上交材料科学基础-7第七章-二元相图及其合金的凝固.ppt

2024/5/12 周日周日第七章 二元系相图及其合金的凝固二元系相图及其合金的凝固2024/5/12 周日周日本章要求 二元相图的表示和测定方法，复习相图热力学的基本要点几种基本相图：匀晶相图（Cu-Ni合金相图）、共晶相图（Pb-Sn合金相图）、包晶相图（Pt-Ag合金相图）；相律，杠杆定律及其应用；二元合金相图中的几种平衡反应：共晶反应、共析反应、包晶反应、包析反应、偏晶反应、熔晶反应、合晶反应。二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。熟练掌握Fe-Fe3C相图。熟悉Fe-C合金中各相与组织的结构。会几种典型Fe-C合金的冷却过程分析熟练杠杆定律在Fe-C合金的应用。二元合金的凝固理论了解合金铸件的组织与缺陷，高分子合金进行简述。2024/5/12 周日周日相图的表示相图的表示2024/5/12 周日周日二元相图中的成分在国家标准有两种表示方法：质量分数（）和摩尔分数（x），两者换算如下：7.1 相图的表示和测定方法 式中，A，B分别为A，B组元的质量分数；ArA，ArB分别为组元A，B的相对原子质量；xA，xB分别为组元A，B的摩尔分数，并且A+B=1（或100），xA+xB=1（或100）。2024/5/12 周日周日相图测定方法相图测定方法二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。动态法热分析法膨胀法电阻法 静态法金相法X射线结构分析精确测定相图需多种方法配合使用2024/5/12 周日周日下面介绍用热分析法测量临界点来绘制二元相图的过程。测定条件：冷却需非常缓慢，保持热力学平衡。2024/5/12 周日周日热分析装置示意图热分析装置示意图 2024/5/12 周日周日二元相图的线、区二元相图的线、区由凝固开始温度连接起来的线成为液相线（liquidusline）。由凝固终了温度连接起来的线成为固相线（solidusline）。相图中由相界线划分出来的区域称为相区（phaseregions），表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元合金系中有单相区（singlephaseregion）、两相区（twophaseregion）、三相区（threephaseregion）。单相区内、f=2，T和成分都可变。双相区内、f=1，T和成分只有一个可以独立变化。若三相共存、f=0，T和成分都不变，属恒温转变。2024/5/12 周日周日由相率可知，二元系最多只能三相共存，且在相图上为水平线，如图7.2。2024/5/12 周日周日固溶体的准化学模型近似：只考虑最近邻原子间的键能两者晶体结构相同，原子半径相等，且无限互溶，混合后Vm0只考虑两种不同组元不同排列方式产生的混合熵7.2 7.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点 7.2.1 7.2.1 固溶体的自由能固溶体的自由能-成分曲线成分曲线2024/5/12 周日周日固溶体的自由能为 7.2 7.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点 7.2.1 7.2.1 固溶体的自由能固溶体的自由能-成分曲线成分曲线式中，xA和xB分别表示A，B组元的摩尔分数；A和B分别表示A，B组元在T(K)温度时的摩尔自由能；R是气体常数；为相互作用参数，其表达式为 式中，NA为阿伏加德罗常数，z为配位数,eAA,eBB和eAB为AA，BB，AB对组元的结合能。2024/5/12 周日周日按三种不同的情况，分别作出任意给定温度下的固溶体自由能成 分曲线，如图73所示。2024/5/12 周日周日 相互作用参数的不同，导致自由能成分曲线的差异，其物理意义为：当 0，由(74)式可知，AB对的能量低于AA和BB对的 平均能量，所以固溶体的A，B组元互相吸引，形成短程有序分布，在极端情况下会形成长程有序，此时Hm0。有序固溶体或超点阵 当 0，AB对的能量等于A-A和B-B对的平均能量，组元的配置是随机的，这种固溶体称为理想固溶体，此时Hm 0。当 0，AB对的能量高于A-A和B-B对的平均能量，意味着 AB对结合不稳定，A，B组元倾向于分别聚集起来，形成偏聚状态，此时Hm 0。偏聚固溶体，如Al-Cu合金的 G.P.区 2024/5/12 周日周日7.2.2 多相平衡的公切线原理自由能成分曲线上每一点切线的含义2024/5/12 周日周日7.2.2 7.2.2 多相平衡的公切线原理多相平衡的公切线原理两相平衡时的成分由两相自由能成分曲线的公切线所确定，如图7.4所示。