金属的结晶与二元合金相图.pptx

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1、第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3铁碳合金相图第1页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图2.1 纯金属的结晶结晶的条件结晶的过程同素异构转变细化铸态金属晶粒的措施金属的铸锭2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图第2页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图2.1 纯金属的结晶结晶的条件结晶的过程同素异构转变细化铸态金属晶粒的措施金属的铸锭2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图第3页/共179页l物质由液态转变为固态的过程称为凝固。l物质由液态转变为晶态的过程称为

2、结晶。l物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。玻璃制玻璃制品品水水晶晶结晶的条件2.1 纯金属的结晶第4页/共179页冷却曲线l金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。l曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。l曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。2.1 纯金属的结晶第5页/共179页过冷与过冷度l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。l结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。雾雾凇凇2.1 纯金属的结晶第6页/共179页l液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。l理论结晶温度与实际

3、结晶温度的差 T称过冷度 T=T0T1l过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。2.1 纯金属的结晶第7页/共179页l自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。l在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。lF是液态金属结晶的动力。l T是结晶的必要条件。2.1 纯金属的结晶第8页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图2.1 纯金属的结晶结晶的条件结晶的过程同素异构转变细化铸态金属晶粒的措施金属的铸锭2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图第9页/共179页结晶的过程结晶

4、的过程结晶的基本过程l结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。l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，称为晶胚。在T0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。2.1 纯金属的结晶第10页/共179页2.1 纯金属的结晶l晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。l晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。l每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。第11页/共179页晶核的形成方式l形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。l自发形核依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。l非自发形核依附与金属液体中未溶的固态杂质表面

5、而形成晶核。2.1 纯金属的结晶第12页/共179页晶核的形成方式金属结晶过程中晶核的形成金属结晶过程中晶核的形成主要是以非自发形核方式为主主要是以非自发形核方式为主2.1 纯金属的结晶自发形核自发形核非自发形核非自发形核第13页/共179页2.1 纯金属的结晶晶核的长大方式l晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。l晶核长大方式的两种，即：平面长大和树枝状长大。第14页/共179页l平面长大l在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。2.1 纯金属的结晶正温度梯度正温度梯度平面长大视频平面长大视频第15页/共179页2.1 纯金属的结晶晶体获得表面为密排面的规则形状第16页/共179

6、页l树枝状长大2.1 纯金属的结晶树枝状长大的晶粒前沿第17页/共179页2.1 纯金属的结晶l在负温度梯度下，在晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生二次轴，树枝间最后被填充。实际金属结晶主要以树枝状长大正温度梯度正温度梯度第18页/共179页树枝状结晶树枝状结晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶2.1 纯金属的结晶第19页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图2.1 纯金属的结晶结晶的条件结晶的过程同素异构转变细化铸态金属晶粒的措施金属的铸锭2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图第20页

7、/共179页同素异构转变同素异构转变2.1 纯金属的结晶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。同素异构转变属于固态相变。铁的同素异构转变l 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394912-Fe -Fe -Fe第21页/共179页l同素异晶体：以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体。l-Fe、-Fe、-Fe都是纯铁的同素异晶体。l金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。l金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。2.1 纯金属的结晶-Fe-Fe第22页/共179页同素异构转变的特点l同素异构转变时也有过冷现象，放出潜热，有固定的转变温度。l新同

8、素异构晶体也有形核和长大两个过程。l导致金属体积发生变化，产生较大内应力。例如-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀约1。可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。l适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。固态相变的晶界形核固态相变的晶界形核2.1 纯金属的结晶第23页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图2.1 纯金属的结晶结晶的条件结晶的过程同素异构转变细化铸态金属晶粒的措施金属的铸锭2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图第24页/共179页晶粒度l表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。l可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产

9、上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。l标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。2.1 纯金属的结晶细化铸态金属晶粒的措施晶粒度晶粒度12345678单位面积单位面积晶粒数晶粒数（个（个mm2)16326412825651210242048晶粒平均晶粒平均直径直径(mm)0.250 0.177 0.125 0.088 0.062 0.0440.0310.022第25页/共179页八级标准晶粒度通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级2.1 纯金属的结晶第26页/共179页决定晶粒度的因素l晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。l单位时间

