材料的凝固与铁碳合金相图.pptx

机械工程材料第一节第一节 二元合金的结晶二元合金的结晶一一.凝固与结晶凝固与结晶二二.晶粒大小及控制方法晶粒大小及控制方法 三三.金属铸态组织的形成及其性能金属铸态组织的形成及其性能 机械工程材料机械工程材料机械工程材料 晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响常温下，晶粒越细，晶界面常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性硬度越高，同时塑性、韧性也越好，即细晶强化。也越好，即细晶强化。晶粒大小与金属强度的关晶粒大小与金属强度的关系系单晶叶单晶叶片片s=i+Kd-1/2室温室温高温高温机械工程材料一一切切物物质质从从液液态态到到固固态态的的转转变变过过程程称称为为凝凝固固，如如凝凝固固后后形形成成晶晶体体结结构构，则则称称为为结结晶晶。金金属属在在固固态态下下通通常常都都是是晶晶体体，所所以以金金属属自自液液态态冷冷却却转转变变为为固固态态的的过过程程，称称为为金金属属的的结结晶晶。它它的的实实质质是是原原子子从从不不规规则则排排列列状状态态(液液态态)过过渡渡到到规规则则排排列列状状态态(晶晶体体状状态态)的的过过程。程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶机械工程材料冷却曲线与过冷冷却曲线与过冷冷却曲线冷却曲线:金属结晶时温度金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温对应的温度称实际结晶温度度T1。曲线上水平阶段是由于结曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的晶时放出结晶潜热引起的.纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线机械工程材料2、过冷与过冷度、过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶熔点或平衡结晶温度温度)。在该温度下。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结晶温度下才能进行。雾雾凇凇机械工程材料液态金属在理论结晶温液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象度以下开始结晶的现象称过冷。称过冷。理论结晶温度与实际结理论结晶温度与实际结晶温度的差晶温度的差 T称过冷度称过冷度 T=T0 T1过冷度大小与冷却速度过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷有关，冷速越大，过冷度越大。度越大。机械工程材料2、结晶过程、结晶过程1、结晶的基本过程、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结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子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。团，它们时聚时散，称为晶胚。在在T0以下以下,经一段时间后经一段时间后(即孕育期即孕育期),一些大一些大尺寸的晶胚将会长大，称为晶核。尺寸的晶胚将会长大，称为晶核。机械工程材料晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶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。粒接触后形成晶界。机械工程材料2、晶核的形成方式、晶核的形成方式形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。非自发形核更为普遍。非自发形核更为普遍。均匀形核均匀形核机械工程材料晶核的长大方式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晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。长大。均匀长大均匀长大树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察机械工程材料实际金属结晶主要以树枝状长大实际金属结晶主要以树枝状长大.这是由于存在这是由于存在负温度梯度，负温度梯度，且且晶核棱角处的散热晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴生二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。机械工程材料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机械工程材料3.1.2 晶粒大小及控制方法晶粒大小及控制方法1 1、晶粒度、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。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。通过标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。机械工程材料2、影响晶核形成和长大的因素、影响晶核形成和长大的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响l单位时间、单位体积内形成单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率的晶核数目叫形核率(N)。l单位时间内晶核生长的长度单位时间内晶核生长的长度叫长大速度叫长大速度(G)。lN/G比值越大，晶粒越细小比值越大，晶粒越细小.因此，凡是促进形核、抑因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶制长大的因素，都能细化晶粒粒.机械工程材料3、控制晶粒度的方法、控制晶粒度的方法 控制过冷度：控制过冷度：随过冷随过冷度度增加，增加，N/G值增加，晶值增加，晶粒变细。粒变细。变质处理：变质处理：又称孕育又称孕育处理。即有意向液态金属处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。质剂（或称孕育剂）。机械工程材料1 影响晶核形成和长大的因素影响晶核形成和长大的因素(1)过冷度的影响过冷度的影响(2)未熔杂质的影响未熔杂质的影响2 铸态金属晶粒细化的方法铸态金属晶粒细化的方法(1)增大过冷度增大过冷度(2)变质处理变质处理(3)振动、搅拌振动、搅拌机械工程材料Al-Si合金组织合金组织缓冷缓冷快冷快冷未变质未变质变质变质机械工程材料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变质处理使组织细化。变质剂为细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。硅铁或硅钙合金。机械工程材料电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图 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，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，使晶核数目另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。显著增加。机械工程材料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)机械工程材料3.1.3 3.1.3 金属铸态组织金属铸态组织在实际生产中，液态金属被在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则而注入到铸型模具中成型则得到铸件。