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1、现代工程材料现代工程材料共析反应de由一种固相转变成完全不同的 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望现代工程材料现代工程材料现代工程材料现代工程材料5.5.含有稳定化合物的合金的结晶含有稳定化合物的合金的结晶处理方法：把稳定化合物看成独立组元，将相图分处理方法：把稳定化合物看成独立组元，将相图分割成几个简单相图。割成几个简单相图。现代工程材料现代工程材料形成不稳定化合物的相图形成不稳定化合物的相图现代工程材料现代工程材料现代工程材料现代工程材料现代工程材
2、料现代工程材料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1.1.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:固固溶溶体体的的性性能能与与溶溶质质元元素素的的溶溶入入量量有有关关,溶溶质质的的溶溶入入量量越越多多,晶晶格格畸畸变变越越大大,则则合合金金的的强强度度、硬硬度度越越高高,电电阻阻越越大大。当当溶溶质质原原子子含含量量大大约约为为50%时时,晶晶格格畸畸变变最最大大,而而上上述述性性能能达达到到极极大大值值,所所以以性性能能与与成成分分的关系曲线具有透镜状。的关系曲线具有透镜状。合金的性能取决于合金的化学成分和组织合金的性能取决于合金的化学成分和组织,合金合金的化
3、学成分与组织间的关系体现在合金相图上的化学成分与组织间的关系体现在合金相图上,故合故合金相图与合金的性能之间必然存在着一定的联系金相图与合金的性能之间必然存在着一定的联系现代工程材料现代工程材料具有匀晶相图、共晶相图的合金的力学性能和具有匀晶相图、共晶相图的合金的力学性能和物理性能随成分而变化的一般规律见下图。物理性能随成分而变化的一般规律见下图。现代工程材料现代工程材料两相组织合金的力学性能和物理性能与成分呈两相组织合金的力学性能和物理性能与成分呈直线关系变化直线关系变化,两相单独的性能已知后两相单独的性能已知后,合金的某合金的某些性能可按组成相性能依百分含量的关系叠加的办些性能可按组成相性
4、能依百分含量的关系叠加的办法求出。法求出。例如硬度：例如硬度：对组织较敏感的某些性能如强度等对组织较敏感的某些性能如强度等,与组成相与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密成物越细密,强度越高强度越高(见图中虚线见图中虚线)。当形成化合。当形成化合物时，则在性能物时，则在性能-成分曲线上于化合物成分处出现成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。极大值或极小值。现代工程材料现代工程材料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纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔
5、集中，铸造性能好。铸造性能好。n相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。n合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。n单相合金的锻造性能好。合金为单相组织时变形抗单相合金的锻造性
6、能好。合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时，因为它们都很脆。较多的化合物相时，因为它们都很脆。现代工程材料现代工程材料合金的铸造性能与相图的关系示意 现代工程材料现代工程材料2.2.3铁碳合金的结晶铁碳合金的结晶 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对应铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对应用以及热加工和热处理也有指导意义。铁与用以及热加工和热处理也有指导意义。铁与碳可以形成一系列化合物，整个相图包括碳可以形成一系列化合物，整个
7、相图包括Fe-FeFe-Fe3 3C,FeC,Fe3 3C-FeC-Fe2 2C,FeC,Fe2 2C-FeC,FeC-CC-FeC,FeC-C等，等，当当C C超过超过6.69%6.69%时合金脆性很大，无使用价值，时合金脆性很大，无使用价值，因此只研究一部分。因此只研究一部分。现代工程材料现代工程材料1.铁碳相图铁碳相图现代工程材料现代工程材料符号符号温度温度,碳质量分数碳质量分数(C)%含含义义A 15380纯铁的熔点纯铁的熔点B 14950.53包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分C 11484.30共晶点共晶点Lc AE+Fe3CD 12276.69Fe3C的熔点的熔点E
