第3章 北大.ppt

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1、机械工程材料第三章 材料的凝固与铁碳合金相图 第一节 二元合金的结晶 第二节 二元合金相图 第三节 合金的性能与相图的关系 第四节 铁碳合金相的结晶机械工程材料第一节 二元合金的结晶 一. 凝固与结晶 二. 晶粒大小及控制方法 三.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 常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好，即细晶强化。晶粒大小与金属强度的关系单晶叶片s= i+Kd-1/2室温高温机械工程材料 一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。金属在固态下通常都是晶体，所以金属

2、自液态冷却转变为固态的过程，称为金属的结晶。它的实质是原子从不规则排列状态(液态)过渡到规则排列状态(晶体状态)的过程。玻璃制品水晶机械工程材料 冷却曲线与过冷 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. 纯金属的冷却曲线机械工程材料 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。雾凇机械工程材料 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

3、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。机械工程材料2、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T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大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。机械工程材料 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

4、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。均匀形核机械工程材料 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. 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。机械工程材料树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶机械工程材料3.1.2 晶粒大小及控制方法 1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。 工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。l标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过1

5、00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 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。过冷度对N、G的影响l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。l单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。lN/G比值越大，晶粒越细小.因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒.机械工程材料3、控制晶粒度的方法 控制过冷度： 随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。 变质处理： 又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。机械工程材料 1 影响晶核形成和长大的因素 (1)过冷度的

6、影响(2)未熔杂质的影响 2 铸态金属晶粒细化的方法 (1)增大过冷度 (2)变质处理 (3)振动、搅拌机械工程材料Al-Si合金组织缓冷快冷未变质变质机械工程材料铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理后变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。机械工程材料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，使晶核数目显著增加。机械工程材料气轮机转子的宏观组织(纵截面)细晶的熔模铸件(上)普通铸件(下)机械工程材料3.1.3 金属铸态组织 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

7、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。机械工程材料 图3-4 钢锭组织的示意图（1表面细晶粒层；2柱状晶粒区；3心部粗等轴晶粒区机械工程材料 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。 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:机械工程材料 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。机械工程材料 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

8、至实际结晶温度T1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。机械工程材料图3-6 铸锭中强度较差的区域机械工程材料l3.1.4、铸造缺陷l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。缩孔机械工程材料图3-7 圆柱形铸件中缩孔的形成机械工程材料 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，张开的气铸件中的气孔孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。缩松机械工程材料 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

9、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返 回机械工程材料第二节 二元合金相图 1、二元相图的建立 2、相组成分析与杠杆定律 3、二元相图的基本类型 4、二元匀晶相图 5、二元共晶相图 6、二元包晶相图 7、具有共析反应的二元相图 8、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. 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。相图通常以温度和成分为独立变量。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一系

10、列不同成分的合金。l组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。l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。Cu-Ni合金相图L成分（wt %Ni）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二元相图三元相图机械工程材料 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）。

11、 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。3.2.1 二元相图的建立 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。机械工程材料 图3-8 用热分析法测定CuNi相图 机械工程材料 3.2.2 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

12、应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。12t机械工程材料 杠杆定律示意图机械工程材料 则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得l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。l 确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为1，液相重量为QL，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

13、于两相区。 例（如图）机械工程材料Cu-Ni合金的平衡组织 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。机械工程材料 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。l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。机械工程材料 合金的结晶过程 除纯

14、组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。l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LL+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金成分3上来。l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。机械工程材料3.2.3 二元相图的基本类型l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。l以Cu-Ni合金为例进行分析。 Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图1、二元匀晶相图机械工程材料 相图由两条线构成，上面是液

15、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+ ）。 LL+成分（wt%Ni）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)。l 枝晶偏析机械工程材料 枝晶偏析对材料的力学性能、耐腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温(低于固相线100左右)，并进行长时间保温

16、，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体，这种处理称为扩散退火。机械工程材料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。Pb-Sn合金相图成分（wt%Sn）温度（）PbSn机械工程材料 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。AB机械工程材料 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。 固溶