得到铸件。铸锭铸锭(件件)的组织及其存在的的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。着直接的影响。机械工程材料图图3-4 钢锭组织的示意图（钢锭组织的示意图（1表面细晶粒层；表面细晶粒层；2柱状晶粒区；柱状晶粒区；3心部粗等轴晶粒区心部粗等轴晶粒区机械工程材料 表层细晶区：浇注时，表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等使表面形成一层很细的等轴晶粒区。轴晶粒区。铸锭铸锭(件件)的宏观组织通常由三个区组成的宏观组织通常由三个区组成:机械工程材料 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，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。方向生长而形成柱状晶区。机械工程材料中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，散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体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以下时，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。以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。机械工程材料图图3-6 铸锭中强度较差的区域铸锭中强度较差的区域机械工程材料l3.1.4、铸造缺陷、铸造缺陷l铸造缺陷的类型较多，铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有点等，它们对性能是有害的。害的。缩孔缩孔机械工程材料图图3-7 圆柱形铸件中缩孔的形成圆柱形铸件中缩孔的形成机械工程材料气孔气孔:气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成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的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件件)中的气泡中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气铸件中的气孔铸件中的气孔孔需要切除。铸件中出现气孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。孔则只能报废。缩缩松松机械工程材料 偏析：合金中各部分化偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭偏析。铸锭(件件)在结晶时在结晶时,由于各部位结晶先后顺序由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果硫在钢锭中偏析的模拟结果返返 回回机械工程材料第二节第二节 二元合金相图二元合金相图1 1、二元相图的建立、二元相图的建立2 2、相组成分析与杠杆定律、相组成分析与杠杆定律3 3、二元相图的基本类型、二元相图的基本类型4、二元匀晶相图、二元匀晶相图5、二元共晶相图、二元共晶相图6、二元包晶相图、二元包晶相图7、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图8、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤机械工程材料合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析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。过程的简明图解。又称状态图或平衡图。相图通常以温度和成相图通常以温度和成分为独立变量。分为独立变量。机械工程材料合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的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。一系列不同成分的合金。l组元是指组成合金的最简单、组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的最基本、能够独立存在的物质。物质。l多数情况下组元是指组成合多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元应的化合物也可看作组元,如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt%Ni）温度（温度（）CuNi机械工程材料相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度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。艺的重要依据。根据组元数根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。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机械工程材料二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为：以以Cu-Ni合金合金(白铜白铜)为例为例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）。临界点（停歇点或转折点）。2.将临界点标在温度将临界点标在温度成分坐标中的成分垂线上。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。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。线。3.2.1 二元相图的建立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。是热分析法。机械工程材料图图3-8 用热分析法测定用热分析法测定CuNi相图相图 机械工程材料3.2.2 相组成分析与杠杆定律相组成分析与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。成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：确定两平衡相的成分：设合金成分为确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过，过x做成做成分垂线。在成分垂线相当分垂线。在成分垂线相当于温度于温度t 的的o点作水平线，点作水平线，其与液固相线交点其与液固相线交点a、b所所对应的成分对应的成分x1、x2即分别即分别为液相和固相的成分。为液相和固相的成分。12 t机械工程材料 杠杆定律示意图杠杆定律示意图机械工程材料则则 QL+Q =1 QL x1+Q x2=x 解方程组得解方程组得l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。的长度。l 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为，液相重量为QL，固相重量为，固相重量为Q。机械工程材料上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠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。