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1、2.1纯金属的结晶,一次结晶：金属从液体转变为固态(晶态) 的过程。 二次结晶（重结晶）：金属从一种固体晶态转变为另 一种固体晶态的过程。,广义上讲 结晶过程：金属从一种原子排列状态转变为另 一种原子排列状态(晶态)的过程。,1.纯金属结晶的条件,2.1.1纯金属的结晶条件,图 纯铜的冷却曲线,冷却曲线：液体金属在结晶时时间-温度的曲线。,de段正在结晶，ef段表示金属全部转为固态晶体后，晶体逐渐冷却。,条件2： (自由能差)FA (建立同液体相隔的晶体 界面而消耗的能量),图 金属在聚集状态时自由能 与温度的关系的示意图,条件1：存在一定的过冷度,在恒温条件下，只有那些引起体系自由能降低的过
2、程才能自发进行。,包括生核与长大两个过程。,2.纯金属结晶的过程,自发生核,这种从液体结构内部由金属本身原子长出的结晶核心叫做自发晶核。,非自发生核,依附于杂质而生成的晶核叫做非自发晶核。,长大,图 晶体平面长大示意图,平面长大,图 晶体树枝长大示意图,树枝长大,2.1.2同素异构转变(二次结晶或重结晶),同素异构转变：金属在固态下随温度改变从一种 晶格转变为另一种晶格的过程。,-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀。,图 纯铁的冷却曲线,2.1.3细化铸态金属晶粒的措施,细晶强化：使晶粒细化，以提高金属机械性能的方法。,1.增大金属的过冷度,成核速率N：单位时间单位体积形成的晶核数。 长大速度
3、G：单位时间晶核长大的长度。,TN,G 但N增大的速度比G快，结果使晶粒细化。,图 N、G与T的关系,2.变质处理,3.振动,4.搅拌,变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒，改善组织。,变质剂的作用：(1)增加晶核的数量 (2)阻碍晶核的长大,2.1.4铸锭的结构,细等轴晶区,柱状晶区,粗等轴晶区,2.铸锭的缺陷：缩孔、疏松、气孔,1.铸锭的结构,2.1.5单晶的制取 （1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。 （2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson L
4、earning is a trademark used herein under license.,2.2合金的结晶,表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图,合金的结晶通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。,什么是相图？(phase diagram),相图的制作过程四步：,1. 配制一系列成分的合金 如：(1) 100%Ni+0%Cu (2) 80%Ni+20%Cu (3) 60%Ni+40%Cu (4) 40%Ni+60%Cu (5) 20Ni%+80%Cu (6) 0%Ni+100%Cu,2.测出上述合金的冷却曲线,3.根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点,4.
5、将这些临界点标在相图坐标系中的相应位置上，最后把各意义相同的临界点连起来。,相图的制作,P14,2.2.1 匀晶相图(Cu-Ni),1. Cu-Ni合金的结晶过程,L,L+,纯金属为恒温结晶,2. 匀晶结晶的特点(5个特点),生核,长大,(3) 在两相区内，温度一定时，液相和固相的成分是确定的 。,确定相成分的方法： 过指定温度T1作水平线，分别交液相线和固相线于a1点、c1点,随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,求a1点、c1点在成分轴上的投影点即为液相L和固相的成分。,到温度T2时，L相成分及相成分分别为a2、c2在成分轴上的投影。,2. 匀晶结晶的特点(5个特点
6、),(4) 在两相区内，温度一定时，两相的质量比是确定的,2. 匀晶结晶的特点(5个特点),杠杆定律的证明,设合金的总量为Q合金，其中Ni的质量分数为b，在T1温度时，L中的质量分数为a，中的质量分数为c,T1,合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+ 中含Ni的质量,联合求解上述两式,合金中液相和固相在合金中所占的相对质量。,bc长度代表液相的质量。 ab长度代表固相的质量。,ac长度代表合金的质量。,(5) 固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体 。,枝晶偏析：一个晶粒内化学成分不均匀的现象。,2. 匀晶结晶的特点,组织组成物：指合金组织中
7、那些具有确定本质，一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或两相混合物。,亚共析钢：( 铁素体)F+（珠光体）P,在显微镜下，白色为F和黑色为P,F,P,相图的种类,相图的种类,(1)匀晶相图,(2)共晶相图,(3)包晶相图,(4)共析相图,(5)含有稳定化合物的合金的结晶相图,(2)共晶相图(eutectic phase diagram),Pb-Sn(铅-锡)合金相图,一种液相,固相1,固相2,恒温,共晶反应,(3)包晶相图(peritectic phase diagram),Pt-Ag（铂-银）合金相图,一种液相 + 固相,另一种固相,恒温,包晶反应,(4)共析相图(eut
