03-第三章材料的凝固优秀课件.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 材料的凝固,纯金属的结晶,合金的结晶,铁碳合金相图,凝固组织及其控制,1,物质由液态转变为固态的过程称为,凝固,。,物质由液态转变为晶态的过程称为,结晶,。,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。,玻璃制品,水晶,2,3.1,纯金属的结晶,一,.,冷却曲线与过冷度,二,.,结晶的一般过程,三,.,同素异构转变,3,3.1.1,结晶的热力学条件,T,0,T,1,T,液体和晶体自由能随温度变化,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,T,称,过冷度,T=,T0 T1,冷却速度与过冷度大小有关，,过冷度越大，冷速越大,。,4,纯金属都有一个,理论结晶温度,T,0,(,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,T,0,以下的实际,结晶温度下才能进行。,雾凇,5,冷却曲线与过冷,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,T,1,。,曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的,.,纯金属的冷却曲线,6,1,、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,。,3.1.2,纯金属的结晶过程,7,气体、液体、晶体的结构,8,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。,9,2,、晶核的形成方式,形核有两种方式，即,均匀形核,和,非均匀形核,。,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。,均匀形核,非均匀形核示意图,10,令,11,3,、晶核的长大方式,晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大,.,均匀长大,树枝状长大,12,实际金属结晶主要以树枝状长大。,是因存在,负温度梯度，,且,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。,负温度梯度,13,树枝状长大,14,树枝状长大的实际观察,15,树枝状长大的实际观察,16,树枝状结晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,17,三、同素异构转变,构转变,。,同素异构转变属于相变之一,固态相变,。,铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称,同素异,纯铁的同素异构转变,18,-Fe,、,-Fe,为,体心立方结构,(,BCC),，,-Fe,为,面心立方结构,(,FCC),。都是铁的,同素异构体,。,-Fe,-Fe,19,2,、固态转变的特点,形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。,由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。,固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。,固态相变的晶界形核,(Sn-0.5%Cu,铸态，,255K),锡疫,20,3.2,合金的结晶,一、二元相图的建立,二、二元相图的基本类型与分析,二元匀晶相图,二元共晶相图,二元包晶相图,形成稳定化合物的二元相图,具有共析反应的二元相图,二元相图的分析步骤,相图与合金性能之间的关系,21,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,。,22,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,Fe-C,合金中的,Fe,3,C,.,Cu-Ni,合金相图,L,成分（,wt%Ni,）,温度（）,Cu,Ni,23,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的重要依据,。,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,三元相图,24,3.2.1,二元相图的建立,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,。,25,二元相图的建立步骤为：,以,Cu-Ni,合金,(,白铜,),为例,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（停歇点或转折点）。,2.,将临界点标在温度,-,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。,26,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。,27,3.2.2,二元相图的基本类型与分析,两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称,二元匀晶相图,。,以,Cu-Ni,合金为例进行分析。,1,、二元匀晶相图,28,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,固溶体区,，两条线之间为两相共存的,两相区,（,L+,）。,L,L,+,成分,（,wt%Ni,）,温度,（）,Cu,Ni,液相线,固相线,29,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。