10、内晶核生长的长度叫长大速度(G)。lN/G比值越大，晶粒越细小。凡是促进形核、抑制长大凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。的因素，都能细化晶粒。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响2.1 纯金属的结晶第27页/共179页细化铸态金属晶粒度的方法l增加过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。关键是提高液态金属的冷却速度。l采用冷却能力较强的模子。l采用金属型铸模,比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。l超高速急冷技术（106/）可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。2.1 纯金属的结晶第

11、28页/共179页Al-Si合金组织合金组织缓冷快冷2.1 纯金属的结晶第29页/共179页l变质处理（又称孕育处理）l向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。l所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。2.1 纯金属的结晶 变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。例如：l铝合金液体中加入钛、锆；l钢水中加入钛、钒、铝；l铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金；都可使晶粒细化。第30页/共179页未变质变质2.1 纯金属的结晶Al-Si合金组织第31页/共179页l铸铁变质处理前铸铁变质处理前后的组织后的组织变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后变质处理使组织细化。变质变质处理使组

12、织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。剂为硅铁或硅钙合金。2.1 纯金属的结晶第32页/共179页电磁搅拌细化晶粒示意图l振动和电磁搅拌：对正在结晶的金属进行机械或超声波振动或电磁搅拌，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。超声振动细化晶粒示意图2.1 纯金属的结晶第33页/共179页气轮机转子的宏观组织气轮机转子的宏观组织(纵截面纵截面)细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)2.1 纯金属的结晶第34页/共179页晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响l常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑

13、性、韧性也越好,即细晶强化。l高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。单晶叶片单晶叶片s=i+Kd-1/2晶晶粒粒大大小小与与金金属属强强度度的的关关系系2.1 纯金属的结晶第35页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图2.1 纯金属的结晶结晶的条件结晶的过程同素异构转变细化铸态金属晶粒的措施金属的铸锭2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图第36页/共179页l在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成形则得到铸件。l铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加

14、工和使用性能有着直接的影响。金属的铸锭2.1 纯金属的结晶第37页/共179页2.1 纯金属的结晶第38页/共179页l铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:a）表层细等轴晶区b）柱状晶区c）粗等轴晶区 2.1 纯金属的结晶(a)表层细晶区；(b)柱状晶区(c)等轴晶区铸锭(件)的组织第39页/共179页a)表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。2.1 纯金属的结晶第40页/共179页2.1 纯金属的结晶b)柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的

15、方向生长而形成柱状晶区。第41页/共179页2.1 纯金属的结晶c)中心粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。第42页/共179页2.1 纯金属的结晶（1）定向结晶l采用定向结晶可获得柱状晶结构。l生产具有细长柱状晶的铝镍钴永磁合金。铸造新技术第43页/共179页（2）单晶的制取2.1 纯金属的结晶l单晶是电子元件和激光元件的重要原料。l金属单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。l根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另

16、外形核。l单晶制备方法l尖端形核法 l垂直提拉法 第44页/共179页单晶的制取2.1 纯金属的结晶l单晶是电子元件和激光元件的重要原料。l金属单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。l根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。l单晶制备方法l尖端形核法 l垂直提拉法 第45页/共179页2.1 纯金属的结晶l将原料放入一个尖底的园柱形坩埚中加热熔化。l然后让坩埚缓慢地向冷却区下降,底部尖端的液体首先达到过冷状态，开始形核。l恰当控制各种因素，就可能形成一个晶核。l随着坩埚的继续缓慢下降，晶体不断长大而获得单晶。尖端形核法第46页/共179页2.1

17、 纯金属的结晶l先将坩埚中原料加热熔化，并使其温度保持在稍高于材料的熔点之上。l将籽晶夹在籽晶杆上。然后让籽晶与熔体接触。l将籽晶一面转动一面缓慢地拉出，即长成一个单晶。l这种方法广泛地用于制取电子工业中应用的单晶硅。垂直提拉法 第47页/共179页2.1 纯金属的结晶单晶硅的制备（垂直提拉法）第48页/共179页2.1 纯金属的结晶本节小结l 金属结晶条件：要有一定的过冷度。l金属结晶推动力：固态金属和液态金属之间的自由能差。l金属结晶过程：形核、长大。l细化铸态金属晶粒措施：增大过冷度，变质处理，振动和电磁搅拌。第49页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图