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。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。杠杆定律只适用于两相区。例例（如图）（如图）机械工程材料Cu-Ni合金的平衡组织合金的平衡组织 与枝晶偏析组织与枝晶偏析组织在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的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。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。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。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。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生产上常将铸件加热到固相线以下100-200长时间长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏保温，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。析，这种热处理工艺称作扩散退火。机械工程材料随温度下降，随温度下降，固溶体重量增固溶体重量增加，液相重量加，液相重量减少。同时，减少。同时，液相成分沿液液相成分沿液相线变化，固相线变化，固相成分沿固相相成分沿固相线变化。线变化。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶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。或匀晶反应。机械工程材料 合金的结晶过程合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合合金为例说明。金为例说明。l当液态金属自当液态金属自高温冷却到高温冷却到 t1温度时，开始温度时，开始结晶出成分为结晶出成分为 1的固溶体，的固溶体，其其Ni含量高于含量高于合金平均成分合金平均成分L L+机械工程材料成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，时，最后一滴最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变固溶体的成分又变回到合金成分回到合金成分 3上上来。来。l液固相线不仅是相液固相线不仅是相区分界线区分界线,也是结晶也是结晶时两相的成分变化时两相的成分变化线；匀晶转变是变线；匀晶转变是变温转变。温转变。机械工程材料3.2.3 3.2.3 二元相图的基本类型二元相图的基本类型l两组元在液态和固两组元在液态和固态下均无限互溶时态下均无限互溶时所构成的相图称二所构成的相图称二元匀晶相图。元匀晶相图。l以以Cu-Ni合金为例进合金为例进行分析。行分析。Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图1、二元匀晶相图、二元匀晶相图机械工程材料相图由两条线构成，相图由两条线构成，上面是液相线，下面上面是液相线，下面是固相线。是固相线。相图被两条线分为三相图被两条线分为三个相区，液相线以上个相区，液相线以上为液相区为液相区L L，固相线，固相线以下为以下为固溶体固溶体 区，区，两条线之间为两相共两条线之间为两相共存的两相区（存的两相区（L+L+）。）。LL+成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线固相线机械工程材料合金的结晶只有在缓慢冷却合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的合金中的Ni）,后结晶后结晶的枝晶间含有较多的低熔点的枝晶间含有较多的低熔点元素元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。l 枝晶偏析枝晶偏析机械工程材料枝晶偏析对材料的力学性枝晶偏析对材料的力学性能、耐腐蚀性能、工艺性能、耐腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为了消能都不利。生产上为了消除其影响，常把合金加热除其影响，常把合金加热到高温到高温(低于固相线低于固相线100左右左右)，并进行长时间保温，并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体，这种处分均匀的固溶体，这种处理称为扩散退火。理称为扩散退火。机械工程材料2、二元共晶相图、二元共晶相图当两组元在液态当两组元在液态下完全互溶，在下完全互溶，在固态下有限互溶固态下有限互溶,并发生共晶反应并发生共晶反应时所构成的相图时所构成的相图称作共晶相图。称作共晶相图。以以 Pb-Sn 相图为相图为例进行分析。例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSn机械工程材料 相图分析相图分析 相：相图中有相：相图中有L、三种相三种相,是溶质是溶质Sn在在 Pb中的固溶体，中的固溶体，是溶是溶质质Pb在在Sn中的固溶体。中的固溶体。相区：相图中有三个相区：相图中有三个单相区：单相区：L、；三；三个两相区：个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即；一个三相区：即水平线水平线CED。AB机械工程材料 固溶线固溶线:溶解度溶解度点的连线称固溶线点的连线称固溶线。相图中的相图中的CF、DG线分别为线分别为 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的中的固溶线。固溶线。固溶体的溶解度随固溶体的溶解度随温度降低而下降。温度降低而下降。l 液固相线：液相线液固相线：液相线AEB，固相线，固相线ACEDB。A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点。AB机械工程材料在一定温度下，由一定成在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新成分和结构都不相同的新固相的转变称作固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应。共晶线：水平线共晶线：水平线CED叫做共晶线。叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（在共晶线对应的温度下（183），），E点成分的合金同点成分的合金同时结晶出时结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固溶体，固溶体，形成这两个相的机械混形成这两个相的机械混 合物：合物：LE(C+D)AB机械工程材料共晶反应的产物，即两共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散机械工程材料具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，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 晶点以右的合晶点以右的合金称过共晶合金称过共晶合金。金。l凡具有共晶线凡具有共晶线成分的合金液成分的合金液体冷却到共晶体冷却到共晶温度时都将发温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+CDAB机械工程材料 合金的结晶过程合金的结晶过程 含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。.2机械工程材料温度降到温度降到3点以下，点以下，固溶体被固溶体被Sn过饱和，由于晶过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相格不稳，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。