相平衡的热力学条件：由图可知：结论：两者斜率相等，为两相公切线。2024/5/12 周日周日对于二元系在特定温度下可出现三相平衡，如7.5所示：2024/5/12 周日周日7.2.3 混合物的自由能和杠杆法则设A、B两组元形成的和两相，物质的量和摩尔吉布斯自由能分别为：n1，n2和Gm1，Gm2，和相中含B组元的摩尔分数分别为x1和x2。相(n1摩尔，Gm1)相(n2摩尔，Gm2)混合物组元B(x1)组元B(x2)2024/5/12 周日周日混合物中B组元的摩尔分数(x):上式表明：斜率相等，说明Gm必在Gm1和Gm2同一直线上（两相平衡时的公切线），而且x(平衡相成分)必在x1和x2之间，如下图所示。2024/5/12 周日周日上式表明：斜率相等，说明Gm必在Gm1和Gm2同一直线上（两相平衡时的公切线），而且x(平衡相成分)必在x1和x2之间。2024/5/12 周日周日混合物Gm最低，两平衡相共存，各相的成分是切点所对应的成分x1和x2，固定不变。那么，当合金成分x在x1,x2变化时，将引起体系内怎样的变化呢？两相相对量的变化杠杆定理导出由图7.6可知，两边除以x2-x，得：相图中两相平衡时相含量计算得基本法则杠杆法则相的相对量相的相对量2024/5/12 周日周日7.2.4 从自由能成分曲线推测相图根据公切线原理可求出体系在某一温度下平衡相的成分。图77表示由T1，T2，T3，T4及T5温度下液相(L)和固相(S)的自由能一成分曲线求得A，B两组元完全互溶的相图。2024/5/12 周日周日图78表示了由5 个不同温度下L，和相的自由能一成分曲线求得A，B两组元形成共晶系的相图。2024/5/12 周日周日图79、图710和图711分别示出包晶相图、溶混间隙相图和形成化合物相图与自由能成分曲线 的关系。2024/5/12 周日周日2024/5/12 周日周日7.2.5 7.2.5 二元相图的几何规律二元相图的几何规律 根据热力学的基本原理，可导出相图应遵循的一些几何规律，由此能帮助我们理解相图的构成，并判断所测定的相图可能出现的错误。(1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。(2)相区接触法则：两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。(3)二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应。(4)相界线走向规则：当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。2024/5/12 周日周日7.3.1 7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固-匀晶相图匀晶相图两组元无限互溶的条件：晶体结构相同 原子尺寸相近，尺寸差T2温度，可采取两种方法：每一步都非常缓慢，处于平衡状态；一下子降温到T2温度，保温足够长时间，使其扩散均匀固相成分由初始41Ni36Ni，依靠固相量的增多；液相成分由初始30Ni24Ni，依靠结晶出3641Ni的固相晶粒之间和晶粒内部的成分是均匀的2024/5/12 周日周日 固溶体非平衡凝固在工业生产中，合金溶液浇涛后的冷却速度较快，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固。图717(a)是非平衡凝固时液、固两相成分变化的示意图。2024/5/12 周日周日固溶体非平衡凝固特点固溶体非平衡凝固特点液、固相平均成分线与冷速有关，冷速越快，偏离越严重；反之，越接近平衡状态；先结晶部分总是富高熔点组元；非平衡凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。2024/5/12 周日周日固溶体通常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同，故称为枝晶偏析。图718是Cu-Ni合金的铸态组织，树枝晶形貌的显示是由于枝干和枝间的成分差异引起浸蚀后颜色的深浅不同。图719是经扩散退火后的CuNi合金的显微组织，树枝状形态已消失，由电子探针微区分析的结果也证实了枝晶偏析已消除。2024/5/12 周日周日共晶合金的平衡凝固及其组织共晶合金的平衡凝固及其组织共晶相图的概念组成共晶相图（theeutecticphasediagram）的两组元，其相互作用的特点是:液态下两组元能无限互溶，固态下只能部分互溶(形成有限固溶体或化合物)，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变（theeutecticreaction）。