8、 11482.11碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度F 11486.69Fe3C的成分的成分G 9120-Fe-Fe同素异构转变点同素异构转变点(A3)H 14950.09碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度J 14950.17包晶点包晶点LB+HAJ K 7276.69Fe3C的成分的成分N 13940-Fe-Fe同素异构转变点同素异构转变点(A4)P 7270.0218碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S 7270.77共析点共析点(A1)ASFP+Fe3CQ 6000.0057600时碳在时碳在-Fe中的溶解度中的溶解度(室温室温)(0.0008)Fe-Fe3C相图
9、中各点的温度、碳质量分数及含义相图中各点的温度、碳质量分数及含义现代工程材料现代工程材料（一）（一）.铁碳合金的组元铁碳合金的组元 Fe Fe 铁是过渡族元素，熔点为铁是过渡族元素，熔点为15381538，密度，密度是是7.87g/cm7.87g/cm3 3。工业纯铁的力学性能特点是强度低、硬度低、塑性好。工业纯铁的力学性能特点是强度低、硬度低、塑性好。纯铁的冷却曲线如下图：纯铁的冷却曲线如下图：现代工程材料现代工程材料 Fe Fe3 3C C FeFe3 3C C是是FeFe与与C C的一种具有复杂结构的间隙化合物，的一种具有复杂结构的间隙化合物，通常称为渗碳体，用通常称为渗碳体，用C Cm
10、 m表示。渗碳体的力学性能特点是表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。硬而脆。现代工程材料现代工程材料（二）（二）.铁碳合金中的相铁碳合金中的相液相液相L L：铁与碳的液溶体：铁与碳的液溶体相相：高高温温铁铁素素体体，碳碳在在-Fe-Fe中中的的间间隙隙固固溶溶体体，呈呈体体心心立立方方，在在1394-15381394-1538存存在在，14951495时时溶溶碳碳量最大，质量分数为量最大，质量分数为0.09%0.09%相相：相相也也称称铁铁素素体体，用用符符号号F F或或表表示示，是是碳碳在在FeFe中中的的间间隙隙固固溶溶体体，呈呈体体心心立立方方晶晶格格。铁铁素素体体中中碳碳的的固固溶溶度
11、度极极小小，室室温温时时约约为为0.0008%0.0008%，600600时时为为0.0057%0.0057%，在在727727时时碳碳溶溶量量最最大大，为为0.0218%0.0218%。铁铁素素体体的的性性能能特特点点是是强强度度低低、硬硬度度低低、塑性好。塑性好。现代工程材料现代工程材料 相相：奥奥氏氏体体，用用符符号号A A或或表表示示，是是碳碳在在FeFe中中的的间间隙隙固固溶溶体体，呈呈面面心心立立方方晶晶格格。奥奥氏氏体体中中碳碳的的固固溶溶度度极极大大，在在11481148时时碳碳溶溶量量最最大大达达2.11%2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。奥氏体的强度较低
12、，硬度不高，易于塑性变形。FeFe3 3C C相相：FeFe3 3C C相相是是一一个个化化合合物物相相，渗渗碳碳体体根根据据生生成成条条件件不不同同有有条条状状、网网状状、片片状状、粒粒状状等等形形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。（二）（二）.铁碳合金中的相铁碳合金中的相现代工程材料现代工程材料（三）（三）.相图分析相图分析重要的点和线重要的点和线J J：包晶点：包晶点:L:L B B+H H=(1495=(1495度度)A)A J JC C：共晶点：共晶点：L c=(1148L c=(1148度度)A e+Fe)A e+Fe 3 3 C C，含，含
13、碳量为碳量为4.34.3。共晶反应的产物是奥氏体与渗碳共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物体的共晶混和物,称莱氏体称莱氏体,以符号以符号Le表示。表示。莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状的形态是：块状或粒状A(室温时转变成珠光体室温时转变成珠光体)分布分布在渗碳体基体上。在渗碳体基体上。现代工程材料现代工程材料lS：共析点：共析点：As=Fp+Fe3C，含碳量，含碳量0.77。l温度温度727度。共析反应的产物是铁素体与渗碳体度。共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物的共析混合物,称珠光体称珠光体,以符号以
14、符号P表示。表示。l珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠光体的形态呈层片状。在放大倍数很高时光体的形态呈层片状。在放大倍数很高时,可清楚可清楚看到相间分布的渗碳体片看到相间分布的渗碳体片(窄条窄条)与铁素体片与铁素体片(宽条宽条)。l珠光体的强度较高珠光体的强度较高,塑性、韧性和硬度介于渗碳塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。体和铁素体之间。llABCD液相线液相线AHJECF固相线固相线现代工程材料现代工程材料 HJB HJB水平线：包晶反应线。包晶水平线：包晶反应线。包晶反应仅可能在含碳量反应仅可能在含碳量0.09-0.53%0.09-0