18、2.1 纯金属的结晶2.2 合金的结晶二元合金相图二元合金相图类型与结晶分析合金性能与相图的关系2.3 铁碳合金相图第50页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图2.1 纯金属的结晶2.2 合金的结晶二元合金相图二元合金相图类型与结晶分析合金性能与相图的关系2.3 铁碳合金相图第51页/共179页l合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。l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。2.2 合金的结晶二元合金相图l平衡在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和质量分数不再变化。l合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，可以

19、认为是平衡的结晶过程。第52页/共179页l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。l组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。l多数情况下组元是指组成合金的元素。l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Fe-C合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图合金相图L成分（wt%Ni）温度（）CuNi2.2 合金的结晶第53页/共179页铜镍二元合金相图铜镍二元合金相图l二元合金相图用温度成分坐标系的平面图来表示。l图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。l相图的表示方式l在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。2.2 合

20、金的结晶第54页/共179页l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，是制定熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。l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2.2 合金的结晶第55页/共179页l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。2.2 合金的结晶Cu-Ni相图相图第56页/共179页第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图2.1 纯金属的结晶2.2 合金的结晶二元合金相图二元合金相图类型与结晶分析合金性能与相图的关系2.3 铁碳合金相图第57页/共179页二元匀晶相图l两组元在液态和固态

21、下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。l具有匀晶反应：LlCu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有匀晶相图。Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图二元合金相图的类型与结晶分析2.2 合金的结晶第58页/共179页（1）相图的构成l相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。l单相区l液相L（Cu-Ni液溶体）l 相（Cu-Ni无限固溶体）l两相（共存）区l（L+）LL+成分（wt%Ni）温度（）CuNi液相线固相线2.2 合金的结晶第59页/共179页（2）合金的结晶过程l除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。2.2 合金的结晶第60页/共179页（3）匀晶结晶特点l形核

22、与长大与纯金属一样，固溶体结晶也包括形核、长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。2.2 合金的结晶l变温结晶固溶体结晶在一个温度区间内进行,变温结晶。第61页/共179页2.2 合金的结晶合金的结晶纯金属和合金结晶的比较纯金属和合金结晶的比较第62页/共179页（3）匀晶结晶特点l两相的成分确定在两相区内,温度一定时,两相的成分(即L相中Ni的质量分数和相中Ni的质量分数)确定。2.2 合金的结晶过温度T1作水平线,交液相线和固相线于a1、c1。a1、c1点在成分轴上的投影点即为L相和相中Ni的质量分数。随着温度的下降,液相成分沿液相线变化,固相成分沿固相线变化。匀晶结晶匀晶结晶第63页/共1

23、79页（3）匀晶结晶特点l两相的质量比一定在两相区，温度一定时，两相的质量符合杠杆定律。在T1温度时：液相的质量分数:相的质量分数:2.2 合金的结晶第64页/共179页提 示 l杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，支点为合金的成分点。l杠杆定律只适用于相图中的两相区。l杠杆定律只能在平衡状态下使用。2.2 合金的结晶第65页/共179页例（如图）在Cu-Ni合金中，T=13002.2 合金的结晶第66页/共179页l容易产生枝晶偏析固溶体结晶时成分变化。慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。2.2 合金的结晶第67页/共179页枝晶偏析：在一个晶

24、粒内化学成分分布不均匀。消除办法：扩散退火将合金加热到固相线以下100-200长时间保温，使原子充分扩散、可获得成分均匀的固溶体。2.2 合金的结晶影响因素：（1）冷却速度；（2）液固相线的间距。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。第68页/共179页Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织合金的平衡组织与枝晶偏析组织2.2 合金的结晶平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织第69页/共179页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。Pb-Sn合金相图成分（wt%Sn）