所谓共晶转变是在一定条件下(温度、成分)，由均匀液体中同时结晶出两种不同固相的转变，所得到两固相的混合物称为共晶组织(体)。具有共晶转变的相图称为共晶相图。属于二元共晶相图的合金有：PbSn、PbSb、AlSi、AlCu、MgSi、AlMg等。2024/5/12 周日周日共晶相图分析共晶相图分析相图中有三个基本相：液相（L）、固相和相图中的相线：液相线、固相线和共晶转变线。共晶转变线是一条水平线，是L、和三相共存的温度和各相的成分。成分为E的液相在该温度下发生共晶反应：LEM+N共晶组织（eutecticstructure）的特点是两相细小弥散混合。发生共晶转变的温度称为共晶温度（theeutectictemperature）。发生共晶转变的液相成分点E称为共晶点（theeutecticpoint）或共晶成分。相图中的相区：三个单相区：L相区、相区和相区；三个双相区L+相区、L+相区、+相区；三相共存于MEN线L+各相区中相组成物：各相区中组织组成物：2024/5/12 周日周日共晶合金的特点共晶合金的特点熔点分别低于各纯组元；比纯金属具有更好的流动性，防止枝晶的形成；恒温转变，减少铸造缺陷；其组织弥散细小混合，层状或杆状组织，性能优异的原位复合材料。2024/5/12 周日周日共晶合金的平衡凝固及其组织共晶合金的平衡凝固及其组织PbPbSnSn共晶相图共晶相图2024/5/12 周日周日共晶合金的平衡凝固共晶合金的平衡凝固根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为了四类：端部固溶体合金、亚共晶合金（hypoeutecticalloys）、过共晶合金（hypereutecticalloys）、共晶合金（eutecticalloy）。(1)端部固溶体合金(Sn)19%的合金)这类合金的冷却曲线为：结晶过程：LL+III+匀晶反应脱溶转变室温组织：+2024/5/12 周日周日图721为(Sn)10的Pb-Sn合金平衡凝固过程示意图。2024/5/12 周日周日共晶合金（共晶合金（61.9Sn）该合金的冷却曲线为：该合金发生共晶反应：LEM+N这一过程在恒温下进行，直至凝固结束。形成共晶体（+）。两个相的相对量可用杠杆法则求得：M=EN/MNN=ME/MN其组织特征如图7.22结晶过程：LL+（+）(+)共共晶反应脱溶转变室温组织：(+)共2024/5/12 周日周日共晶合金平衡凝固示意图共晶合金平衡凝固示意图2024/5/12 周日周日共晶合金的平衡结晶的显微组织共晶合金的平衡结晶的显微组织2024/5/12 周日周日亚共晶合金亚共晶合金这类合金的冷却曲线为：其组织变化示意图如图：其结晶过程：LL+L+（+）共+(+)共+(+)共匀晶反应共晶反应脱溶转变室温组织：+(+)共在共晶转变之前，从液态中先结晶出相。先结晶出的相叫先共晶相（pro-eutecticphase）。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出2024/5/12 周日周日现以(Sn)50的Pb-Sn合金为例,分析其平衡凝固过程(见图7.24)。c.c.亚共晶合金亚共晶合金2024/5/12 周日周日暗黑色树枝状晶为初生固溶体，其中的白点为，而黑白相间者为()共晶体。亚共晶合金的平衡结晶的显微组织亚共晶合金的平衡结晶的显微组织2024/5/12 周日周日过共晶合金过共晶合金的凝固过程和组织特征与亚共晶合金相类似，只是初生相(先共晶相)为固溶体而不是固溶体。这类合金的冷却曲线为：其结晶过程组织变化示意图如图：结晶过程：LL+L+（+）共+(+)共+(+)共匀晶反应共晶反应脱溶转变室温组织：+(+)共2024/5/12 周日周日过共晶合金显微组织过共晶合金显微组织成分位于E，N两点之间的合金称为过共晶合金。其平街凝固过程及平衡组织与亚共晶合金相似，只是初生相为固溶体而不是固溶体。室温时的组织为初+（+）。2024/5/12 周日周日共晶系合金平衡凝固特点共晶系合金平衡凝固特点通过以上分析共晶系合金的平衡凝固可分为两类：固溶体合金和共晶型合金。前者的结晶过程主要为匀晶相变脱溶转变，组织为初生固溶体和次生组织；后者的结晶过程主要为匀晶相变、共晶相变和脱溶相变，组织为初生固溶体、共晶体和次生组织。需要指出的是在分析显微组织时，应注意组织组成物和相组成的区别。组织组成物是在结晶过程中形成的，有清晰轮廓的独立组成部分，如上述组织中、(+)共都是组织组成物。而相组成物是指组成显微组织的基本相，它有确定的成分及结构但没有形态上的概念，上述各类合金在室温的相组成物都是相和相。所以共晶合金都是由相和相组成的机械混合物（mechanicalmixture）。