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1、第三章第三章结晶结晶铁碳合金相图铁碳合金相图第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶第二节第二节 合金的结晶合金的结晶第三节第三节 铁碳合金相图铁碳合金相图第四节第四节 凝固组织及其控制凝固组织及其控制 l物质由液态转变为固物质由液态转变为固态的过程称为态的过程称为凝固凝固。l物质由液态转变为晶物质由液态转变为晶态的过程称为态的过程称为结晶结晶。l物质由一个相转变为物质由一个相转变为另一个相的过程称为另一个相的过程称为相变相变。因而结晶过程因而结晶过程是相变过程。是相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶l一一.冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度l二二.结晶的一般过
2、程结晶的一般过程l三三.同素异构转变同素异构转变l一、冷却曲线与过冷一、冷却曲线与过冷l1、冷却曲线、冷却曲线l金属结晶时温度与时间的金属结晶时温度与时间的关系曲线称关系曲线称冷却曲线。冷却曲线。曲曲线上水平阶段所对应的温线上水平阶段所对应的温度称度称实际结晶温度实际结晶温度T1。l曲线上水平阶段是由于结曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的晶时放出结晶潜热引起的.纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线l2、过冷与过冷度、过冷与过冷度l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T0(熔点熔点或或平衡结晶平衡结晶温度温度)。在该温度下。在该温度下,液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态
3、动平衡状态。l结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结晶温度下才能进行。雾雾凇凇l液态金属在理论结晶温液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象度以下开始结晶的现象称称过冷过冷。l理论结晶温度与实际结理论结晶温度与实际结晶温度的差晶温度的差 T称称过冷度过冷度 T=T0 T1l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。三、同素异构转变三、同素异构转变 构转变构转变。同素异构转变属于同素异构转变属于相变之一相变之一固态相变固态相变。l1、铁的同素异构转变、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
4、次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：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-Fe、-Fe为为体心立方结构体心立方结构(BCC)，-Fe为为面面心立心立方结构方结构(FCC)。都是铁的都是铁的同素异构体同素异构体。-Fe-Fel相图中，相图中，结晶开始点的连线叫结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了。结晶终了点的连线叫点的连线叫固相线固相线。第三节第三节 铁碳合金相铁碳合金相图图l铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广
5、的合金。l含碳量为含碳量为0.0218%2.11%的称的称钢钢l含碳量为含碳量为 2.11%6.69%的称的称铸铁铸铁。l铁和碳可形成一系列稳定化合物铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。它们都可以作为纯组元看待。l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%)铁碳合金相图铁碳合金相图是是研究铁碳合金最研究铁碳合金最基本的基本的工具工具，是是研究碳钢和铸铁研究碳钢和
6、铸铁的成分、温度、的成分、温度、组织及性能之间组织及性能之间关系的关系的理论基础理论基础,是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和热处理、冶炼和铸造等工艺铸造等工艺依据依据.一、铁碳合金的组元和相一、铁碳合金的组元和相l碳在碳在-Fe中的固溶体中的固溶体称称-铁素体铁素体，用，用 表示。表示。l都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。l铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。铁素体铁素体l 组元：组元：Fe、Fe3Cl 相
7、相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体,用用F 或或 表示。表示。l 奥氏体奥氏体:l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。l是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶粒，晶界较直。强强度低、塑性好度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体l 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C,含碳含碳6.69%,用用
8、Fe3C或或Cm表示。表示。lFe3C硬度高硬度高、强度低强度低(b 35MPa),脆性大脆性大,塑性几乎为零塑性几乎为零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钢中的渗碳体渗碳体二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析l 特征特征点点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3C
9、L+l 特征线特征线l 液相线液相线ABCD，固相线固相线AHJECFD l 三条水平线：三条水平线：lHJB：包晶线包晶线LB+H J lECF：共晶共晶线线LC E+Fe3Cl共晶产物共晶产物是是 与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱莱氏氏体体,用用Le表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状,以以Fe3C为为基，性能硬而脆基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体lPSK：共析线共析线 S FP+Fe3Cl共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称的机械混合物，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体珠光体L+L+L+Fe3C+Fe3C +F+Fe3Cl珠光体的组织特点是珠
10、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 其它相线其它相线lGS,GP 固溶体固溶体转变线转变线,GS又称又称A3 线。线。lHN,JN 固溶体转固溶体转变线，变线，lES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。又称又称Ac m线。线。lPQ碳在碳在-Fe中的固中的固溶线。溶线。l 三个三相区：三个三相区：即即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)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、+、
11、+Fe3C 三、典型合金的平衡结晶过程三、典型合金的平衡结晶过程l 钢钢(0.02182.11%C)高高温组织为单相温组织为单相 l 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)l 共析钢共析钢(0.77%C)l 过共析钢过共析钢 (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。亚亚共共析析钢钢共共析析钢钢过过共共析析钢钢共共晶晶白白口口铁铁过过共共晶晶白白口口铁铁亚亚共共晶晶白白口口铁铁工工业业纯纯铁铁l 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C)铸造性能好铸造性能
12、好,硬而脆硬而脆l 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)l 共共晶晶白白口口铸铸铁铁(4.3%C)l 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)l工工业业纯纯铁铁的的结晶过程结晶过程 l合合金金液液体体在在1-2点点间间转转变变为为，3-4点点 间间 ，5-6点点 间间 。到到7点点，从从 中中析出析出Fe3C。NSJBH L+l工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 随温度下降随温度下降，Fe3C量不断量不断增加，增加，合金的合金的室温下组织室温下组织为为F+Fe3C。l室室温温下下Fe3C最大量为最大量为: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
13、，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。l 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析转转变：变：S P+Fe3C,全全部部转转变变为为珠光体。珠光体。l共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程l珠光体珠光体在光在光镜下呈指纹状镜下呈指纹状.l变结束时，珠光体中相的变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析共析渗碳体渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析与共析Fe3C结合不结合不易分辨。
14、易分辨。室温组织为室温组织为P.珠光体珠光体Ql室温下，珠光体中室温下，珠光体中两两相的相对重量百分比相的相对重量百分比是多少？是多少？Q43219亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程l亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P。l在在0.02180.77%C 范围范围内内珠光体的量随含碳量珠光体的量随含碳量增加而增加增加而增加。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l 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 l合金在合金在12点转变点转变为为 ,到到3点点,开始析出开始析出Fe3C。从奥氏从奥氏体中析出体中析出的的Fe3C称称二次渗碳体二次渗碳体,用用Fe3C表示表示,其其沿晶沿晶界呈网状分布界呈网状分布.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 转变为转变为P。在共析温度下在共析温度下FeFe3 3C C的相对量？的相对量？过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程l过共析钢过共析钢室温组织室温组织为为P+Fe3C。lFe3C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：含含1.4%C钢的组织钢的组织