17、体的溶解度随温度降低而下降。l 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。AB机械工程材料在一定温度下，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：LE (C + D)AB机械工程材料 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共晶组织共晶体长大示意图Sn原子扩散Pb原子扩散机

18、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。l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+CDAB机械工程材料 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机械工程材料 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机械工程材料 由于二次相析出温度较低

19、，一般十分细小。室温下的相对重量百分比为：l由 析出的二次 用 表示。l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。机械工程材料 合金室温组织为 + 。l成分大于 D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为 + 。ABCDEFG机械工程材料 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) 。19.2wt%Sn温度, 1机械工程材料层片状(Al-CuAl2定向凝固) 条棒状(Sb-MnSb横截面)螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织 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。机

20、械工程材料 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)机械工程材料 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。Pb-Sn共晶合金组织试问：室温下两相的相对重量百分比是多少？机械工程材料 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

21、, 此时两相的相对重量为：机械工程材料 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：机械工程材料 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+ (+) + 。亚共晶合金的结晶过程机械工程材料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Pt-Ag相图为例简要分析L+L+L +l 相图分析l单相区：L、l二相区：L+、 L+、+l三相区：L+ （水平线PDC）机械工程材

22、料在一定温度下，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：c+Lde 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。机械工程材料 共析转变也是固态相变。4、具有共析反应的二元相图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。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。 分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区 相区接触法则相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定 液相线以上为液相区；5、二元相图的分析步骤F

23、e- Fe3C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； 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；l 相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；l 相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。Cu-Zn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 区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。l 三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。Fe-Fe3C相图机械工程材料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

24、+ 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机械工程材料3.3 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机械工程材料 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 +HBQ (Q 、Q为两相相对重量)机械工程材料 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。 形成稳定化合物的合金： 性能-成分曲线出现拐点。机械工程材料2合金的工艺性能与相图的关系 机械工程材料固溶体合金液固相线间距越大、

25、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， 铸造性能好机械工程材料3.4 铁碳合金的结晶 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。机械工程材料 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（6.69%）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。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 机械工程材料3.4.1 纯铁的组织和

26、性能 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变化称为同素异构转变（又称同素异晶转变） -Fe 1394 -Fe 912 -Fe 体心立方） （面心立方） （体心立方）机械工程材料1. 纯铁的同素异构转变机械工程材料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.机械工程材料2. 纯铁的组织、性能和用途 工业纯铁常含有0.10%0.20%的杂质，室温下的组织为100%的-Fe，具有体心立方

27、结构，其显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 (Rm =180230MPa，ReL=100170MPa)；塑性、韧性很好(A3050，Z7080，AK160200J)；HBW=5080 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 与纯铁很相似，是强度和硬度低（Rm250MPa，HBW=80）、塑性好（A=4550%，Ak=160J） 铁素体l1 铁素体l碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。 机械工程材料 2 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

28、时最大为2.11%。l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.l碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体机械工程材料 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低（800HBW），Rm=30MPa, 脆性大, 塑性几乎为零lFe3C是亚稳相，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。l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。 铸铁中的石墨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，在显微镜下呈白亮色。它的显微个组织形态很多，可呈片状、

29、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影响。 一次渗碳体：Fe3C直接从液体中结晶出来，呈板条状分布。 二次渗碳体：Fe3C从奥氏体中析出，并沿奥氏体晶界呈网状分布。 三次渗碳体：Fe3C从铁素体中析出，并沿铁素体晶界呈薄片状分布。机械工程材料 共晶渗碳体 莱氏体中的渗碳体。 共析渗碳体 珠光体中的渗碳体。 上述渗碳体并无本质区别，其含碳量、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

30、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， 其性能与渗碳体相似，硬度很高（700HBW），强度较低，塑性、韧性很差。所以既不能压力加工，也不能进行且削加工，是白口铸铁的基本组织，得不到广泛应用 机械工程材料名称符号综综合类类型Rm/MPaHBWA/%Ak/J铁铁素体F碳在-Fe中的固溶体（体心立方晶格）2508010045160奥氏体A碳在-Fe中的固溶体（面心立方晶格）4001602004050渗碳体Fe3C铁铁和碳的化合物（复杂杂立方晶格）308000珠光体P铁铁素体和珠光体的共析体（机械混