25、温度（）PbSn二元共晶相图2.2 合金的结晶第70页/共179页(1)相图的构成（点、线、区）l共晶点和共晶反应d点为共晶点：表示d点成分(共晶成分)的液相合金冷却到d点温度(共晶温度)时,共同结晶出c点成分的相和e点成分的相。即：L Ld d(c c+e e)2.2 合金的结晶共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相混合物叫共晶体。发生共晶反应时三相共存,三相各自成分确定,恒温进行。Pb-Sn合金相图合金相图 第71页/共179页(1)相图的构成（点、线、区）l重要的线水平线cde：共晶反应线，成分在ce之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。2.2 合金的结晶Pb-S

26、n合金相图合金相图 共晶合金成分为d点的合金。亚共晶合金成分为c-d的合金。过共晶合金成分为d-e的合金。第72页/共179页(1)相图的构成（点、线、区）l重要的线固溶度曲线cf和eg：cf为Sn在Pb中的溶解度线(相的固溶线)。Pb在Sn中溶解度线(相的固溶线)。2.2 合金的结晶Pb-Sn合金相图合金相图 Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时，从相中析出相，叫二次：II。Sn含量小g点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次。液相线和固相线：adb为液相线，ac和be为固相线。第73页/共179页(1)相图的构成（点、线、区）l合金相三种合金相L、：是溶质Sn在Pb中的固溶体，是

27、溶质Pb在Sn中的固溶体。l相区三个单相区：L、三个两相区：L+、L+、+一个三相区：水平线cde2.2 合金的结晶Pb-Sn合金相图合金相图 第74页/共179页(2)典型合金的平衡结晶过程l合金I的平衡结晶过程2.2 合金的结晶第75页/共179页p合金I的室温组织组织由和II二部分组成和II为组织组成物记为：+II2.2 合金的结晶组织组成物组织组成物 合金组织中那些合金组织中那些具有确定本质，具有确定本质，一定形成机制一定形成机制的特殊形态的组成部分的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是组织组成物可以是单单相相,或是或是两相混合物两相混合物。第76页/共179页p室温下的两相(和)的质

28、量分数p室温下的组织组成物(和II)的质量分数组织组成物和II都为单相组成，所以组织组成物、II的质量分数与组成相、的质量分数相等。2.2 合金的结晶第77页/共179页(2)典型合金的平衡结晶过程l合金的平衡结晶过程2.2 合金的结晶第78页/共179页p合金（共晶合金）的室温组织共晶体(+)p室温下的组织组成物共晶体(+)p室温下的组成相相和相2.2 合金的结晶第79页/共179页p合金（共晶合金）的室温组织共晶体(+)p室温下的组织组成物共晶体(+)p室温下的组成相相和相2.2 合金的结晶共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态 第80页/共179页2.2 合金的结晶共晶组织形态第81页/共

29、179页层片状(Al-CuAl2定向凝固)条棒状(Sb-MnSb横截面)螺旋状（Zn-Mg）2.2 合金的结晶其他合金的其他合金的共晶组织形态共晶组织形态第82页/共179页(2)典型合金的平衡结晶过程l合金（亚共晶合金）的平衡结晶过程2.2 合金的结晶第83页/共179页p合金（亚共晶合金）的室温组织合金室温组织：初生+二次+(+)p共析温度下的组织组成物、(+)p室温下的组织组成物、二次、(+)p室温下的组成相相、相2.2 合金的结晶第84页/共179页p室温下组成相的质量分数p共晶温度下组织组成物的质量分数2.2 合金的结晶第85页/共179页(2)典型合金的平衡结晶过程l合金（过共晶合

30、金）的平衡结晶过程p室温组织初生+二次+(+)2.2 合金的结晶 练习分析过共晶合金的结晶过程 第86页/共179页亚共晶合金组织亚共晶合金组织过共晶合金组织过共晶合金组织亚共晶合金和过共晶合金组织亚共晶合金和过共晶合金组织初生+二次+(+)初生+二次+(+)2.2 合金的结晶第87页/共179页(3)组织组成物在相图上的标注l相与组织组成物的联系相是组织组成物的基础。任何组织组成物都是由一相或多相组成的。l相与组织组成物的区别组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。它可以是单相（如：和,和），也可以是多项混合物（如：共晶体(+)）相与相之间的差别主要在结构和成分上。组织组成物之间的差别主要