,当液态金属自高温冷却到,t,1,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,.,30,31,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。,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,.,这种从液相中结晶出单一固相的转变称为,匀晶转变,或,匀晶反应,。,32,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：,确定两平衡相的成分：,设合金成分为,x,，过,x,做成,分垂线。在成分垂线相当于温度,t,的,o,点作水平线，其与液固相线交点,a,、,b,所对应的成分,x,1,、,x,2,即分别为液相和固相的成分。,1,2,t,33,则,Q,L,+,Q,=1,Q,L,x,1,+,Q,x,2,=,x,解方程组得,式中的,x,2,-,x,、,x,2,-,x,1,、,x,-,x,1,即为相图中线段,xx,2,(,ob,),、,x,1,x,2,(,ab,),、,x,1,x,(,ao,),的长度。,确定两平衡相的相对重量,设合金的重量为,1,，,液相重量为,Q,L,，,固相重量为,Q,.,34,因此两相的相对重量百分比为：,两相的重量比为：,35,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为,杠杆定律,。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,。,例,（如图）,36,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,Cu-Ni,合金中的,Ni,）,枝晶偏析,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素,(,如,Cu-Ni,合金中的,Cu,),。,37,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,。,不仅与冷速有关，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,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,。,38,Cu-Ni,合金的,平衡组织与枝晶偏析组织,平衡组织,枝晶偏析组织,39,2,、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,Pb-Sn,相图为例进行分析,。,Pb-Sn,合金相图,成分（,wt%Sn,）,温度（）,Pb,Sn,40,相图分析,相：,相图中有,L,、,、,三种相,是溶质,Sn,在,Pb,中的固溶体,，,是溶质,Pb,在,Sn,中的固溶体,。,A,B,相区：,相图中有,:,三个单相区：,L,、,、；,三个两相区：,L+,、,L+,、,+,；,一个三相区：,即水平线,CED,。,41,固溶线,:,溶解度点的连线称,固溶线,.,相图中的,CF,、,DG,线分别为,Sn,在,Pb,中和,Pb,在,Sn,中的固溶线。,液固相线,:,液相线,AEB,固相线,ACEDB,.A,、,B,分别为,Pb,、,Sn,的熔点,.,A,B,固溶体的溶解度随温度降低而下降。,42,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,或,共晶反应,.,共晶线：,水平线,CED,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,C,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：,L,E,(,C,+,D,),A,B,43,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。,共晶体长大示意图,Sn,原子,扩散,Pb,原子,扩散,Pb-Sn,共晶组织,44,具有共晶成分的合金称,共晶合金,。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,。,凡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。,L+,C,D,A,B,45,合金的结晶过程,含,Sn,量小于,C,点合金,(,合金,),的结晶过程,在,2,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,或,初生相,.,.2,46,温度降到,3,点以下，,固溶体被,Sn,过饱和，由于晶格不稳，开始析出,（,相变过程也称,析出,）,新相,相。,由已有固相析出的新固相称,二次相,或,次生相,。,形成二次相的过程称,二次析出,是固态相变的一种,.,H,47,由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,室温下,的相对重量百分比为：,由 析出的二次,用,表示。,随温度下降，,和,相的成分分别沿,CF,线和,DG,线变化，,的重量增加。,48,合金室温组织为,+,。,成分大于,D,点合金结晶过程与,合金相似,室温组织为,+,。,A,B,C,D,E,F,G,49,共晶合金的结晶过程,液态合金冷却到,E,点时同时被,Pb,和,Sn,饱和,发生共晶反应：,L,E,(,C,+,D,),。,1,50,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,.,51,共晶组织形态,层片状,(Al-CuAl,2,定向凝固,),条棒状,(Sb-MnSb,横截面,),螺旋状（,Zn-Mg,）,Pb-Sn,共晶组织,52,共晶组织形态,针状共晶,树枝状共晶,放射状共晶,螺旋状共晶,53,在共晶转变过程中，,L,、,、,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,.,共晶转变结束时，,和,相的相对重量百分比为：,E(61.9),D(97.5),C(19.2),54,共晶结束后，随温度下降，,和,的成分分别沿,CF,线和,DG,线变化，并从共晶,中析出,，从共晶,中,析出,，由于共晶组织细,与共晶,结合，,与共晶,结合，,共晶合金的室温组织仍为,(,+,),共晶体。