15、.53%的铁碳合的铁碳合金中，其结果生成奥氏体；金中，其结果生成奥氏体；现代工程材料现代工程材料 ECF ECF水平线：共晶反应线，共晶反应水平线：共晶反应线，共晶反应可在含碳量可在含碳量2.11-6.69%2.11-6.69%的铁碳合金中。其结果形的铁碳合金中。其结果形成奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体成奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体(L(L d)d)。CEFCEF线为共晶线，温度线为共晶线，温度11481148度。度。现代工程材料现代工程材料 PSK PSK线线:共析反应线共析反应线:所有含碳量超过所有含碳量超过0.0218%0.0218%的铁碳合金均能发生共析反应。其结果形
16、成铁素体和的铁碳合金均能发生共析反应。其结果形成铁素体和渗碳体的共析混合物，称为珠光体渗碳体的共析混合物，称为珠光体(P)(P)。PSKPSK线为共析线为共析线，温度线，温度727727度，常用度，常用A A1 1表示。表示。现代工程材料现代工程材料（三）相图中的重要点和线（三）相图中的重要点和线 GSGS：表表示示不不同同含含碳碳量量的的合合金金，由由奥奥氏氏体体中中开开始始析析出出铁铁素素体体(冷冷却却时时)或或铁铁素素体体全全部部溶溶入入奥奥氏氏体体（加加热热时时）的的转转变变线线，常常用用A A3 3表示。表示。ESES：碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的固固溶溶线线。常常用用AcmAcm表
17、表示示。随随温温度度变变化化，奥奥氏氏体体的的溶溶碳碳量量将将沿沿ESES线线变变化化。因因此此，含含碳碳量量大大于于0.77%0.77%的的铁铁碳碳合合金金，自自11481148度度冷冷至至727727度度的的过过程程中中，必必将将从从奥奥氏氏体体中中析析出出渗渗碳碳体体，称称为为二二次渗碳体次渗碳体(Fe(Fe3 3C C)。现代工程材料现代工程材料（1111）PQPQ：是是碳碳在在铁铁素素体体中中的的固固溶溶线线。铁铁碳碳合合金金由由727727度度冷冷却却至至室室温温时时，将将从从铁铁素素体体中中析析出出渗渗碳碳体体。这这种种渗渗碳碳体体称称为为三三次次渗渗碳碳体体(Fe(Fe3 3C
18、 C)。因因为为渗渗碳碳体体是是一一种种亚亚稳稳定定的的相相，同同时时在在 测测 定定 的的 时时 候候 有有 两两 种种 温温 度度（12271227和和16001600），故），故CDCD先采用虚线表示先采用虚线表示。现代工程材料现代工程材料2.典型铁碳合金的平衡结晶过程典型铁碳合金的平衡结晶过程根据铁碳相图，铁碳合金分为三类：根据铁碳相图，铁碳合金分为三类：（1）工业纯铁：）工业纯铁：w（C）0.0218%（2）钢：）钢：0.0218%w（C）2.11%亚共析钢亚共析钢0.0218%w（C）0.77%共析钢共析钢w（C）=O.77%过共析钢过共析钢0.77%w（C）2.11%（3）白口铸
19、铁：）白口铸铁：2.11%w（C）6.69%亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁2.11%w（C）4.3%共晶白口铸铁共晶白口铸铁w（C）=4.3%过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁4.3%w（C）6.69%现代工程材料现代工程材料现代工程材料现代工程材料L1以上工业纯铁结晶过程示意图工业纯铁结晶过程示意图LFe3C1223344556677以下(1)工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程wC=0.01%现代工程材料现代工程材料(2)(2)、共析钢、共析钢(0.77%)(0.77%)的结晶过程分析的结晶过程分析 共析钢的室温组织组成物全部是共析钢的室温组织组成物全部是P P，而组成相为，而组成相为F F和和F
20、eFe3 3C C。合。合金在温度金在温度1-21-2之间按均晶转变相成奥氏体。奥氏体冷至之间按均晶转变相成奥氏体。奥氏体冷至727727度度(3(3点点)时时,将发生共析转变将发生共析转变,即即A S P(F p+Fe A S P(F p+Fe 3 3 C)C)形成珠光体。当形成珠光体。当温度由温度由727727度继续下降时度继续下降时,铁素体沿固溶线铁素体沿固溶线 PQ PQ改变成分改变成分,析出析出FeFe3 3C C。FeFe3 3C C常与共析渗碳体连在一起常与共析渗碳体连在一起,不易分辨不易分辨,且数量极少且数量极少,可忽略不计。可忽略不计。现代工程材料现代工程材料结晶过程及组织结晶过程及组织现代工程材料现代工程材料课堂复习课堂复习l1.1.指出指出Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的组元以及相，相图中的组元以及相，GS GS，ES ES，PQ PQ 线各表示什么意思；线各表示什么意思；l2.2.说出平衡相图中的包晶、共晶以及共析说出平衡相图中的包晶、共晶以及共析反应式，说出他们的成分；反应式，说出他们的成分；HJBHJB、ECF ECF、PSKPSK水平线各发生什么反应水平线各发生什么反应l3.3.名词解释：名词解释：相，奥氏体，铁素体，相，奥氏体，铁素体，渗碳体，莱氏体，珠光体，渗碳体，莱氏体，珠光体，