2024/5/12 周日周日3共晶合金的非平衡凝固在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成 分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶，如图7.27所示。a伪共晶2024/5/12 周日周日 在用Al-Si合金中，共晶成分的Al-Si合金在快冷条件下得到的组织不是共晶组织，而是亚共晶组织；而过共晶成分的合金则可能得到共晶组织或亚共晶组织，这种异常现象通过图728所示的伪共晶区的配置不难解释了。2024/5/12 周日周日b.b.非平衡共晶组织非平衡共晶组织由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中相依附于初生相生长，将共晶体中另一相推到最后凝固的晶界处从而使共晶体两组成相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶（divorcedeutectic）离异共晶可通过非平衡凝固获得，如相图中的a点左侧合金,c点右侧合金；也可通过平衡凝固获得，如相图中的a点右侧合金,c点左侧合金；2024/5/12 周日周日离异共晶显微组织图离异共晶显微组织图2024/5/12 周日周日包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固包晶相图概述包晶相图概述有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相(有确定成分)发生反应生成另一种固相的恒温转变过程称为包晶转变（peritecticreaction）。两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶并具有包晶转变的相图称为二元包晶相图（theperitecticphasediagram）。具有包晶转变的二元合金有：CuSn、FeC、CuZn、AgSn、AgPt2024/5/12 周日周日包晶相图分析包晶相图分析线：固相线、液相线、水平线(DPC)为包晶转变线。包晶转变线上的合金在该温度下发生包晶转变：Lc+p=D相区：三个单相区L相区、相区和相区；三个双相区L+相区、L+相区、+相区；三相共存于DPC线L+包晶线与共晶线不同之处在于：共晶线为固相线，线上的合金在共晶温度全部凝固完毕，其组织为两相混合物。包晶线仅有DP为固相线，而DC为液相线。2024/5/12 周日周日包晶相图包晶相图图730所示的Pt-Ag相图是具有包晶转变的相图中的典型代表。2024/5/12 周日周日包晶点（D）合金冷却曲线发生包晶反应：Lc+P=D为恒温反应结晶过程：LL+L+匀晶反应包晶反应脱溶转变室温组织：+包晶转变机理：2024/5/12 周日周日a.a.(Ag)为42.4%的Pt-Ag合金(合金)2024/5/12 周日周日包晶反应时原子迁移过程示于图7.32中：2024/5/12 周日周日包晶点（D）以右合金冷却曲线碰到PC发生包晶反应：Lc+P=D为恒温反应结晶过程：LL+L+L+匀晶反应包晶反应匀晶反应脱溶转变室温组织：+2024/5/12 周日周日b.b.42.4%(Ag)66.3%的Pt-Ag合金(合金)2024/5/12 周日周日包晶点（D）以左合金冷却曲线碰到DP发生包晶反应：Lc+P=D为恒温反应结晶过程：LL+L+匀晶反应包晶反应脱溶转变室温组织：+2024/5/12 周日周日c.c.10.5%(Ag)0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：0.770.0218+Fe3C（SP+Fe3C）转变产物为和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常用A1表示。2024/5/12 周日周日两条磁性转变线两条磁性转变线 230为水平线为Fe3C的磁性转变线，230以上Fe3C无磁性，230以下为铁磁性。常用A0表示770为的铁磁性转变线。770以上无铁磁性，770以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里点。2024/5/12 周日周日几条重要的相界线几条重要的相界线(固态转变线固态转变线)GS线：A中开始析出或全部溶入(升温时)的转变线。常用A3表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析相开始析出线。常称为A3线或A3温度。ES线：C在中溶解度曲线。常用Acm表示，称为Acm温度。低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将中析出的Fe3C称为二次Fe3C。