,室温下两相的相对重量百分比是多少？,Pb-Sn,共晶合金组织,55,亚共晶合金,(,合金,),的结晶过程,合金液体在,2,点以前为匀晶转变。冷却到,2,点，固相成分变化到,C,点，液相成分变化到,E,点,此时,两相的相对重量为：,56,在,2,点，具有,E,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,即,Q,E,=Q,L,反应结束后，在共晶温度下,、,两相的相对重量百分比为：,57,温度继续下降，将从一次,和共晶,中析出,，从共晶,中析出,。,其室温组织为,+(,+,)+,。,亚共晶合金的结晶过程,58,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,室温组织为,+(,+,)+,.,59,Pb-Sn,合金的结晶过程,60,组织组成物在相图上的标注,组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。,和,和,共晶体,(,+,),都是组织组成物。,相与相之间的差别主要在结构和成分上。,61,组织组成物之间的差别主要在形态上。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。,将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。,Pb-Sn,亚共晶组织,62,组织组成物在相图上的标注,63,3,、二元包晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作,包晶相图,。,以,Pt-Ag,相图为例简要分析,相图分析,单相区：,L,、,、,二相区：,L+,、,L+,、,+,三相区：,L,+,+,（水平线,PDC,）,64,在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称,包晶转变,或,包晶反应,。,水平线,PDC,称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：,L,C,+,P,D,。该反应是液相,L,包着固相,新相,在,L,与,的界面上形核，并向,L,和,两个方向长大。,65,合金的结晶过程,包晶成分合金：匀晶,包晶二次析出。,室温组织为,+,II,66,PD,成分,合金：匀晶,包晶二次析出。,室温组织为,+,II,+,+,II,67,DC,成分,合金：匀晶,包晶,匀晶,二次析出,室温组织为,+,II,。,68,4,、形成稳定化合物的二元相图,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,Mg,2,Si,和,Fe-C,系的,Fe,3,C),。,其成分固定，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,.,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,.,69,相的过程。,共析转变也是固态相变。,最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变,:,S,P,+Fe,3,C,。,5,、具有共析反应的二元相图,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,(,奥氏体，,铁素体，,Fe,3,C,渗碳体,),70,分清相图中包括哪些基本类型相图,确定相区,3.,分析典型合金的结晶过程,6,、二元相图的分析步骤,71,Fe-Fe,3,C,相图,确定相区,相区接触法则：,相邻两个相区的相数差为,1,单相区的确定,液相线以上为液相区,;,72,靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区,;,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；,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；,相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触,。,73,两相区的确定：,两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。,三相区的确定,:,二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。,74,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,75,作出典型合金冷却曲线示意图,二元合金冷却曲线的特征是,:,在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。,分析典型合金的结晶过程,76,由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点,:,a,.,由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐,;,b,.,由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。,发生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。,77,分析合金结晶过程,画出组织转变示意图。,计算各相、各组织组成物相对重量百分比：,a,.,在单相区,，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。