hjx金属学与热处理0401分析.pptx

,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,#,苏州大学,金属学与热处理,第三章 二元合金的相结构与相图,2015.03.30,在,e,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。,在,e,点之下，,中析出,。,包晶,成分,合金的结晶：,匀,晶,包晶二次析出,。,包晶成分合金的平衡结晶,室温组织：,+,；,组成相：,、,3.2,包晶合金的平衡结晶,1),相变：,LL,L,2),组织变化：,LL,L,d,c,L,d,c,e,e,Pt-Ag,合金相图,ce,成分,合金：,匀晶,包晶二次析出。,室温组织为,+,II,+,+,II,Pt-Ag,合金相图,1),相变：,LL,L,2),组织变化：,LL,Ld,c Ld,c,ec,e,ed,成分,合金：,匀晶,包晶,匀晶,二次析出,室温组织为,+,II,Pt-Ag,合金相图,1),相变：,LL,L,L,2),组织变化：,LL,L,C,P,L,C,P,D,L,C,D,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。,(,+),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。,四、共析转变的二元合金相图,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,。,对应的有：,共析线,(cde,线,),共析点,(d,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）,共析合金相图分析,S,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,:,(+),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。,例如,Fe-C,合金中的共析产物,珠光体,铁碳合金相图,典型合金的平衡结晶过程,(,奥氏体，,铁素体，,Fe,3,C,渗碳体,),珠光体,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)。,与共晶反应不同点：,1,）共析反应是固态反应，原子的扩散困难，组织更细。,2,）因母相与子相的比容不同，反应后易引起较大的内应力。,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),。,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。,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,其他类型的相图,Mg,2,Si,Mg,2,Si+Si,Mg+Mg,2,Si,Si,L+Mg,2,Si,L+Si,L+Mg,2,Si,L+Mg,匀晶,L,共晶,L+,共析,+,（,1,）首先找到相图中的,水平线,。有水平线就存在三相反应。该水平线同时表明平衡状态下发生该反应的温度。,（,2,）找到与该水平线接触的三个单相区,(,即三个接触点,),，即水平线的两个端点和靠近水平线中部的三个点,(,中部点表明产生三相反应的成分,端点是反应生成的两个单相成分,),。,（,3,）确定中部点上方与下方的相，并以化学反应式的方式写出以判明反应类型,11,二元相图各类等温反应总结,1,分解型,：共晶转变,L=+,共析转变,=+,偏晶转变,L,1,=L,2,+,偏析转变,1,=,2,+,熔晶转变：,=+L,2,合成型,：包晶转变,L+=,包析转变,+=,合晶转变,L,1,+L,2,=,分解型,合成型,二元相图的一些几何规律,1,相接触法则：,相图中相邻相区的相数之差均为一。,2,如果两个三相区中有两个共同的相，这两条水平线之间必定是这两个相组成的两相区。,3,单相区边界线延长线应进入相邻的两相区,二元合金两相平衡时，两相成分均随温度而变化,。其具体数值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定。温度变化时，两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化。,二元相图的三相平衡区是一条水平线,。它与三个单相区均以点接触。从三个单相区的相互位置，可以判断三相平衡的性质。,分析复杂相图时，首先要弄清单相区，然后找出三相区、三相点，再弄清三相平衡转变类型。,牢记：,两个单相区之间必有一个由这两相组成的两相区隔开，而不能以一条直线接界；两个两相区之间必须以一个单相区或三相区隔开。即,相接触法则：相图中相邻相区相数之差均为,1,（点接触除外）。,二元合金相图小结,图（,a,），组织为固溶体的合金，,随着溶质组元含量的增加，其强度和硬度提高；合金的电阻率随着溶质组元含量的增加而增加。,图（,b,），共晶系的合金，相图两端均为固溶体。,相图中间部分合金的性能大致是两相性能的算术平均值，即合金的强度、硬度、电阻率与成分呈直线关系。,温度,强度、硬度,电导率,相图与合金强度、硬度、电阻之间关系,1,、合金的使用性能与相图的关系,固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关。溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。两相组织合金的力学性能和物理性能与成分呈直线关系变化。,合金的性能与相图的关系,2,、合金,的工艺性能与相图的关系,铸造性能,液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。,锻造、轧制性能,单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。