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形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。是固态相变的一种。H机械工程材料由于二次由于二次相析出温相析出温度较低，度较低，一般十分一般十分细小。细小。室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降，和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变线变化，化，的重量增加。的重量增加。机械工程材料合金室温组织为合金室温组织为 +。l成分大于成分大于 D点合金结晶点合金结晶过程与过程与合金合金相似，室温相似，室温组织为组织为 +。ABCDEFG机械工程材料 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时同时被点时同时被Pb和和Sn饱和饱和,发生共发生共晶反应：晶反应：LE(C+D)。19.2wt%Sn温度,1机械工程材料层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织析出过程中两相析出过程中两相相间形核、互相相间形核、互相促进、共同长大，促进、共同长大，因而共晶组织较因而共晶组织较细，呈片、棒、细，呈片、棒、点球等形状。点球等形状。机械工程材料在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L、三相共存三相共存,三个相的三个相的量在不断变化，但它们各量在不断变化，但它们各自成分是固定的。自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时，共晶转变结束时，和和 相的相对重量百分比为：相的相对重量百分比为：E(61.9)D(97.5)C(19.2)机械工程材料共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降，和和 的成分分别沿的成分分别沿CF线线和和DG线变化，并从共晶线变化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中析中析出出 ，由于共晶组织细，由于共晶组织细，与共晶与共晶 结合，结合，与共与共晶晶 结合，共晶合金的室温组织仍为结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。共晶体。Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织试问：室温下试问：室温下两相两相的的相对重量百分比是多相对重量百分比是多少？少？机械工程材料 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成点，固相成分变化到分变化到C点，液相成分变化到点，液相成分变化到E点点,此时此时两相的相对两相的相对重量为：重量为：机械工程材料在在2点，具有点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：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，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等变前的液相重量相等,即即QE=QL反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百两相的相对重量百分比为：分比为：机械工程材料温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和共晶和共晶 中析出中析出，从，从共晶共晶 中析出中析出。其室温。其室温组织为组织为+(+)+。亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程机械工程材料3、二元包晶相图、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，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。并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。以以Pt-Ag相图为例简要分析相图为例简要分析L+L+L+l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、l二相区：二相区：L+、L+、+l三相区：三相区：L+（水平线（水平线PDC）机械工程材料在一定温度下，由一个液相包着一个固相生在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称成另一新固相的反应称包晶转变包晶转变或或包晶反应包晶反应。水平线水平线PDC称称包晶线包晶线，与该线成分对应的合，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：金在该温度下发生包晶反应：c+Lde该反应是液相该反应是液相L包着固相包着固相,新相新相 在在L与与的的界面上形核，并向界面上形核，并向L和和 两个方向长大。两个方向长大。机械工程材料共共析析转转变变也也是是固态相变。固态相变。4、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图l共共析析反反应应(共共析析转转变变)是是指指在在一一定定温温度度下下，由由一一定定成成分分的的固固相相同同时时析析出出两两个个成成分分和和结结构构完完全全不不同同的的新新固固相的过程。相的过程。机械工程材料实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区确定相区 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 单相区的确定单相区的确定 液相线以上为液相区；液相线以上为液相区；5、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤Fe-Fe3C相图相图机械工程材料 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；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；能是相区分界线；l 相图中部出现的相图中部出现的成分可变的单相区成分可变的单相区是以化合物为基的是以化合物为基的单相固溶体区；单相固溶体区；l 相图中每一条水相图中每一条水平线必定与三个单平线必定与三个单相区点接触。相区点接触。Cu-Zn相图相图+机械工程材料 两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相 区，该两相区的相区，该两相区的相由两相邻单相区的由两相邻单相区的相组成。相组成。l 三相区的确定：三相区的确定：二元相图中的水平二元相图中的水平线是三相区，其三线是三相区，其三个相由与该三相区个相由与该三相区点接触的三个单相点接触的三个单相区的相组成。区的相组成。Fe-Fe3C相图相图机械工程材料恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的新固相。的新固相。+共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L+包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的新固相。