,78,b,.,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,.,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,。,c,.,在三相区,，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。,合金成分,相,1,成分,相,2,成分,相,1,重量,相,2,重量,合金成分,组织,1,成分,组织,2,成分,组织,1,重量,组织,2,重量,79,7,、相图与合金性能之间的关系,相图与合金力学性能、物理性能的关系,两相机械混合物的合金,:,性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值,，如：,混,=,Q,+,Q,HB,混,=HB,Q,+HB,Q,(,Q,、,Q,为两相相对重量,),80,单相固溶体的合金：,性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，,、,HB,、,增加，塑性下降。,形成稳定化合物的合金：,性能,-,成分曲线出现拐点。,81,相图与铸造性能的关系,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,.,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。,82,第三节 铁碳合金相图,铁碳合金,碳钢,和,铸铁,，是工业应用最广的合金。,含碳量为,0.0218%2.11%,的称,钢,含碳量为,2.11%6.69%,的称,铸铁,。,83,铁和碳可形成一系列稳定化合物：,Fe,3,C,、,Fe,2,C,、,FeC,，它们都可以作为纯组元看待。,含碳量大于,Fe,3,C,成分（,6.69%,）时，合金太脆，已无实用价值。,实际所讨论的铁碳合金相图是,Fe-Fe,3,C,相图,。,Fe,Fe,3,C,Fe,2,C,FeC,C,C%(at%),84,铁碳合金相图,是研究铁碳合金最基本的,工具,，,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,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺,依据,.,85,一、铁碳合金的组元和相,碳在,-Fe,中的固溶体称,-,铁素体,，用,表示。,都是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,0.0218%,，室温下仅为,0.0008%,。,铁素体的组织为多面体晶粒，,性能与纯铁相似,。,铁素体,组元：,Fe,、,Fe,3,C,相,铁素体：,碳在,-Fe,中的固溶体称,铁素体,用,F,或,表示。,86,奥氏体,:,碳在,-Fe,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，,1148,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。,奥氏体,87,渗碳体：,即,Fe,3,C,含碳,6.69%,用,Fe,3,C,或,C,m,表示。,Fe,3,C,硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。,Fe,3,C,是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：,Fe,3,C3Fe+C,(,石墨,),该反应对铸铁有重要意义。,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,Fe,3,C,或,石墨,的形式存在,。,铸铁中的石墨,钢中的渗碳体,88,二、铁碳合金相图的分析,特征点,L,J,N,G,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L,+Fe,3,C,L+,+,6.69,89,特征线,液相线,ABCD,，,固相线,AHJECF,三条水平线：,HJB,：包晶线,L,B,+,H,J,ECF,：共晶线,L,C,E,+Fe,3,C,共晶产物是,与,Fe,3,C,的机械混合物，称作,莱氏体,用,Le,表示。,为蜂窝状,以,Fe,3,C,为基，性能硬而脆。,莱氏体,90,PSK,：共析线,S,F,P,+Fe,3,C,共析转变的产物是,与,Fe,3,C,的机械混合物,称作,珠光体,，用,P,表示。,珠光体,L+,L+,L+Fe,3,C,+,+Fe,3,C,+,F+Fe,3,C,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。,PSK,线又称,A,1,线。,A,1,91,其它相线,GS,GP,固溶体转变线,GS,又称,A,3,线,.,HN,JN,固溶体转变线，,ES,碳在,-Fe,中的固溶线。,又称,A,c m,线。,PQ,碳在,-Fe,中的固溶线。,A,cm,A,3,92,三个三相区：,即,HJB,(,L+,+,),、,ECF,(,L+,+Fe,3,C,),、,PSK,(,+,+Fe,3,C,),三条水平线,相区,五个单相区：,L,、,、,、,、,Fe,3,C,七个两相区,:,L+,、,L+,、,L+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,93,三、典型合金的平衡结晶过程,钢,(0.02182.11%C),高温组织为单相,奥氏体,亚共析钢,(,0.02180.77%C,),共析钢,(,0.77%C,),过共析钢,(,0.772.11%C,),铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：,工业纯铁,(0.0218%C),组织为单相铁素体。,工业纯铁,94,白口铸铁,(2.116.69%C),铸造性能好,硬而脆,亚共晶白口铸铁,(,2.114.3%C,),共晶白口铸铁,(,4.3%C,),过共晶白口铸铁,(,4.36.69%C,),95,工业纯铁的结晶过程,合金液体在,1-2,点间转变为,，,3-4,点间,，,5-6,点间,。