8、ectoid phase diagram),共析相图,一种固相,固相1,固相2,恒温,共析反应,(5)含有稳定化合物的合金的结晶相图,Mg-Si合金相图,2.2.2 合金的性能与相图的关系,合金的使用性能与相 图的关系,合金的工艺性能与相图的关系,图 合金的使用性能与相图的关系,图 合金的工艺性能与相图的关系,2.2.3 铁碳合金的结晶,1.铁碳相图,图 铁碳合金的各种化合物,图 铁碳相图,图 标注组织的铁碳相图,(1)铁碳合金中的组元,(2)铁碳合金中的相(5种）,相(铁素体，用符号F或表示),碳在 -Fe铁中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。 室温时碳质量分数为：0.0008% 600时碳质量
9、分数为：0.0057% 727时溶碳量最大，碳质量分数为：0.0218% 机械性能：强度低、硬度低、塑性好,(3)相图中重要的点（J、S 、C ）,J为包晶点、S为共析点、C为共晶点,珠光体P：共析反应的产物，是铁素体与渗碳体的共析混合物,珠光体机械性能：强度较高、塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,P中的渗碳体为共析渗碳体，呈窄条状。,Le中的渗碳体为共晶渗碳体，块状。,莱氏体Le：共晶反应的产物，是奥氏体与渗碳体的共晶体混合物,(4)相图中重要的线,ABCD:液相线,AHJECF:固相线,(4)相图中重要的线,HJB:包晶反应线： w(C)=0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过
10、程中均发生包晶反应。,ECF:共晶反应线： w(C)=2.11%6.69%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共晶反应。,PSK:共析反应线，A1线： w(C)=0.0218%6.69%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共析反应。,(4)相图中重要的线,ES:碳在A中的固溶线，Acm线： E点1148时 A中的溶碳量：2.11% S点727 A中的溶碳量： 0.77% 从1148冷到727 ，将从A中析出Fe3C(析出的渗碳体称二次渗碳体， Fe3C),GS:A中析出F的临界线，A3线,(4)相图中重要的线,P点727时 F中的溶碳量：0.0218% 室温时F中的溶碳量： 0.0008% 从727冷
11、到室温，将从F中析出Fe3C(析出的渗碳体称三次渗碳体， Fe3C),PQ:碳在F中的固溶线,图 铁碳相图,5个单相区： L Fe3C,7个双相区： L + L + L +Fe3C + +Fe3C + +Fe3C,3条三相线： 包晶反应线HJB: L+A 共晶反应线ECF: L+A+Fe3C 共析反应线PSK: A+ F+Fe3C,F、Fe3C、P机械性能比较,2.典型铁碳合金的平衡结晶过程,根据Fe-C相图，铁碳合金可分为三类：,工业纯铁w(C)0.0218%,钢0.0218% w(C) 2.11%,白口铸铁2.11% w(C) 6.69%,亚共析钢0.0218% w(C) 0.77% 共析
12、钢w(C) =0.77% 过共析钢0.77% w(C) 2.11%,亚共晶白口铸铁2.11% w(C) 4.3% 共晶白口铸铁w(C) =4.3% 过共晶白口铸铁4.3% w(C) 6.69%,工业纯铁的平衡结晶过程,L,纯铁：显微组织：F,F,共析钢的平衡结晶过程,L,共析钢：（珠光体）P,在显微镜下，珠光体的形态呈层片状。,P,亚共析钢的平衡结晶过程,L,亚共析钢：( 铁素体)F+（珠光体）P,在显微镜下，白色为F和黑色为P,F,P,过共析钢的平衡结晶过程,L,过共析钢：（珠光体）P+Fe3C,在显微镜下，白色网状为,Fe3C,Fe3C,P,纯铁： F,室温显微组织,亚共析钢： F+P,共
13、析钢： P,过共析钢： P+Fe3C,共晶白口铁组织： Le即（P+ Fe3C） +Fe3C ）,亚共晶白口铁组织：P+Fe3C +Le,过共晶白口铁组织：Fe3C +Le,铁素体(F)：也叫相，是碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。,高温莱氏体(Le)：奥氏体与渗碳体的共晶(两相)混合物。,渗碳体(Fe3C) ：一种金属化合物。,奥氏体(A)：也叫相，是碳在-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。,珠光体(P)：铁素体与渗碳体的共析(两相)混合物。,低温莱氏体(Le)：珠光体与渗碳体的两相混合物。,3. 铁碳合金的成分-组织-性能的关系,硬度：主要决定于Fe3C的含量w(C)Fe3C、F
14、硬度,塑性：全部由F提供 w(C)F塑性,强度：主要看P与组织形态,过共析钢之后， Fe3C沿晶界出现，强度提高缓慢 ， w(C) 约为0.9%时， Fe3C 沿晶界形成网状，强度迅速降低。,w(C) 0.9%之后， w(C) 强度,亚共析钢： w(C) P 强度,4. Fe-Fe3C相图的应用,(1)在选材方面的应用,(2)在铸造方面的应用,浇注温度的确定：液相线以上50 100 铸造性能：纯铁、共晶白口铁铸造性能最好，因为凝固温度区间最小，流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件。,(3)在热锻、热轧方面的应用,(4)在热处理工艺方面的应用,开始热锻、热轧的温度：固相线以下100 200
