机械工程材料第二章.ppt

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1、材料的凝固,第三节 纯金属的结晶 第四节 合金的结晶 第五节 铁碳合金相图,第三节 纯金属的结晶,一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程,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。,一、结晶与凝固的区别 凝固：LS S可以是非晶态或晶态 结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为 另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过 程. 一次结晶：LS晶态 二次结晶：SS晶态,二、冷却曲线与过冷,最常用的是热分析法。,二、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

2、水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。 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T0(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T0以下的实际 结晶温度下才能进行。,雾凇,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 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,结晶驱动力 F0，而不是过冷度T,结晶必要条件 固态自由能低于液态，有过冷度。,二、结晶的一般过程,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

3、. 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，称为晶坯。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。,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。 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。,自发形核,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。,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,

4、实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且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,*晶轴晶核形成后会长大，但各方向速度不一样，会形成晶轴，晶轴有一次晶轴，两次晶轴等，呈树枝状长大。,树枝状结晶,金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大，一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬度也越高，塑性韧性也越好。晶核越多，晶粒越细。 细化铸态金属晶粒的主要途径： 1.加快冷却速度，以增加晶核； 2.变质处理，以增加外来晶核 3.振动或搅拌 另外，还可用热处理，或压力加工的方法细化固态金属的晶粒。,4、金属晶

5、粒的大小与控制,第四节 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 1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、二元共析相图 三、相图与合金性能之间的关系,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Fe3C。,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。,相图表示了在缓冷条件下不同成分合

6、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。,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。,一、二元相图的建立,二、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

7、,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+ ）。, 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 t1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,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t3时，最后一滴L3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

8、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。, 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x1、x2即分别为液相和固相的成分。,则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。, 确定两平衡相的

9、相对重量 设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。,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）,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)。, 枝晶偏析,在一个枝晶范围内或一个晶粒范

10、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。,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。, 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。 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

11、Sn中的固溶线。 固溶体的溶解度随温度降低而下降。, 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。,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：LE (C + D),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。,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

12、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。, 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。,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。,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

13、量增加。,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 + 。, 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：LE (C+D) 。,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：,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。, 亚共晶合金(合金)的结晶过程 合金液体在2点

14、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QE =QL 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+ (+) + 。, 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+(+)+。,Pb-Sn合金的结晶过程,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

15、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）,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：LC+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。, 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,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+ Fe3C 。,4、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

16、时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。,(奥氏体，铁素体，Fe3C渗碳体),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,三、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:

17、性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值。, 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。, 相图与铸造性能的关系,固溶体合金液固相线间距越大、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。,第五节 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： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6

18、.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- Fe3C相图。,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%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,铁素体, 组元：Fe、 Fe3C 相 铁素体： 碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 表示。, 奥氏体: 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A表

19、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, 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C表示。 Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零,Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+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Fe3C或石墨的形式存在。,二、铁碳合金相图的分析, 特征点, 特征线 液相线ABCD， 固相线AHJECFD 三条水

20、平线： HJB：包晶线LB+H J ECF：共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是 与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体, 用Le表示。为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而脆。,莱氏体,PSK：共析线 S FP+ Fe3C 共析转变的产物是 与Fe3C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A1线 。, 其它相线 GS,GP 固溶体转变线, GS又称A3 线。 HN,JN 固溶体转变线， ES碳在 -Fe中的固溶线。又称Ac m线。 PQ碳在-Fe中的固溶线。, 三个三相区：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+

21、 Fe3C)三条水平线, 相区 五个单相区： L、Fe3C 七个两相区: L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C,三、典型合金的平衡结晶过程, 钢(0.02182.11%C)高温组织为单相 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。, 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

22、在1-2点间转变为，3-4点间，5-6点间。到7点，从中析出Fe3C。,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： SP+Fe3C, 全部转变为珠光体。,共析钢的结晶过程,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Fe3C，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？, 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

23、 。,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Fe3C，由于与共析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计.,亚共析钢的结晶过程,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%=QP),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百分比为：,室温下组织组成物的相对重量百分比为：,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。, 过共析钢的结晶过程 合金在12点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏体中

24、析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3C表示, 其沿晶界呈网状分布.,温度下降, Fe3C量增加。到4点， 成分沿ES线变化到S点，余下的 转变为P。,过共析钢室温组织为P+ Fe3C 。 Fe3C量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3C量最大：,室温下两相的相对重量百分比：,室温下两组织组成物的相对重量百分比：, 共晶白口铁的结晶过程 合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状.,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Fe3C。 Fe3C与共晶Fe3C 结合，不易分辨。,温

25、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 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体, 用Le表示. 2 点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。,共晶白口铁的结晶过程,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。 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Fe3C，一次的Fe3C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+Fe3C+Le。 室温下组织组成物相

26、对重量百分比为 ：,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Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳体，用 Fe3C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。,2点以下, Fe3C成分重量不再发生变化, Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3C+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：, 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，Fe3C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Fe3C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: 共晶合金好 热处理性能: 第六章介绍,