到,7,点，从,中析出,Fe,3,C,。,N,S,J,B,H,L+,+,+,96,工业纯铁的结晶过程,97,随温度下降，,Fe,3,C,量不断增加,合金的室温下组织为,F+Fe,3,C,。,室温下,Fe,3,C,最大量为,:,从铁素体中析出的渗碳体称,三次渗碳体，,用,Fe,3,C,表示。,Fe,3,C,以不连续网状或片状分布于晶界。,98,共析钢的结晶过程,合金液体在,1-2,点间转变为,到,S,点发生共析转变：,S,P,+Fe,3,C,全部转变为,珠光体。,99,共析钢的结晶过程,100,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,Fe,3,C,，与共析,Fe,3,C,结合不易分辨。,室温组织为,P.,Q,珠光体,101,室温下，珠光体中,两相的相对重量百分比是多少？,Q,4,3,2,1,9,102,亚共析钢的结晶过程,0.090.53%C,亚共析钢冷却时发生包晶反应,.,以,0.45%C,的钢为例,合金在,4,点以前通过匀晶,包晶,匀晶反应全部转变为,。到,4,点，由,中析出,。到,5,点,成分沿,GS,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,Fe,3,C,，由于与共析,Fe,3,C,结合,且量少,忽略不计,.,+Fe,3,C,G,S,P,A,B,J,H,103,亚共析钢的结晶过程,104,S,共析温度下相的相对重量为：,组织组成物的相对重量为：,105,室温下相的相对重量为：,室温下组织组成物的相对重量为：,S,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,%0.77%,(,忽略,中含碳量，,P,面积,%=Q,P,),106,亚共析钢室温下的组织为,F+P,。,在,0.02180.77%C,范围内,珠光体的量随含碳量增加而增加,。,含,0.45%C,钢的组织,含,0.20%C,钢的组织,含,0.60%C,钢的组织,107,过共析钢的结晶过程,合金在,12,点转变为,到,3,点,开始析出,Fe,3,C,。,从奥氏体中析出的,Fe,3,C,称,二次渗碳体,用,Fe,3,C,表示,其,沿晶界呈网状分布,.,温度下降,Fe,3,C,量增加。到,4,点，,成分沿,ES,线变化到,S,点，余下的,转变为,P,。,在共析温度下,Fe,3,C,的相对量？,108,过共析钢的结晶过程,109,过共析钢,室温组织为,P+Fe,3,C,。,Fe,3,C,量随含碳量而增加,含碳量为,2.11%,时,Fe,3,C,量最大：,含,1.4%C,钢的组织,110,室温下两相的相对重量百分比：,室温下两组织组成物相对重量百分比,:,1,2,3,4,5,S,111,共晶白口铁的结晶过程,液相冷却到,C,点发生共晶反应全部转变为莱氏体,Le,Le,是共晶,与共晶,Fe,3,C,的机械混合物，,呈蜂窝状。,Fe,3,C,112,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为,:,C,点以下,成分沿,ES,线变化，共晶,将析出,Fe,3,C,.,Fe,3,C,与共晶,Fe,3,C,结合，不易分辨。,1,2,Fe,3,C,113,温度降到,2,点,成分达到,0.77%,此时,相的相对重量,:,在,2,点,共晶,发生共析反应，转变为珠光体，这种,由,P,与,Fe,3,C,组成的共晶体称,低温莱氏体,用,Le,表示,.,2,点以下，共晶体中珠光体的变化同共析钢。,S,114,共晶白口铁的结晶过程,115,共晶白口铁室温组织为,Le,(P+Fe,3,C),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,:,116,亚共晶白口铁的结晶过程,合金在,12,点间析出,。到,2,点，液相成分变到,C,点，并转变为,Le,。,23,点间从,中析出,Fe,3,C,一次,的,Fe,3,C,被共晶,衬托出来。到,3,点，,转变为,P,.,117,亚共晶白口铸铁的结晶过程,118,亚共晶白口铁,室温组织为,P+Fe,3,C,+Le,。,室温下组织组成物相对重量百分比为：,E,C,F,D,1,2,3,4,N,室温下相的相对重量百分比,?,119,过共晶白口铁的结晶过程,12,点间,从液相中析出,Fe,3,C,这种渗碳体,称,一次渗碳体,，,用,Fe,3,C,表示，呈粗条片状。,到,2,点，余下的液相成分变到,C,点并转变为,Le,。,D,F,K,3,Fe,3,C,1,2,4,120,2,点以下,Fe,3,C,成分重量不再变化,Le,变化同共晶合金,其室温组织为,Fe,3,C,+Le,。,121,组织组成物与相组成物标注区别主要在,+Fe,3,C,和,组织组成物在铁碳合金相图上的标注,+Fe,3,C,+Fe,3,C,+Fe,3,C,两个相区,.,+Fe,3,C,相区中,有四个组织组成物区,+Fe,3,C,相区中,有七个组织组成物区,.,122,Fe,Fe,3,C,S,Q,P,N,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A,A+,Fe,3,C,A+F,L+A,A+,L+,F,A,L,L+,Fe,3,C,F+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,+Le,Le,Le,+,Fe,3,C,Le,+,Fe,3,C,Le,P+,Fe,3,C,+Le,P+,Fe,3,C,P+F,P,F,+,Fe,3,C,C%,温度,123,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,含碳量对室温平衡组织的影响,含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：,钢,铁素体,亚共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,共析钢,白 口 铸 铁,二次渗碳体,工,业,纯,铁,珠光体,莱氏体,一次渗碳体,Fe,3,C,钢 铁,分 类,组织组,成物相,对量,%,相组成,物相对,量,%,含碳量,%,0,0.0218,0.77,2.11,4.3,6.69,100,100,0,0,三次渗碳体,124,渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色。