金属材料的凝固与固态相变.ppt

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1、第二章 金属材料的凝固与固态相变,2.1 金属的结晶 1.结晶的概念 金属从液态转变为晶态固体的过程称为结晶。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。理论结晶温度T0或熔点是固态和液态的能量相等的温度。,理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用T表示。T=T0Tn 冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。过冷是结晶的必要条件,2.金属的结晶过程 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。,晶核的形成 1）自发形核 从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成

2、的结晶核心叫做自发晶核。2）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。,图2-5 金属结晶示意图,晶体的长大 1）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。,2）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。,树枝状长大,3.影响形核和长大的因素,成核速率N 为单位时间单位体积形成的晶核数（个/m3s),长大速度G为单位时间晶体长大的长度（m/s)。（1）过冷度的影响 随着过冷度的增加,形核速率和长大速度均会增大。当过冷

3、度进一步增大时，成核速率增大更快，因而比值N/G也增大,结果使晶粒细化。（2）难熔杂质的影响 增加晶核的数量，使晶粒细化。,4.晶粒大小及控制,（1）晶粒度的概念 晶粒度是晶粒大小的确量度。用单位体积中晶粒的数目Zv或单位面积上晶粒的数目Zs表示，也可以用晶粒的平均线长度（直径）来表示。Zv=0.9(N/G)3/4 Zs=1.1(N/G)1/2 在一般情况下,形核速率越大,长大速度越小，晶粒越小,则金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。（2）晶粒大小的控制 1）增大过冷度 2）变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和

4、改善组织。,5.同素异构转变 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。,铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理改性的内因和依据。同素异构转变是在固态下完成的，也是通过形核、长大来完成的。称为重结晶。,2.2 合金的凝固2.2.1 二元合金相图与凝固 相图是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，也称为平衡图或状态图。,1.匀晶相图,（1）相图分析 Al1B线为液相线，Aa1B为固相线，图中有两个单相区和一个双相区（L+相区）。以点成分的CuNi合金（Ni的质量分数为b%）为例分析结晶过程。,（2）平衡结晶过程分析 1）结晶过程包括

5、生核与长大，但固溶体更趋向于树枝状长大。2）结晶是在一个温度区间内进行的。在两相区内，液相的成分沿液相线朝低温方向变化，固相的成分沿固相线朝低温方向变化。当温度一定时，两相的成分是确定的。3）获得成分均匀的固溶体。,（3）杠杆定律 当温度一定时，两相的成分是确定的,根据质量守恒,有:QL+Q=1 QLX+QX=K 求解方程得：QL=XK/XX;Q=KX/XX;KXQL=XKQ 式中，QL为液相的相对质量；Q为相的相对质量；运用杠杆定律时要注意，它只适用于相图中的两相区。,（5）枝晶偏析 固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。,2.共晶相图(1)

6、相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（L、）；三个两相区（L+、L+、+）；一条三相(L+)共存线（水平线dce）。dce为共晶线（c点为共晶点）。Lc d+e,共晶反应所生成的两相机械混合物叫共晶体。成分在de之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。,df线为相的固溶线。温度降低，固溶体的溶解度下降。从固态相中析出的相称为二次，常写作,即。,TC,(2)合金的平衡结晶过程 1)共晶合金(合金)的结晶过程,共晶合金组织的形态,合金的室温组织全部为共晶体；由和两相组成。,冷却到1点温度后,发生共晶反应全部转变为共晶体(+)。从共晶温度冷

7、却至室温时,共晶体中的 析出,中析出。但共晶体的形态和成分不发生变化。,2)亚共晶合金(合金)的结晶过程,1点,L;1点 2点,L;2点 2点,Lc(d+e);此时,合金转变为+(d+e)2点 3点,;合金的室温组织:+(+),合金的组成相:和。,过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，室温组织为+(+)。合金的组成相为和。,k点以左合金的结晶过程为：1 2点,L;2 3点,;3 4点,;室温组织为+II。,3)k点以左和h点以右的合金的结晶过程,3.包晶相图及其他相图（1）包晶相图,铁碳合金相图的包晶部分中合金I的结晶过程：合金冷却到AB时结晶出 固溶体,相成分沿 AH线变化,L相成分沿AB

8、线变化。合金冷到HJB温度时,相的成分到达H点,L相的成分到达B点而发生包晶反应：LB+H AJ 反应结束后,形成J 点成分的A 固溶体。,TJ,（2）及其他相图 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。共析产物比共晶产物细密得多。,2.2.2 合金的性能与相图的关系,1.合金的使用性能与相图的关系 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和物理性能与成分呈直线关系变化。,2.合金的工艺性能与相图的关系,铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组织时变形抗力