31、在形态上。如、和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。2.2 合金的结晶第88页/共179页组织组成物在相图上的标注+第89页/共179页当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相图以Pt-Ag相图为例简要分析二元包晶相图2.2 合金的结晶Pt-Ag合金相图合金相图第90页/共179页(1)相图的构成le点为包晶点e点成分的合金冷却到e点温度（包晶温度）发生包晶反应：L+lcf为Ag在中的溶解度线，eg为Pt在中的溶解度线。二元包晶相图2.2 合金的结晶Pt-Ag合金

32、相图合金相图第91页/共179页l在22点（1186），c点成分的相与d点成分的L相发生包晶反应：L+反应结束，L相与相正好全部反应耗尽,形成e点成分的固溶体。l在23点，中析出二次。二元包晶相图2.2 合金的结晶室温组织：室温组织：+二次二次组成相：组成相：、第92页/共179页l稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。l稳定化合物成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其成分,顶点是其熔点,结晶过程同纯金属。l分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析。形成稳定化合物的相图2.2 合金的结晶M

33、g2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+Mg第93页/共179页l共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。共析转变也是固态相变。具有共析反应的二元相图2.2 合金的结晶第94页/共179页ld点成分(共析成分)的合金从液相经过匀晶反应生成相后,继续冷却到d点温度(共析温度)时,在此恒温下发生共析反应:(+)l和两相混合物称为共析体，但因共析反应是在固态下进行的,所以共析产物比共晶产物要细密得多。l例如Fe-C合金中的共析产物珠光体2.2 合金的结晶第95页/共179页2.2 合金的结晶珠光体

34、珠光体第96页/共179页l共析相图中各种成分合金的结晶过程的分析与共晶相图相似。l对应的有：l共析线(cde线)l共析点(d点)l共析温度l共析成分l共析合金（共析成分合金）l亚共析合金（共析线上共析点以左的合金）l过共析合金（共析线上共析点以右的合金）2.2 合金的结晶第97页/共179页二元相图的分析步骤（自学内容）2.2 合金的结晶Fe-Fe3C相图相图包晶反应包晶反应共晶反应共晶反应共析反应共析反应实际二元相图常比较复杂，可按下列步骤进行分析：a)分清相图中包括哪些基本类型相图b)确定相区相区接触法则相区接触法则相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为1第98页/共179页2.2

35、 合金的结晶Cu-Zn相图相图+单相区的确定l液相线以上为液相区l靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区l液相线以上为液相区相图中的垂线可能是稳定化合物(单相区)，也可能是相区分界线l相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区l 相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。第99页/共179页2.2 合金的结晶Cu-Zn相图相图+双相区的确定l两个单相区之间夹有一个两相区l两相区的相由两相邻单相区的相组成。第100页/共179页2.2 合金的结晶三相区的确定l二元相图中的水平线是三相区l三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。Fe-Fe3C相图相图第101页/共179页

36、恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。+共析反应恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。L+包晶反应恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。L +共晶反应说明反应式图形特征反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应2.2 合金的结晶第102页/共179页2.2 合金的结晶实际二元相图常比较复杂，可按下列步骤进行分析：a)分清相图中包括哪些基本类型相图b)确定相区c)分析典型合金的结晶过程u作出典型合金冷却曲线示意图第103页/共179页2.2 合金的结晶冷却曲线的特征 l在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。l由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现

37、拐点。l发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。第104页/共179页2.2 合金的结晶u作出典型合金冷却曲线示意图u画出组织转变示意图u计算各相、各组织组成物相对重量百分比用杠杆定律计算两相相对量第105页/共179页2.2 合金的结晶合金合金成分成分相相1成分成分相相2成分成分相相1重量重量相相2重量重量合金合金成分成分组织组织1成分成分组织组织2成分成分组织组织1重量重量组织组织2重量重量用杠杆定律计算两相相对量l在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化,各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出.l合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。l在三相区，三个相成分固定，