它的显微个组织形态很多，可呈片状、粒状、网状或板状。渗碳体的大小、形态和分布对钢的性能有很大影响。,一次渗碳体,：,Fe3C,直接从液体中结晶出来，呈板条状分布。,二次渗碳体,：,Fe3C,从奥氏体中析出，并沿奥氏体晶界呈网状分布。,三次渗碳体：,Fe3C,从铁素体中析出，并沿铁素体晶界呈薄片状分布。,125,共晶渗碳体 莱氏体中的渗碳体。,共析渗碳体 珠光体中的渗碳体。,上述渗碳体并无本质区别，其含碳量、晶体结构和本身的性质均相同。,126,含碳量对力学性能的影响,亚共析钢随含碳量增加，,P,量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降,.,0.77%C,时,组织为,100%P,钢的性能即,P,的性能。,0.9%C,，,Fe,3,C,为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。,2.11%C,，组织中有以,Fe,3,C,为基的,Le,合金,太脆,.,127,含碳量对工艺性能的影响,切削性能,:,中碳钢合适,可锻性能,:,低碳钢好,焊接性能,:,低碳钢好,铸造性能,:,共晶铸铁好,热处理性能,:,第六章介绍,铸造,焊缝组织,模锻,切削加工的基本形式,车,刨,钻,铣,磨,128,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,100,倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,结晶后的晶粒大小及其控制,129,2,、决定晶粒度的因素,晶粒的大小取决于,晶核的形成速度,和,长大速度,。,过冷度对,N,、,G,的影响,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,(,G,),。,N/G,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,.,130,3,、控制晶粒度的方法,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,）。,131,Al-Si,合金组织,缓冷,快冷,未变质,变质,132,铸铁变质处理前后的组织,变质处理前,变质处理后,变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。,133,电磁搅拌细化晶粒示意图,超声振动细化晶粒示意图,振动、搅拌等：,对正在结晶的金属进行振动或搅动，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。,134,气轮机转子的宏观组织,(,纵截面,),细晶的熔模铸件,(,上,),普通铸件,(,下,),135,4,、晶粒大小对金属性能的影响,常温下,，,晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即,细晶强化,。,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,s,=,i,+Kd,-1/2,晶粒大小与金属强度的关系,136,多晶铁的拉伸变形,室温,高温,137,二、铸锭,(,件,),组织与缺陷,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型则得到铸件。,铸锭,(,件,),的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。,138,1,、铸锭,(,件,),的组织,铸锭,(,件,),的宏观组织通常由三个区组成,:,139,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。,140,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方向生长而形成柱状晶区。,141,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,T,1,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。,142,缩孔,:,缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶的冷却条件和加冒口等控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除,.,如果孔隙分散地分布与枝晶间则成为疏松,2,、铸造缺陷,铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔,、,气孔、疏松,、,偏析,、,夹渣,、,白点等，它们对性能是有害的,.,缩孔,143,偏析：,合金中各部分化学成分不均匀的现象称为,偏析,。铸锭,(,件,),在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成,宏观上的成分不均匀，称,宏观偏析,。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。,硫在钢锭中偏析的模拟结果,144,气孔,:,气孔,是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭,(,件,),中的气泡。,铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合,张开,的气孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。,铸件中的气孔,缩松,145,