辽宁工业大学工程材料材料的凝固.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,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,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,*,辽宁工业大学工程材料材料的凝固,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。,凝固,结晶,非晶体,晶体,液体,水,结晶,=,相变,冰,第一节 纯金属的结晶,一.结晶的条件,二.纯金属结晶过程,三.晶粒大小及控制,四.同素异构转变,一、结晶的条件,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,2、过冷与过冷度,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。,纯金属的冷却曲线,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=,T,0,T,1,过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,二、纯金属的结晶过程,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，称为晶胚。在T,0,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。,T,0,T,1,T,液体和晶体自由能随温度变化,晶胚半径与G关系,气体、液体、晶体的结构,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。,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,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,在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。,正温度梯度,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,树枝状长大的实际观察,树枝状长大的实际观察,(,定向凝固,),金属的树枝状结晶,三、结晶晶粒大小及控制,晶粒的大小称为晶粒度。用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均直径表示。,控制晶粒大小的方法：,1 控制过冷度：影响形核率和长大速度,2 变质处理,变质处理又称孕育处理，是一种有意向液态金属中,加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。,3 振动、搅拌,四、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。,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,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：,白锡,四方,灰锡,金刚石立方,13,-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,-Fe,-Fe,912,FCC,BCC,第二节 合金的结晶,一、二元合金相图的建立,二、二元合金相图的基本类型与分析,1、匀晶相图,2、共晶相图,3、包晶相图,4、共析相图,5、相图与合金性能的关系,Fe-Cr合金相图,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。,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,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,一、二元合金相图的建立,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。,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。,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。,二、二元合金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。,Cu-Ni,合金相图,1、匀晶相图,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,A,B,相图的分析,(2),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.,L,L+,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。,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。,成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t,3,时,最后一滴,L,3,成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分,3,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。,L,L+,(3),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,L,L,O,b,a,x,x,1,x,2,A,B,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,因此两相的相对重量百分比为：,两相的重量比为：,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。,例题,（如图）,1,L,2,45%Ni,58%Ni,53%Ni,L,1,2,1300,T,0,100%Cu,100%,Ni,(4),枝晶偏析,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）,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).,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.,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,2、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,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,。,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,和,固溶体的溶解度随温度降低而下降。,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,183,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,L+,C,D,A,B,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,典型合金的结晶过程,含Sn量小于C点合金(合金)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或初生相.,.2,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,由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,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。,室温下,的相对重量百分比为：,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,共晶合金(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,)。,wt%Sn,温度,1,19.2,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.,Sn原子,扩散,Pb原子,扩散,Pb-Sn共晶体长大示意图,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,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,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),合金在 4 点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为。,Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织,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。,曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.,形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种.,共晶线：水平线CED叫做共晶线。,69%）时，合金太脆，已无实用价值。,度与浇注速度、熔化温度。,合金在 4 点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为。,PQ碳在-Fe中的固溶线。,由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,热处理性能:第六章介绍,组织组成物在相图上的标注,5、相图与合金性能之间的关系,(Q、Q为两相相对重量),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。,0218%C)组织为单相铁素体。,晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。,与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而,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,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：,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：,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,+(,+,)+,。,如何求室温下三种组织组成物的相对重量？,亚共晶合金的结晶过程,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,+(,+,)+,.,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。,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,组织组成物在相图上的标注,3、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,L+,L+,L,+,相图分析,单相区：,L,、,、,二相区：,L+,、L+,、,+,三相区：,L,+,+,（水平线,PDC,）,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。,L+,L+,L,+,典型合金的结晶过程,包晶成分合金：匀晶,包晶二次析出。,室温组织为,+,II,PD成分,合金：匀晶,包晶二次析出。,室温组织为,+,II,+,+,II,时间,温度,DC成分,合金：匀晶,包晶,匀晶,二次析出,室温组织为,+,II,。,时间,温度,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。,(,奥氏体，,铁素体，,Fe,3,C渗碳体,),4、共析相图,共析反应(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新固相的过程.共析转变也是固态相变。,S,P,共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、,共析合金（共析成分合金）、亚共析合金（共析线上共析点以左的合金）、过共析合金（共析线上共析点以右的合金）。,铁碳合金相图,共析反应的产物是共析体(铁碳合金中的共析体称珠光体)，也是两相的机械混合物(铁素体+渗碳体).,与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而,不是液相。,另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。,珠光体,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,5、相图与合金性能之间的关系,合金的使用性能与相图,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),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。,A,n,B,m,T,b,HB,B%,形成稳定化合物的合金：性能-成分曲线上出现拐点。,合金的工艺性能与相图的关系,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。,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。,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%),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.,一、铁碳合金的基本相,碳在,-Fe中的固溶体称铁素体,用F 或,表示。,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。,纯铁及铁基固溶体,铁素体：,铁素体,BCC的八面体和四面体间隙,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,FCC的八面体间隙,以 Pb-Sn 相图为例进行分析。,碳钢室温组织中无奥氏体。,合金液体在1-2点间转变为，3-4点间，5-6点间。,77%(忽略 中含碳量，P面积%=QP),用 A 或 表示。,合金液体在2点以前为匀晶转变。,PQ碳在-Fe中的固溶线。,成分大于 D点合金结晶过程与合金相似,室温组织为+。,变质处理又称孕育处理，是一种有意向液态金属中,合金在 4 点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为。,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。,69%,用Fe3C或Cm表示。,碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F 或 表示。,Pb-Sn共晶体长大示意图,铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。,2.,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,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+,+,特征线,液相线ABCD，,固相线AHJECFD,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,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。,L+,L+,L+Fe,3,C,+,+Fe,3,C,+,F+Fe,3,C,珠光体(光镜),扫描电镜形貌,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。,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,三、典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织,钢(0.02182.11%C),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,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),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+,+,+,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。,工业纯铁的结晶过程,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。,珠光体在光镜下呈指纹状.,转变结束时，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,共析钢的结晶过程,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,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,亚共析钢的结晶过程,S,共析温度下相的相对重量为：,组织组成物的相对重量为：,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,),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,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？,过共析钢的结晶过程,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,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,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,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,2,P,Fe,3,C,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,共晶白口铁的结晶过程,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:,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.,亚共晶白口铁的结晶过程,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?,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,1,2,4,2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。,四 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,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.,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,第四节 铸锭的组织及其控制,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。,铸锭纵剖面宏观组织,一、铸锭的组织,铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:,1、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、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。,3、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.,二、铸锭组织的控制,1 柱状晶：组织致密，性能具有方向性。,获得的方法：改变铸锭模的冷却能力、浇注温,度与浇注速度、熔化温度。,2 等轴晶：不存在脆弱界面，裂纹不易扩展，性,能没有方向性。,获得的方法：降低浇注温度与浇注速度、减少液,体的过热度、提高过冷度（小型铸件）、变质处,理（大型铸件）。,1、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.,三,、铸锭的缺陷,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,2、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,3、,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,