PQ线：C在中溶解度曲线。在727时，C在中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次Fe3C。以区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。2024/5/12 周日周日FeFe3C相图中的区相图中的区FeFe3C相图中的区：4个单相区：L、7个两相区：L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C3个三相共存区：L+Fe3C（ECF线）、L+（HJB线）、+Fe3C（PSK线）2024/5/12 周日周日FeC合金分类合金分类Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁（pureiron）碳钢（carbonsteel）铸铁（castiron）根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即：1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显微组织为固溶体2024/5/12 周日周日钢钢钢（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之间的Fe、C合金。其特点是：高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（carbonsteel）又可分为：共析钢（eutectoidsteel）：Wc=0.77%亚共析钢（hypoeutectoidsteel）：Wc=0.02180.77%过共析钢（hypereutectoidsteel）：Wc=0.772.11%2024/5/12 周日周日白口铸铁白口铸铁（whitecastiron）是含碳量在Wc=2.116.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：共晶白口铸铁（eutectoidcastiron）：Wc=4.30%亚共晶白口铸铁（hypoeutectoidcastiron）：Wc=2.114.30%过共晶白口铸铁（hypereutectoidcastiron）：Wc=4.306.69%上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。2024/5/12 周日周日FeC合金的平衡结晶过程及组织工业纯铁以Wc=0.01%的合金为例室温组织为：+Fe3CFe3C最多为0.33%如下图转变过程：LL+Fe3C匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀2024/5/12 周日周日（1）工业纯铁2024/5/12 周日周日工业纯铁室温组织图（工业纯铁室温组织图（200）2024/5/12 周日周日（2）共析钢（）共析钢（Wc=0.77%）冷却曲线如图：2024/5/12 周日周日共析钢（Wc=0.77%）冷却曲线如图：室温组织为P（+Fe3C），P呈层片状，是和Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。如图7.53图中的白色片状为，黑色片状为Fe3C。过程如下：LL+P（+Fe3C）匀晶转变共析转变脱溶沉淀2024/5/12 周日周日2024/5/12 周日周日共析钢的室温组织（共析钢的室温组织（650650）2024/5/12 周日周日用透射电镜观察图7.53中的珠光体组织，如图7.54所示。在同一珠光体中，铁素体和渗碳体具有一定的晶体学位向关系：2024/5/12 周日周日如果层片状珠光体经适当退火处理，共析渗碳体可呈球状分布在铁索体的基体上，称为球状（或粒状）珠光体，如图7.55所示。2024/5/12 周日周日（3 3）亚共析钢）亚共析钢 亚 共 析 钢（Wc=0.02180.77%）冷却曲线如图：2024/5/12 周日周日亚共析钢（Wc=0.02180.77%）冷却曲线如图：室温组织为：+P如图7.56中的白色为，黑色片状为P。过程如下：LL+L+L+P+P（析出Fe3C）匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀特别需注意：室温组织为+P，由于是发生在共析转变之前，我们称为先共析铁素体。共析转变之前和的相对量(即共析转变后和P的相对量)可通过杠杆法则来计算。2024/5/12 周日周日2024/5/12 周日周日亚共析钢的室温组织（亚共析钢的室温组织（200200）2024/5/12 周日周日（4 4）过共析钢过共析钢（Wc=0.77Wc=0.772.11%2.11%）过共析钢 冷 却 曲线如图：2024/5/12 周日周日过共析钢（Wc=0.772.11%）冷却曲线如图：室温组织为：P+Fe3C。