38、重量不断变化，杠杆定律不适用。第106页/共179页2.1 纯金属的结晶2.2 合金的结晶二元合金相图二元合金相图类型与结晶分析合金性能与相图的关系2.3 铁碳合金相图第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图第107页/共179页合金的使用性能（力学性能、物理性能）与相图的关系 l两相机械混合物的合金l性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值W、W为两相相对重量相图与合金性能之间的关系2.2 合金的结晶第108页/共179页l两相机械混合物的合金l单相固溶体的合金l性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，、HB、增加，塑性下降。相图与合金性能之间的关系2.2 合金的结晶

39、第109页/共179页相图与合金性能之间的关系2.2 合金的结晶B%AnBml两相机械混合物的合金l单相固溶体的合金l形成稳定化合物的合金l性能-成分曲线出现拐点第110页/共179页相图与合金性能之间的关系2.2 合金的结晶合金的工艺性能与相图的关系 l合金的铸造性能l固溶体合金液固相线间距大、偏析倾向大,树枝晶发达,流动性降低,补缩能力下降,分散缩孔增加。l共晶合金结晶温度低,流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好。第111页/共179页2.1 纯金属的结晶本节小结合金相图l 匀晶相图、共晶相图、包晶相图l 共析相图、含有稳定化合物的相图二元合金二相区结晶规律l变温结晶l 两相的成分确定l

40、温度一定时,两相的质量符合杠杆定律第112页/共179页2.1 纯金属的结晶2.2 合金的结晶2.3 铁碳合金相图铁碳相图的特征典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金的成分组织性能的关系铁碳合金相图的应用第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图第113页/共179页2.1 纯金属的结晶2.2 合金的结晶2.3 铁碳合金相图铁碳相图的特征典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金的成分组织性能的关系铁碳合金相图的应用第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图第114页/共179页什么是铁碳相图？l铁碳合金主要是指碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。l钢C=0.02182.11

41、%l铸铁C=2.116.69%2.3 铁碳合金相图铁碳相图的特征第115页/共179页l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。l含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。l实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。2.3 铁碳合金相图FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)第116页/共179页2.3 铁碳合金相图l铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具。l是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础。l是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。第117页/共179页铁碳合金的组元lFe组元组元l铁是过渡

42、族元素铁是过渡族元素,熔点或凝固点为熔点或凝固点为1538,相对密度是相对密度是7.87g/cm3。l纯铁从液态结晶为固态后纯铁从液态结晶为固态后,继续冷却到继续冷却到1394及及912时时,先后先后发生两次发生两次同素异构转变同素异构转变。l性能特点：性能特点：强度低强度低、硬度低硬度低、塑性好塑性好2.3 铁碳合金相图b0.2k HB180-230MPa100-170MPa30-50%70-80%1.6-2106J/m250-80HB第118页/共179页铁碳合金的组元2.3 铁碳合金相图lFe3C组元lFe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,通常称为渗碳体,用Cm表示。l性能特

43、点：硬而脆，塑性几乎为零bakHB30MPa000800HB第119页/共179页铁碳合金的相铁素体铁素体l铁素体l碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。l碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用表示。l二者都是体心立方间隙固溶体。l铁素体的溶碳能力很低，在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。l铁素体为多面体晶粒，性能与纯铁相似。2.3 铁碳合金相图第120页/共179页铁碳合金的相l奥氏体l碳在-Fe中的固溶体，用A或表示。l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2.11%。l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.

