要知识点?五个重要的成份点五个重要的成份点:P、S、E、C、F?四条重要的线四条重要的线:ECF、PSK、ES、GS?三个重要转变三个重要转变
35、:共晶转变反应式、共析转变反应式、包晶转变（本节略）共晶转变反应式、共析转变反应式、包晶转变（本节略）?二个重要温度二个重要温度:1148 、727 徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料三、典型合金的平衡结晶过程三、典型合金的平衡结晶过程三、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(0.02182.11%C)高温组织为单相 亚共析钢高温组织为单相 亚共析钢(0.02180.77%C)共析钢 共析钢(0.77%C)过共析钢 过共析钢(0.772.11%C)铁碳相图上的合金分为三类：纯铁铁碳相图上的合金分为三类：纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚共析
36、钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁亚共晶白口铁工业纯铁徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(3)白口铸铁白口铸铁(2.116.69%C)铸造性能好铸造性能好,硬而脆 亚共晶白口铸铁硬而脆 亚共晶白口铸铁(2.114.3%C)共晶白口铸铁 共晶白口铸铁(4.3%C)过共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁(4.36.69%C)徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(一一)工业纯铁结晶过程工业纯铁结晶过程合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为L，3-4点间。到点间。到5点从中析出点从中析出Fe3C。徐州工程学院工程材料徐州工程
37、学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3C。室温下。室温下Fe3C最大量为最大量为:%3.0%1000008.069.60008.00218.0III3CFe=Q从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，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。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(二二)共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程合金液体在合金液体在1-2点间转变为。到点间转变为。到S点发生共析转变：点发生共
38、析转变：S P+Fe3C 全部转变为珠光体。全部转变为珠光体。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料珠光体在光镜下呈指纹状，变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。珠光体在光镜下呈指纹状，变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析 中析出点以下，共析 中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为结合不易分辨。室温组织为P。%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696=珠光体珠光体徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料
39、室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964=Q43219徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(三三)亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程0.45%C的钢为例合金在的钢为例合金在1-2点通过匀晶反应全部转变为。到点通过匀晶反应全部转变为。到3点 中析出，到点 中析出，到4点 成分沿点 成分沿GS线变到线变到S点，发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，中析出点，发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，中析出Fe3C，由于与共析由于与共析Fe3C结合，且量少忽略
40、不计。结合，且量少忽略不计。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77%(忽略 中含碳量，忽略 中含碳量，P面积面积%=QP)共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为：344100%,100%Fe CPKQQPKPK=组织组成物的相对重量为：组织组成物的相对重量为：44100%100%PPSQQPSPS=，徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(四四)过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程
41、合金在合金在12点转变为，到点转变为，到3点开始析出点开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体，用称二次渗碳体，用Fe3C表示，其沿晶界呈网状分布。温度下降，表示，其沿晶界呈网状分布。温度下降，Fe3C量增加。到量增加。到4点，成分沿点，成分沿ES线变化到线变化到S点，余下的 转变为点，余下的 转变为P。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料过共析钢室温组织为过共析钢室温组织为P+Fe3C，Fe3C量随含碳量而增加量随含碳量而增加,含碳量为含碳量为2.11%时，时，Fe3C量最大：量最大：%6.22%10077.069.
42、677.011.23=IICFeQ含含1.4%C钢的组织钢的组织徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料室温下两相的相对重量百分比：室温下两相的相对重量百分比：Q%QLQQ%.C.QLLQCFe=10051000008069669653室温下两组织组成物的相对重量百分比：室温下两组织组成物的相对重量百分比：12345SPCFePQ%L S SQ%,.C.L SLQ=100510077069669653徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料（五）共晶白口铁的结晶过程（五）共晶白口铁的结晶过程合金冷却到合金冷却到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(Le),莱氏体是共晶
43、与共晶莱氏体是共晶与共晶Fe3C的机械混合物。的机械混合物。Fe3C 徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:%.Q%.%.QCFe847252100112696346963=，=，C点以下，成分沿点以下，成分沿ES线变化，共晶 将析出线变化，共晶 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 Fe3C徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料温度降到温度降到2点，成分达到点，成分达到0.77%，此时 相的相对重量，此时 相的相对重量:%.Q
44、%.%.QCFe659440100770696346963=，=，在在2点点,共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由由P与与 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体组成的共晶体称低温莱氏体,用用Le表示。表示。2 点以下，共晶体中点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。的变化同共析钢。S徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料共晶白口铁室温组织为共晶白口铁室温组织为Le(P+Fe3C)，它保留了共晶转变产物的形态特征。室温下两相的相对重量百分比为：，它保留了共晶转变产物的形态特征。室温下两相的相对重量百分比为：%3.64%7.35%100%7.35%1000008
45、.069.63.469.63=CFeQQ 徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料（六）亚共晶白口铁的结晶过程合金在（六）亚共晶白口铁的结晶过程合金在12点间析出。到点间析出。到2点，液相成分变到点，液相成分变到C点，并转变为点，并转变为Le。23点间从中析出点间从中析出Fe3C，一次的，一次的Fe3C被共晶衬托出来。到被共晶衬托出来。到3点，转变为点，转变为P。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料亚共晶白口铁室温组织为亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Le。室温下组织组成物相对重量百分比为：。室温下组织组成物相对重量百分比为：IIIICFeLeC
46、FeLeLeQQ%Q.ECCQECEQQ3310077069677011222=ECFD1234N室温下相的相对重量百分比?室温下相的相对重量百分比?徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料(七七)过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程12点间从液相中析出点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用这种渗碳体称一次渗碳体，用 Fe3C表示，呈粗条片状。到表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到点，余下的液相成分变到C点并转变为点并转变为Le。DFK3Fe3C124徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料2点以下，点以下，Fe3C成分重量不再发生变化，成分重量不再发生变化，Le
47、变化同共晶合金，其室温组织为变化同共晶合金，其室温组织为Fe3C+Le。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料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+Fe3C和和+Fe3C两个相区。两个相区。+Fe3C相区中有四个组织组成物区，相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区相区中有七个组织组成物区。四、组织组成物在铁碳合金相图上的标注四、组织组成物在铁碳合金相图上的标注四、组织组成物在铁碳合金相图上的标注四、组织组成物在铁碳合金相图上的标注 +Fe3C +Fe3C 徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料相组成物相组成物相组成物相组成物徐州工程学院
48、工程材料徐州工程学院工程材料组织组成物组织组成物组织组成物组织组成物徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料第四节 凝固组织及其控制1、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。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。一、结晶后的晶粒大小及其控制一、结晶后的晶粒大小及其控制一、结晶后的晶粒
49、大小及其控制一、结晶后的晶粒大小及其控制徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料过冷度对过冷度对N、G的影响的影响晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。N/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、抑制长大的因素，都能细化晶粒因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒.2、决定晶粒度的因素、决定晶粒度的因素徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料3、控制
50、晶粒度的方法、控制晶粒度的方法 控制过冷度：随过冷度增加，控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。值增加，晶粒变细。变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。徐州工程学院工程材料徐州工程学院工程材料电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图(3)振动、搅拌等对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面外部输入的能量促进形核，另一方面也可使