凝固过程如下：LL+Fe3CP+Fe3C匀晶转变共析转变脱溶沉淀2024/5/12 周日周日2024/5/12 周日周日2024/5/12 周日周日铸铁分类铸铁分类灰口铸铁：含碳量较高（2.74.0），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。白口铸铁：碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。可锻铸铁：由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。球墨铸铁：将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。蠕墨铸铁：将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。合金铸铁：普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。2024/5/12 周日周日（5）共晶白口铸铁（）共晶白口铸铁（Wc=4.30%）2024/5/12 周日周日共晶白口铸铁（Wc=4.30%）液相冷至C点，发生共晶转变：L4.302.11+Fe3C此共晶体成为莱氏体(Ld：+Fe3C)，温度降低，不断从共晶奥氏体中析出二次渗碳体，其相对量可达11.8。当温度降至PSK线发生共析转变形成P，共析转变结束后组织为Fe3C+P+Fe3C，称为低温莱氏体(变态莱氏体)，用Ld表示。室温组织为：Ld（P+Fe3C+Fe3C）过程如下：LL+Ld（+Fe3C）LdLd(+Fe3C+Fe3C）Ld（P+Fe3C+Fe3C）共晶转变共析转变脱溶沉淀2024/5/12 周日周日共晶白口铸铁组织图（共晶白口铸铁组织图（200）2024/5/12 周日周日（6）亚共晶白口铸铁（）亚共晶白口铸铁（Wc=2.114.30%）冷却曲线如图：2024/5/12 周日周日亚共晶白口铸铁（Wc=2.114.30%）室温组织为：Fe3C+Ld+P，其组织如图7.59过程如下：LL+L+Ld+Ld+Fe3C+Ld+Fe3C+Ld+PFe3C+Ld+P匀晶反应共晶转变脱溶转变共析反应2024/5/12 周日周日亚共晶白口铸铁组织图（亚共晶白口铸铁组织图（200200）2024/5/12 周日周日（7）过共晶白口铸铁）过共晶白口铸铁（Wc=0.772.11%）冷却曲线如图：2024/5/12 周日周日过共晶白口铸铁（Wc=0.772.11%）室温组织为：Fe3CI+Ld，其组织如图7.60过程如下：LL+Fe3CFe3C+LdFe3C+Ld匀晶反应共晶转变脱溶转变共析反应2024/5/12 周日周日铁碳合金相图中的相区按组织加以标注铁碳合金相图中的相区按组织加以标注2024/5/12 周日周日Fe-C合金相和组织相对量的计算合金相和组织相对量的计算c室温组织组成物计算：相的相对量计算2024/5/12 周日周日Fe-C合金相和组织相对量的计算合金相和组织相对量的计算c相的相对量计算2024/5/12 周日周日室温组织组成物计算：c2024/5/12 周日周日注意区别组织中的渗碳体注意区别组织中的渗碳体一次渗碳体Fe3C：共晶渗碳体Fe3C：二次渗碳体Fe3C：共析渗碳体Fe3C：三次渗碳体Fe3C：2024/5/12 周日周日Wc对铁碳合金的组织和性能的影响随着含碳量的增加,Fe、C合金的组织发生下列变化：+Fe3C+PPP+Fe3CFe3C+Ld+PLdFe3C+Ld称为组织组成物所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体Fe3C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成物。注：随着W(C)的增加，Fe、C合金中的量逐渐减少，Fe3C的量逐渐增多，其变化呈线性关系。所有Fe、C合金都是由和Fe3C组成，两个相的相对量可由杠杆法则来求得。随碳含量的增加，W(Fe3C)增加，Fe3C形态也发生变化，由片状及球状形式分布在基体内(P)，Fe3C进一步成网状分布在晶界上，当Ld形成时，Fe3C又成为基体。2024/5/12 周日周日含碳量与含碳量与Fe-FeFe-Fe3 3C C合金相组成物相对合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系量、组织组成物相对量的关系2024/5/12 周日周日Wc对铁碳合金的组织和性能的影响F为软韧相，Fe3C为硬脆相，故Fe、C合金的力学性能取决于和Fe3C两相的相对量及它们的相互分布特征。