44、l碳钢室温组织中无奥氏体。2.3 铁碳合金相图奥氏体奥氏体第121页/共179页l渗碳体l就是Fe3C组元，含碳6.69%l是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。l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Fe3C或石墨的形式存在。l根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，铁碳合金的机械性能有很大影响。2.3 铁碳合金相图铸铁中的石墨钢中的渗碳体第122页/共179页铁碳合金相图的分析l特征点特征点2.3 铁碳合金相图 第123页/共179页lJ点（包晶点）点（包晶点）lC点（共晶点）点（共晶点）共晶反应产物称在恒温

45、下进行，共晶反应产物称在恒温下进行，反应过程中反应过程中L、A、Fe3C三相共存，三相成分一定。三相共存，三相成分一定。2.3 铁碳合金相图第124页/共179页lC点（共晶点）点（共晶点）2.3 铁碳合金相图共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的混和物，称莱氏体（Le）。其中的渗碳体称共晶渗碳体。莱氏体硬度高，脆性大。为什么莱氏体硬度高，脆性大?第125页/共179页2.3 铁碳合金相图莱氏体组织形态莱氏体组织形态块状或粒状A(727时转变成珠光体)分布在渗碳体基体上第126页/共179页lS点（共析点）点（共析点）2.3 铁碳合金相图共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物,称珠光体，以符号P表

46、示。珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。共析反应在恒温下进行,反应过程中，A、F、Fe3C三相共存，三相成分一定。第127页/共179页2.3 铁碳合金相图珠光体组织形态珠光体组织形态呈层片状，相间分布渗碳体片与铁素体片第128页/共179页珠光体性能珠光体性能强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。抗拉强度极限抗拉强度极限/b冲击韧性冲击韧性ak延伸率延伸率硬度硬度770MPa3105J/m24105J/m220%35%180HB2.3 铁碳合金相图第129页/共179页lE点点1148，2.11%C，碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大

47、溶解度lP点点727，0.0218%C，碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度lB点点1495,0.53%C，包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分lH点点1495,0.09%C，-Fe中中C的最大固溶度的最大固溶度2.3 铁碳合金相图第130页/共179页l特征线l水平线HJB:包晶反应线发生包晶反应。2.3 铁碳合金相图l水平线ECF:共晶反应线发生共晶反应。l水平线PSK:共析反应线发生共析反应。lGS线A中开始析出F临界温度线，称A3线。lES线 碳在A中的固溶线，叫Acm线。从A中析出Fe3C，叫二次渗碳体(Fe3CII)。亦是A中开始析出Fe3CII的临界温度线。lP

48、Q线 是碳在F中固溶线。是F中开始析出Fe3C的临界温度线。Fe3C数量极少,往往予以忽略。第131页/共179页l相区l五个单相区：L、Fe3Cl七个两相区：L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3Cl三个三相区：即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水平线2.3 铁碳合金相图第132页/共179页2.1 纯金属的结晶2.2 合金的结晶2.3 铁碳合金相图铁碳相图的特征典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金的成分组织性能的关系铁碳合金相图的应用第第2章章金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图第133页/共179页铁碳合金的分类按成分可分为3类l

49、工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。l钢(0.02182.11%C)，高温组织为单相奥氏体 l亚共析钢(0.02180.77%C)l共析钢(0.77%C)l过共析钢(0.772.11%C)2.3 铁碳合金相图典型 铁碳合金的平衡结晶过程工业纯铁第134页/共179页铁碳合金的分类l白口铸铁(2.116.69%C)，铸造性能好,硬而脆l亚共晶白口铸铁(2.114.3%C)l共晶白口铸铁(4.3%C)l过共晶白口铸铁(4.36.69%C)共3类7种合金2.3 铁碳合金相图典型 铁碳合金的平衡结晶过程工业纯铁第135页/共179页几种碳钢的钢号和碳质量分数几种碳钢的钢号和碳质量分数 类型类

50、型亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢钢号钢号204560T8T10T12碳质量分数碳质量分数/%0.200.450.600.801.001.202.3 铁碳合金相图第136页/共179页2.3 铁碳合金相图典典型型铁铁碳碳合合金金在在Fe-Fe3C相相图图中中的的位位置置第137页/共179页工业纯铁的结晶过程碳质量分数0.01%l1点以上液相Ll12点L+l23点l34点+Al45点Al56点A+Fl67点Fl78点F晶界析出Fe3CIII2.3 铁碳合金相图 室温平衡组织:F+Fe3CIII第138页/共179页纯铁的室温平衡组织纯铁的室温平衡组织 F+Fe3CIIIl组织组成物