同的新固相。L L +共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称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机械工程材料3.3 相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系 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机械工程材料两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金:性能与合金性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：平均值，如：混混=Q +Q HB混混=HB Q +HBQ(Q 、Q为两相相对重量为两相相对重量)机械工程材料 单相固溶体的合金：单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质含量性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，增加，、HB、增加，塑性下降。增加，塑性下降。形成稳定化合物的合金：形成稳定化合物的合金：性能性能-成分曲线出现拐点。成分曲线出现拐点。机械工程材料2合金的工合金的工艺性能与艺性能与相图的关相图的关系系 机械工程材料固溶体合金液固相线间距越大、偏析固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大倾向大,树枝晶发达树枝晶发达,流动性降低流动性降低,补补缩能力下降缩能力下降,分散缩孔增加。分散缩孔增加。共晶合金结晶温度低，流动性好，缩共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中，孔集中，偏析小，偏析小，铸造性能好铸造性能好机械工程材料3.4 3.4 铁碳合金的结晶铁碳合金的结晶铁碳合金铁碳合金碳钢和碳钢和铸铁，是工业应用铸铁，是工业应用最广的合金。最广的合金。含碳量为含碳量为0.0218%2.11%的称钢的称钢含碳量为含碳量为 2.11%6.69%的称铸铁。的称铸铁。机械工程材料铁和碳可形成一系列稳定化合物：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。，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%)机械工程材料3.4.1 纯铁的组织和性能纯铁的组织和性能铁同其他一些金属（如铁同其他一些金属（如Co、Ti、Mn、Sn）在结晶后继续冷却时会出现晶体结构的变在结晶后继续冷却时会出现晶体结构的变化，从一种晶格转变为另一种晶格。金属化，从一种晶格转变为另一种晶格。金属在固态下有一种晶格转变为另一种晶格的在固态下有一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构转变（又称同素异晶转变化称为同素异构转变（又称同素异晶转变）变）-Fe 1394 -Fe 912 -Fe 体心立方）体心立方）（面心立方）（面心立方）（体心立方）（体心立方）机械工程材料1.纯铁的纯铁的同素异同素异构转变构转变机械工程材料铁碳合金相图是铁碳合金相图是研究铁碳合金最研究铁碳合金最基本的工具，是基本的工具，是研究碳钢和铸铁研究碳钢和铸铁的成分、温度、的成分、温度、组织及性能之间组织及性能之间关系的理论基础关系的理论基础,是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和热处理、冶炼和铸造等工艺依据铸造等工艺依据.机械工程材料2.纯铁的组织、性能和用途纯铁的组织、性能和用途工业纯铁常含有工业纯铁常含有0.10%0.20%的杂质，室温下的的杂质，室温下的组织为组织为100%的的-Fe，具有体心立方结构，其显，具有体心立方结构，其显微组织是由许多晶粒组成。微组织是由许多晶粒组成。一般情况下，工业纯铁的强度很低一般情况下，工业纯铁的强度很低(Rm=180230MPa，ReL=100170MPa)；塑性、韧性很；塑性、韧性很好好(A3050，Z7080，AK160200J)；HBW=5080 利用它的磁性，例如制造仪器、仪表的铁心等利用它的磁性，例如制造仪器、仪表的铁心等 机械工程材料3.4.2 铁碳合金的组成物铁碳合金的组成物与纯铁很相似，是强度和硬度低与纯铁很相似，是强度和硬度低（Rm250MPa，HBW=80）、塑性好）、塑性好（A=4550%，Ak=160J）铁素体铁素体l1 铁素体铁素体l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体,用用F 或或 表示。表示。机械工程材料2 奥氏体奥氏体:碳在碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用中的固溶体称奥氏体。用A或或 表示。表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材度低、塑性好，钢材热加工都在热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体机械工程材料 渗碳体：即渗碳体：即Fe3C,含碳含碳6.69%,用用Fe3C或或Cm表示。表示。Fe3C硬度高硬度高、强度低强度低（800HBW），），Rm=30MPa,脆性脆性大大,塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C是亚稳相，在一定条是亚稳相，在一定条件下可发生分解：件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨),该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在-Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而常温下碳在铁很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或石或石墨的形式存在。墨的形式存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体机械工程材料渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显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体的大小、形态和分布对钢的性能有很大影响。影响。一次渗碳体：一次渗碳体：Fe3C直接从液体中结晶出来，直接从液体中结晶出来，呈板条状分布。呈板条状分布。二次渗碳体：二次渗碳体：Fe3C从奥氏体中析出，并沿从奥氏体中析出，并沿奥氏体晶界呈网状分布。奥氏体晶界呈网状分布。三次渗碳体：三次渗碳体：Fe3C从铁素体中析出，并沿从铁素体中析出，并沿铁素体晶界呈薄片状分布。铁素体晶界呈薄片状分布。机械工程材料共晶渗碳体共晶渗碳体 莱氏体中的渗碳体。莱氏体中的渗碳体。共析渗碳体共析渗碳体 珠光体中的渗碳体。珠光体中的渗碳体。上述渗碳体并无本质区别，其含碳量、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。晶体结构和本身的性质均相同。机械工程材料4珠光体珠光体珠光体是渗碳体和铁素体所组成的机械混合物。常用符号P表示。它是共析反应：A0.77 F0.0218+Fe3C的产物。其力学性能介于渗碳体和铁素体之间。它的强度较大，Rm750MPa；硬度HBW180；塑型A=2035%；冲击韧性Ak=2432J。机械工程材料5莱氏体莱氏体莱氏体是奥氏体和渗碳体或珠光体和渗碳莱氏体是奥氏体和渗碳体或珠光体和渗碳体所组成的机械混合物，体所组成的机械混合物，其性能与渗碳体相似，硬度很高（其性能与渗碳体相似，硬度很高（