31、合物）7501802432莱氏体Ld渗碳体和奥氏体的共晶体（机械混合物）700表3-3 铁碳合金基本组织的力学性能机械工程材料3.4.3 铁碳合金相图的分析LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 机械工程材料 特征线 液相线ABCD， 固相线AHJECF 三条水平线： 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。莱氏体机械工程材料 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L+L+ L+ Fe3C

32、+ + Fe3C + F+ Fe3Cl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 。机械工程材料 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。机械工程材料 三个三相区：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C)三条水平线 l 相区l 五个单相区： L、Fe3C l 七个两相区: L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C 机械工程材料 典型合金的平衡结晶过程 钢(0.02182.11%C)高温组织为单相

33、亚共析钢 (0.02180.77%C) 共析钢 (0.77%C) 过共析钢 (0.772.11%C)l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁机械工程材料 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)机械工程材料 1)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Fe3C。NSJBHL+ 机械工程材料 随温度下降，Fe3C

34、量不断增加，合金的室温下组织为F+ Fe3C。 室温下Fe3C最大量为: l从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。机械工程材料 共析钢的结晶过程 l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。机械工程材料 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：l珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。lS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.珠光体Q机械工程材料 室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？Q43219机械工程材料 亚共析钢的结晶过程 0.090.

35、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Fe3C，由于与共析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计. 机械工程材料 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： S机械工程材料 室温下相的相对重量百分比为：l室温下组织组成物的相对重量百分比为：S机械工程材料 亚共析钢室温下的组织为F+P。 在0

36、.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钢的组织机械工程材料机械工程材料 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。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3C表示, 其沿晶界呈网状分布.l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。机械工程材料 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：含1.4%C钢的组织机械工程材料 室温下两相的相对重量百分比：l室温下两组织组成物的相对重量百分比

37、：12345S机械工程材料 5) 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.Fe3C机械工程材料 共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:lC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。12Fe3C机械工程材料 温度降到2点, 成分达到0.77%, 此时, 相的相对重量: l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。S机械工程材料 共晶白口铁室温组织为Le (

38、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： 机械工程材料 6) 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。机械工程材料 亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Le。 室温下组织组成物相对重量百分比为 ：ECFD1234N试问室温下相的相对重量百分比?机械工程材料 7) 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。DFK3Fe3

39、C124机械工程材料 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。 DFK3Fe3C124机械工程材料 6. 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Fe3C钢 铁分 类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体机械工程材料 2 含碳量对碳钢力学性能的影响机械工程材料 含碳量对力学性能

40、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。 C=0.77%时，组织为P, 钢的性能即P的性能。 C0.9%，Fe3C为晶界连续网状，强度下降, 但硬度仍上升。 C2.11%，组织中有以Fe3C为基的Le，合金太脆。机械工程材料 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: 第六章介绍铸造焊缝组织模锻切削加工的基本形式车刨钻铣磨返 回机械工程材料 组织组成物与相组成物标注区别主要在+ Fe3C和+Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组

41、织组成物区。l 组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C + Fe3C机械工程材料FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ FALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度机械工程材料本 章 小 结 金属材料是目前应用最广泛的工程材料。金属结晶的基本规律是研究金属内部组织转变的基础。结晶过程中形核长大的概念及结晶的规律，在固态相变中具有重要意义。二元合金是最简单、最基本的合金。铁碳合金是工业中应用最广泛最重要的工程材料，铁碳相图是研究铁碳合金的成分、相和组织及其性能之间关系的重要工具。本章主要讲述了合金的基本结构及相关强化的概念、成分与性能的关系以及匀晶、共晶和包晶相图分析方法，铁碳合金的基本组织组成物和相组成物的概念、力学性能、组织与性能间的关系以及铁碳相图的应用