塑性、韧性好，所以，共晶线两侧的合金适合于锻压，但切削加工性较,力学性能,铸造性能,加工及成形,纯金属,强度低,塑性好,流动性好,单相固溶体,（固溶强化）,塑性好,强度高,流动性差,分散缩孔,锻造成形,切削性差,双相固溶体,(,第二相质点强化）,塑性较差,强度高,流动性好,集中缩孔,铸造成形,切削性好,相图与性能的关系,本节小结,合金相图,匀晶相图、共晶相图、包晶相图,共析相图、含有稳定化合物的相图、各类等温反应,二元合金平衡结晶规律,变温结晶,确定两相的成分,温度一定时,利用杠杆定律计算两相区的质量比,相图分析及使用,复杂相图分析,:,分析相图组成,判断转变类型,本章思考题,1 简述合金相的分类，固溶体与纯金属相比，有何结构、性能特点？,2 固溶体与纯金属的结晶有何异同？,3,分析,匀晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因。,4,分析,典型,合金不同成分的平衡,冷却过程,，明确其相变及组织转变过程,指出,其室温组织,。,5,分析,复杂相图,指出相区、特殊点等,分析三相平衡转变类型,第四章,铁碳合金和铁碳相图,铁碳合金中的组元和基本相,Fe-Fe,3,C相图,典型合金的平衡结晶,含碳量对铁碳合金,平衡,组织和性能的影响,钢中杂质元素对组织性能的影响,概述,钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴，而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁碳合金。,钢铁的成分不同，则组织和性能不同，因而在实际工程上的应用也不一样。为了研究铁碳合金的组织和性能以及它们与成分、温度的关系，就必须学习铁碳合金相图。,本章将根据铁碳相图及对典型铁碳合金结晶过程的分析，来研究铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系。,铁碳合金相图最早是在,1889,年测定的。,一、铁碳合金的组,元及基本相,1,、,Fe:,第,26,号元素，属过渡族元素，熔点,1538,，气化温度,2738,，密度,7.87g/cm,3,。,纯铁有多晶型，同素异构转变：金属在固态下发生的晶格类型的转变,。,20,-Fe -Fe -Fe,BCC,（,912,）,FCC (1394),BCC,金属的,同素异构转变,为其,热处理,提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。,温度,时间,1538,1394,912,Fe,（,BCC,）,Fe,（,FCC,）,Fe,（,BCC,）,Liquid,无磁性,磁性,770,铁碳合金中的基本相,铁,碳合金中的,Fe,和,C,可,形成,铁素体（,F,）、奥氏体（,A,）、渗碳体,三个基本相。这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成,珠光体,(P),和莱氏体,(Ld,),。,铁碳合金中这些基本组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。,1,、铁素体（,ferrite,）,碳在,-Fe,中的间隙固溶体,，用符号,“,F”,(,或,),表示，体心立方,(BCC),晶格；,BCC,的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有,0.0218%(727,时,),，室温时几乎为,0,，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。,性能,:,塑性、韧性好，而强度、硬度低。,=30%50%,，,A,KU,=128160J ,b,=180280MPa,，,HBS5080,。,注,:,延伸率,:,试样拉伸断裂后标距段的总变形,L,与原标距长度,L,之比的百分数：,=L/L100%,反应塑性,.,A,KU,冲击吸收功,:,指规定形状和尺寸的试样在,冲击试验,力一次作用下折断时所吸收的功,反应韧性,。,b,强度极限,:,物体在外力作用下发生破坏时出现的最大,应力,;,硬度,:,金属材料表面抵抗其它更硬物体压人的能力。布氏硬度,(HBS,或,HBW),、洛氏硬度,(HRA,、,HRB,、,HRc),、维氏硬度,(Hv),及肖氏硬度,(HS),铁素体的显微组织与纯铁相同,，用,4%,硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。,2,、奥氏体（,Austenite,）,奥氏体是,碳在,-Fe,中的间隙固溶体,，,用符号,“,A”,（或,）表示,，面心立方晶格；,FCC,的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，,最多有,2.11%(1148,时,),，,727,时为,0.77%,。,性能,:,在一般情况下，,奥氏体是一种高温组织，,稳定存在的温度范围为,7271394,，故奥氏体的硬度低、塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁”正是这个意思。,b=400MPa,，硬度,170220HBS,，,=40%50%,。,另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。,奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，显微组织为多边形晶粒，晶粒内常可见到孪晶（昌粒的平行的直线条）,.,3,、渗碳体（,Cementite,）,渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的,金属化合物，,用化学分子式“,Fe,3,C,”,表示。