珠光体的强度比高，比Fe3C低，而P的韧性和塑性比低，比Fe3C高，而且P的强度随P片间距的减小而增大。在钢中Fe3C是一种强化相，随钢中Wc的增加使FeC合金强度升高，当Wc超过0.77%后，先消失而Fe3C出现，合金强度增加变缓；当Wc达到0.90%时，由于沿晶界上形成网状分布，强度开始迅速下降，当达到2.11%时，出现Ld，强度降到最低。钢的塑性完全由来提供，Wc的增加使减少，塑性和韧性显著下降，当基体为Fe3C后，塑性就接近于0。为保证钢有足够的强度和适当的韧性配合，其Wc一般不超过1.31.4%。对于白口铸铁，组织中存在大量的Ld，而Ld是以Fe3C为基的硬脆组织，因此白口铸铁具有很大的脆性。但由于大Fe3C存在，铸铁的硬度和耐磨性很高。2024/5/12 周日周日WcWc对铁碳合金的性能的影响对铁碳合金的性能的影响2024/5/12 周日周日碳素结构钢的分类和编号关于钢和铸铁的命名法则，国内和国际上都有强制性标准。下面给大家介绍一下碳素结构钢的分类和牌号。根据钢的含碳量分类低碳钢Wc0.25%不作热处理，用于车身，薄板，强韧性好，可机加工，焊接性好；中碳钢Wc=0.250.60%，热处理（淬火，回火），车轮，车轨和齿轮等；高碳钢Wc0.60%，硬化时效，用于工具钢，模具钢等根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类普通碳素钢Ws0.055%Wp0.045%优质碳素钢Ws0.040%Wp0.040%高级优质碳素钢Ws0.030%Wp0.030%2024/5/12 周日周日优点缺点硅0.5增加钢液流动性，提高强度0.81.0%降低韧性。引起夹杂锰0.8，固溶强化，消除S的有害性硫提高切削性严重偏析、热脆磷含C量低的钢中，提高强度；抗腐蚀冷脆氧夹杂。降低各种性能氮形成氮化物，细化晶粒。沉淀强化机械时效。降低塑性氢氢脆8、钢中的杂质元素及其对性能的影响、钢中的杂质元素及其对性能的影响 2024/5/12 周日周日钢中的两种典型非平衡组织钢中的两种典型非平衡组织贝氏体(bainite)：又称贝茵体。钢中相形态之一。钢过冷奥氏体的中温(350550)转变产物，-Fe和Fe3C的复相组织。贝氏体转变温度介于珠光体转变与马氏体转变之间。在贝氏体转变温度偏高区域转变产物叫上贝氏体(upbainite)，其外观形貌似羽毛状，也称羽毛状贝氏体。在贝氏体转变温度下端偏低温度区域转变产物叫下贝氏体(lowbainite)。马氏体(Martensite)：用M表示碳在阿尔法铁中的过饱和固溶体。但它并不是分为上马氏体和下马氏体，贝氏体才是分为上贝氏体和下贝氏体，它是可以分为高碳马氏体（板条状马氏体）和低碳马氏体（片状马氏体）2024/5/12 周日周日二元合金的凝固理论液态金属凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外，由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶液中发生重新分布，这对合金凝固方式和晶体的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或宏观偏析。微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。本节内容固溶体的凝固理论共晶凝固理论合金铸锭(件)的组织与缺陷2024/5/12 周日周日固溶体的凝固理论平衡凝固（equilibriumsolidification）：在凝固过程中固相和液相始终保持平衡成分，即冷却时固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线变化。合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用溶质平衡分配系数（equilibriumdistributioncoefficient）k0表示。平衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数Ws和液相的质量分数Wl(即液固两平衡相中溶质浓度之比)，即：k0=Ws/Wl1.正常凝固2024/5/12 周日周日下图是合金匀晶转变时的两种情况。正常凝固正常凝固k01，随溶质增加，合金凝固的开始温度和终结温度升高。2024/5/12 周日周日将成分为0的单相固溶体合金的熔液置于园棒形锭子内由左向右进行定向凝固，如图 7.63(a)所示，在平衡凝固条件下，则在任何时间已凝固的固相成分是均匀的，其对应该温度下的固相线成分。凝固终结时的固相成分就变成0的原合金成分，如图763(b)所示。