15、终止热锻、热轧的温度 亚共析钢：GS线以上一点，以免变形时出现大量的F，形成带状组织而使韧性下降。 过共析钢：PSK线以上一点，以便打碎网状的Fe3C,热处理工艺参数，如加热温度的确定。,2.4钢的热处理,热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。 热处理可以大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能。,热处理工艺曲线的示意图,常见的热处理方法,2.4.1钢在加热时的转变,大多数热处理工艺（如淬火、正火、退火等）都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化。,1.奥氏体的形成,对于加热：非平衡条件下的相变温度高
16、于平衡条件下的相变温度； 对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。 这个温差叫滞后度。加热转变 过热度， 冷却转变 过冷度，且加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大，导致热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。,钢在加热和冷却时的相变临界点,实际相变温度与理论转变温度之间的关系,2.影响奥氏体形成速度的因素,1. 加热速度的影响 加热速度越快，奥氏体化温度越高，过热度越大，相变驱动力也越大；同时由于奥氏体化温度高，原子扩散速度也加快，提高形核与长大的速度，从而加快奥氏体的形成。 2. 化学成分的影响 钢中含碳量增加，碳化
17、物数量相应增多，F和Fe3C的相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。 钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温时间也较长。 3. 原始组织的影响 钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多，越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状P比粒状P的奥氏体形成速度快。,3.奥氏体晶粒大小及其影响因素,奥氏体的晶粒度及其分类 起始晶粒度 实际晶粒度
18、本质晶粒度 影响奥氏体晶粒大小的主要因素 加热温度和保温时间 钢的化学成分,标准晶粒度等级,标准晶粒等级,实际晶粒度,钢在加热时所获得的实际奥氏体晶粒的大小 实际晶粒度决定钢的性能。,本质晶粒度,钢加热到93010、保温8小时、冷却后测得的晶粒度 表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向 本质细晶粒钢 本质粗晶粒钢,本质细晶粒钢M和本质粗晶粒钢K晶粒长大示意图,2.4.2 钢在冷却时的转变,等温处理,连续冷却,1.过冷奥氏体的等温转变,高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体 。,共析钢过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体等温转变曲线,高温转变,在A1550
19、 之间，过冷奥氏体的转变产物为珠光体组织。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，温度越低，层间距越小。习惯上分为珠光体、索氏体和屈氏体。,珠光体组织特征图,中温转变,在550 Ms之间，过冷奥氏体的转变产物为贝氏体组织。贝氏体是碳化合物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素体机体上的两相混合物。,贝氏体形成示意图,上贝氏体：550 350 ,上贝氏体组织金相图,下贝氏体：350 Ms,下贝氏体组织金相图,过冷奥氏体连续冷却转变曲线,2.4.3 钢的普通热处理,一、钢的退火与正火 二、钢的淬火 三、钢的回火,1.退火,钢的退火 完全退火 等温退火 球化退火（不完全退火） 去应力退火,完全退火,加热温度：A
20、c3以上20-30度 组织：P+F 目的： 细化，均匀化粗大、不均匀组织 接近平衡组织调整硬度切削性 消除内应力 应用范围：亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。,等 温 退 火,加热温度：Ac1以上10-20度，或Ac3以上30-50度 组织：P 目的： 与完全退火、球化退火相同 更均匀的组织和硬度 显著缩短生产周期 应用范围：高碳钢，合金工具钢，高合金钢。,球化退火（不完全退火）,加热温度：Ac1以上20-40度 应用范围：过共析钢，共析钢 组织：球状P（F+球状FeC3） 目的： 使FeC3球化HRC，韧性切削性 为淬火作准备,T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,过共析钢球化退火