它的碳质量分数,Wc=6.69,，熔点为,1227,，,质硬而脆，耐腐蚀。用,4%,硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用,4%,苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。,渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。,珠光体中片状渗碳体 过共析钢中网状渗碳体,片状珠光体显微组织,球状珠光体显微组织,4,、珠光体（,Pearite,）,由,铁素体和渗碳体组成的机械混合物,，用符号“,P,”,表示，珠光体是奥氏体冷却时，在,727,发生共析转变的产物，碳质量分数平均为,Wc=0.77%,。显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织，高碳钢经球化退火后也可获得球状珠光体（也称粒状珠光体）。,性能：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好,b=770MPa,、,180HBS,、,=20%35%,、,AKU=2432J,。,5,、莱氏体（,Ledeburite,）,由,奥氏体和渗碳体组成的机械混合物,。莱氏体是碳的质量分数,Wc=4.3%,的铁碳合金冷却到,1148,时共晶转变的产物，存在 于,1148727,之间的莱氏体称为,高温莱氏体，用符号“,Ld”,表示,，组织由奥氏体和珠光体组成；存在于,727,以下的莱氏体称为,变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号“,Ld,”,表示,，组织由,渗碳体和珠光体,组成。,性能：莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，几乎为零,。,铁碳合金,相图,Fe-Fe,3,C,相图,铁和碳形成一系列化合物，如,Fe,3,C,、,Fe,2,C,、,FeC,等，有实用意义并被深入研究的只是,Fe-Fe,3,C,部分，通常称其为,Fe-Fe,3,C,相图，此时相图的组元为,Fe,和,Fe,3,C,。,由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在,5%,以下，因此成分轴为,06.69%,。,所谓的铁碳合金相图实际上就是,Fe-Fe,3,C,相图。,Fe,3,C,Fe,2,C,FeC,温度,Fe,C,(6.69%C),组元：,纯铁、渗碳体,基本相：,高温铁素体（,）、铁素体（,）、奥氏体（,）,基本组织：,珠光体（,P,）、莱氏体（,Le/Le,）,1,、特征点,Fe,T,Fe,3,C,A,N,B,G,P,E,S,C,D,F,L,K,Q,J,H,特征线,液相线,ABCD,，,固相线,AHJECF,三条水平线：,727,Fe,T,Fe,3,C,A,N,B,G,P,E,S,C,D,F,L,K,j,其它相线,GS,线,:,自,中开始析出,的临界温度线，叫,A,3,线,。,ES,线,:,碳在,中的固溶线，叫,Acm,线,。,二次渗碳体：碳含量大于,0.77%,的铁碳合金自,1148,冷却到,727,的过程中，从,中析出的渗碳体，用,Fe,3,C,表示，,Acm,线即为从,中开始析出,Fe,3,C,的临界温度线。,PQ,线,:,碳在,中的固溶线,。,三次渗碳体：从碳含量大于,0.008%,的铁碳合金自,727,冷至室温的过程中，,从,中析出的渗碳体，用,Fe,3,C,表示，,PQ,线为从,中开始析出,Fe,3,C,的临界温度线。,Fe,T,Fe,3,C,A,N,J,B,G,P,E,S,C,D,F,L,K,H,Q,Fe-Fe,3,C,相图分析,相图中的五个单相,(,区,),三个三相区,1,、液相,L,2,、,相，又叫高温铁素体,3,、,相，又叫铁素体,(F,),4,、,相，又叫奥氏体,(A,),5,、,Fe,3,C,相，化合物相,+,Fe,T,Fe,3,C,L,+L,+,L+,L+Fe,3,C,+Fe,3,C,+Fe,3,C,A,N,J,B,G,P,E,S,C,D,F,L,K,L+,、,L+,、,L+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,HJB(L+,+,),、,ECF(L+,+Fe,3,C),、,PSK,(,+,+Fe,3,C),三条水平线,七个两相区,:,包晶反应：,L,B,+,H,J,共晶反应：,L,C,E,+Fe,3,C,共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，叫,莱氏体,，以,Le,表示，莱氏体中的渗碳体叫共晶渗碳体。,共析反应：,As,P,+Fe,3,C,共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，叫,珠光体,，以,P,表示，珠光体中的渗碳体叫共析渗碳体。,1495,1148,727,珠光体的强度高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,+,Fe,T,Fe,3,C,L,+L,+,L+,L+Fe,3,C,+Fe,3,C,+Fe,3,C,包晶点,:1495,共晶点,:1148,共析点,:727,A,N,J,B,G,P,E,S,C,D,F,L,K,总 结,在,铁碳合金,中有,三个相，,即,铁素体,(F,或,),、奥氏体（,A,或,),和渗碳体,(Fe,3,C),。,但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的,。,另：这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成,珠光体（,P=,F+Fe,3,C,）,和莱氏体（,Ld=,A,E,+Fe,3,C,),。,铁碳相图,