2024/5/12 周日周日现以五个假设条件来推导固溶体非平衡凝固时质量浓度s随凝固距离变化的解析式：设圆棒的截面积为A，长度为L。若取体积元Adx发生凝固，如图中所示的阴影区，体积元的质量为dM，其凝固前后的质量变化(见图7.64(b)，(c)：正常凝固方程的推导正常凝固方程的推导2024/5/12 周日周日式中，L，s分别为液相和固相的质量浓度。由质量守恒可得 忽略高阶小量dLdx，整理后得：2024/5/12 周日周日两边同除以固相(或液相)的密度，因假设固相和液相密度相同，故 ，因为最初结晶的液相质量浓度为o(即原合金的质量浓度)，故上式积分下限值为o，积分得2024/5/12 周日周日上式表示了液相浓度随凝固距离的变化规律。由于 所以(7.10)式称为正常凝固方程，它表示了固相质量浓度随凝固距离的变化规律。正常凝固溶质浓度在铸锭内的分布如图7.65所示：2024/5/12 周日周日2区域熔炼设原材料质量浓度为0，均匀分布于整个圆棒中。令横截面积A1，所以单位截面积的体积元的体积为dx，凝固体积的质量浓度 sk0L，式中L为液体的质量浓度，其所含的溶质质量为sdx或k0Ldx，而 当熔区前进dx后，液体(熔区)中溶质质量的增量dm为(见图766)2024/5/12 周日周日上式中A为待定常数。在x0处，熔区中溶质质量m=0l,所以移项后积分，把A代入原式中，整理可得：上式为区域熔炼方程，表示经过区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度。2024/5/12 周日周日区域熔炼方程的应用条件不能用于大于一次（n1）的区域熔炼后的溶质分布；此时的试棒成分不再是均匀的；不能用于最后一个熔区；最后一个熔区不能进行方程的推导，无法再前进dx；2024/5/12 周日周日图7.67为多次区域熔炼后溶质分布的示意图。由图可知，当ko1 时，凝固前端部分的溶质浓度不断降低，后端部分不断地富集，这使固溶体经区域熔炼后的前端部分因溶质减少而得到提纯，因此区域熔炼又称区域提纯。2024/5/12 周日周日图7.68表示劳特(Lord)推导的结果，由图可知，当 k0=0.1时，经八次提纯后，在8个熔区长度内的溶质比提纯前降低了104106。2024/5/12 周日周日区域提纯装置示意图如图7.69所示。2024/5/12 周日周日3.表征液体混合程度的有效分配系数ke 液体浓度均匀的假设？液体中溶质的迁移方式：扩散和对流 液态流动时的基本特征：层流：中心流速最大，管壁流速为0，呈抛物线分布 边界层：层流平行于边界层，边界层内的溶质只能扩散，不能对流。液固界面的边界层 液固界面边界层的溶质富集 在界面上溶质达到局部平衡，满足2024/5/12 周日周日初始过渡区：当固相中扩散到边界层的溶质边界层扩散到对流液体中的溶质时，聚集停止，此时为常数。有效分配系数定义及相关参量为了表征液体中的混合程度，需定义有效分配系数ke：2024/5/12 周日周日2024/5/12 周日周日扩散和对流的方向如图771所示，与之相反方向的扩散和对流 不存在。由扩散和对流造成的总通量为对上式的z偏导数，并由推导菲克第二定律时的前续方程：可得：2024/5/12 周日周日假设则通解为：2024/5/12 周日周日图772示意画出在初始过渡层建立后，液、固的体内及界面处的溶质分布情况，由图可知，当z=0时，L=(L)i，由（7.14）式可得：在dt时间内，液固界面流动了dz距离，整理后，得 2024/5/12 周日周日对（7.14）式求导，并由x0可得将（7.18）和（7.17）式代入（7.16）式，整理可得当z=-(边界层厚度，见图7.72)时，L=(L)B，将其和（7.19）式代入（7.14）通解式；所以：2024/5/12 周日周日将其代入（7.19）式，则得将待定系数P1和P2代入通解式（7.14），整理可得：当Z0时，L=(L)i，上式变为2024/5/12 周日周日由于固一液界面建立起局部的平衡，所以而由有效分配系数的定义，将它们代人(724)式，最终得到有效分配系数ke的数学表达式 这是由伯顿(Burton)、普里姆(Prim)和斯利克持(Slichter)导出的著名方程。它说明了有效分配系数ke是平衡分配系数k0和无量纲RD参数的函数。当K0取某定值时，方程（7.25）式的曲线由图7.73所示。下面分别讨论液体混合的三种情况：2024/5/12 周日周日2024/5/12 周日周日（1）当凝固速度极快时，R，则k e=1，由此表明，(s)i=(L)B=0，如图7.74（a）所示2024/5/12 周日周日(2)当凝固速度极其缓慢，即R0时，则exp(-R/D)1，即ke=k0,(L)i=(L)B=0，见图7.74（b），属于完全混合状态。