21、组织,2.退火和正火的选择,（1）从切削加工性上考虑 切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。 一般金属的硬度在HB170230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。表3-4列出了各种碳钢在退火与正火后的硬度值。可见，对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。 （2）从使用性能上考虑 如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械
22、性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。 （3）从经济上考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。,3.淬火,淬火的目的 钢的淬火工艺 钢的淬透性,淬火的目的,为了获取组织，它是强化钢材最主要的热处理方法。,钢的淬火工艺,淬火加热温度的选择 淬火冷却介质 淬火方法,淬火加热温度的选择示意图,淬火理想的冷却速度,淬火方法,单液淬火法 双液淬火法 马氏体分级淬火法 贝氏体等温淬火法,各种淬火方法示意图,钢的淬透性,淬透性的概念 淬透性表示的是钢在淬火时所能得到的淬硬层深度 淬硬性指的是钢在淬火能达到的最高硬度。
23、影响淬透性的因素 化学成分 奥氏体化温度 淬透性的表示方法及应用,钢的淬透性曲线,淬透性不同的钢调质后机械性能,a) 全淬透 b) 未淬透,4.钢的回火,什么是钢的回火及回火的目的 淬火钢在回火时组织和性能的变化 回火的方法及应用,钢的回火及回火的目的,回火的概念: 将淬火钢重新加热到A1点以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。 回火的目的: 1改变强度、硬度高，塑性、韧性差的淬火组织。 2使不稳定的淬火组织M和残余A转变为稳定组织，保证工件不再发生形状和尺寸的改变。 3消除淬火内应力，防止进一步变形、开裂。 钢淬火后一般都必须进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和寿命。,淬火钢回
24、火时组织和性能的变化,1.淬火钢回火时组织的变化 80200，发生马氏体的分解 200300发生残余奥氏体分解 250400，马氏体分解完成 400以上回复与再结晶 2.淬火钢回火时性能的变化,回火的方法及应用,（1）低温回火 回火温度范围150250。得到的组织：回火马氏体。内应力和脆性降低，保持了高硬度和高耐磨性。 这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为HRC 58-64。 （2）中温回火 回火温度范围为350500，回火后的组织为回火屈氏体，硬度HRC35-45，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服极限。 这种回火主要应用于含
25、碳0.5-0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。 （3）高温回火 回火温度范围为500650，回火后的组织为回火索氏体，其硬度HRC 25-35，具有适当的强度和足够的塑性和韧性。 这种回火主要应用于含碳0.3-0.5% 的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。 淬火后高温回火称调质处理。 应用：在冲击负荷下工作的重要结构零件，连杆，螺栓，齿轮及轴类,2.4.4 钢的表面热处理,钢的表面淬火 表面处理的具体工艺 钢的化学热处理具体工艺,钢的表面淬火,表面淬火概念及应用 快速加热使钢的表面奥氏体化后淬火冷却，获得表层硬而耐磨的M组织，心部仍保持原来的组织。 应用：中碳钢
26、和中碳低合金钢 表面淬火特点 a. 加热速度快 (几秒几十秒) b. 加热时实际晶粒细小，淬火得到极细马氏体，硬度，脆性 c. 残余压应力提高寿命 d. 不易氧化、脱碳、变形小 e. 工艺易控制，设备成本高 表面淬火方法 1. 感应加热表面淬火 2. 火焰加热表面淬火 3.接触电阻加热表面淬火,表面处理的具体工艺,火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火,火焰加热表面淬火示意图,感应加热表面淬火,感应加热表面淬火示意图,2.4.5 钢的化学热处理,钢的渗碳 气体渗碳 固体渗碳 钢的氮化 碳氮共渗,钢的化学热处理具体工艺,什么是化学热处理 钢制工件放置于某种介质中，通过加热和保温，使化学介质中某些元素渗入到工件表层，从而改变表层的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与机械性能。 钢的渗碳 渗碳是把钢放在渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的过程 气体渗碳 固体渗碳法 钢的氮化（气体氮化） 在一定温度(一般在AC1以下)使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺 目的： 提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度 钢的碳氮共渗 在一定温度下同时将碳、氮原子渗入工件表层的奥氏体中,并以渗碳为主的化学热处理工艺。 中温气体碳氮共渗 低温气体碳氮共渗（气体软氮化）,钢的气体渗碳,钢的固体渗碳,