9、小，变形均匀，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时。,2.2.3 铸锭(件)的凝固 把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做铸造。,1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整个铸锭明显地分为三个各具特征的晶区。细等轴晶区 在铸锭的表层形成的一层厚度不大、晶粒很细的区域。柱状晶区 粗等轴晶区,2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图 1.铁碳合金的相结构与性能,（1）铁素体（F或）碳在Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。,（2）奥氏体（A或）碳在Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格。奥氏体的强度

10、较低，硬度不高，易于塑性变形。（3）渗碳体（Fe3C）化合物相，有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体硬度高（800HBW），塑性差，脆性大。,2.相图分析,五个单相区、七个两相区和三个三相区。,相图中重要的点和线 C点为共晶点，ECF为共晶线 S点为共析点，PSK为共析线 GS线 ES线,相图中重要的点和线,C点为共晶点，ECF为共晶线。合金在平衡结晶过程中冷却到1148时，C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。，成分在此线的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。,共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏体，以符号Ld表示。在显微

11、镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。,S点为共析点,PSK为共析线.合金在平衡结晶过程中冷却到727时，S点成分的A发生共析反应，成分在PSK的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。,共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，以符号P表示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。珠光体的强度很高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其力学性能如下：抗拉强度（b）770 伸长率()20%30%冲击韧度(k)31054105 J/m2 硬度（HB）180,GS线 是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。ES线 碳在A

12、中的固溶线，通常叫做Acm线。A Fe3C。HJB为包晶线 成分在此线的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。PQ线 碳在F中的固溶线。F Fe3C。,2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变,根据FeFe3C相图，铁碳合金可分为三类：1)工业纯铁wc 0.0218%2)钢0.0218%wc 2.11%3)白口铸铁2.11%wc 6.69%,工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强度低、硬度低、不宜用作结构材料。,1.钢的平衡结晶过程(1)共析钢wc=0.77%,共析钢的室温组织组成物全部是P，而组成相为F和Fe3C，它们的质量分数为：,2.亚共析钢0.0218%wc 0.77

13、%,以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例(如右图）;含0.4%的亚共析钢的组织组成物为F和P，它们的质量分数为：,此种钢的组成物为F和Fe3C,它们的质量分数为：,亚共析钢的碳含量可由其室温平衡组织来估算。：wc=P%0.77%,3.过共析钢,以碳质量分数为1.2%的铁碳合金为例（如右图）。,含wc 1.2%的过共析钢的组成物为F和Fe3C；组织组成物为Fe3C和P，它们的质量分数为：,4.白口铸铁的结晶 共晶白口铸铁室温平衡组织为Ld，由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成，而组成相还是F和Fe3C。亚共晶白口铸铁的室温平衡组织为P+Fe3C+Ld。过共晶白口铸铁的室温平衡组织为Fe3C+

14、Ld。Fe3C呈长条状。白口铸铁室温平衡组织中含有莱氏体（Ld），硬度高、脆性大，应用较少。,1.含碳量对组织的影响 铁碳合金在室温下的组织皆由F和Fe3C两相组成。随碳含量的增加，F的含量逐渐变少，Fe3C的含量逐渐增加。随碳含量增加，组织按下列顺序变化：F、F+P、P、P+Fe3C、P+Fe3C+Ld、Ld、Ld+Fe3C、Fe3C,2.3.3 含碳量对铁碳合金组织性能的影响,2.含碳量对力学性能的影响 随碳含量的增加，硬度呈直线关系增大。强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，强度增大。到约wc 0.9%时，Fe3C沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。随碳含量的增大，塑性、韧性连续下降。,2

15、.3.4 Fe-Fe3C相图的应用 1.在钢铁材料选用方面的应用,建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，选用低碳钢。机械零件需用强韧性较好的材料,选用中碳钢。工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选高碳钢。纯铁磁导率高，矫顽力低，作软磁材料，例如做电磁铁的铁心等。白口铸铁硬度高、脆性大，难切削，不能锻造，但耐磨性好，铸造性能优良，用作耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、犁铧等。,2.在铸造工艺方面的应用 根据FeFe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上100左右。,3.在热缎、热轧工艺方面的应用 一般始缎温度为11501250，终缎温度为800850。,4.在热处理

16、工艺方面的应用 对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据FeFe3C相图确定的。,2.4 钢在加热时的转变 2.4.1 钢在实际加热时的转变点,钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如AC1、AC3、ACcm等；把冷却时的临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。,2.4.2 奥氏体的形成过程及影响因素 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。,1.奥氏体的形成过程,形核 奥氏体的晶核优先在F/Fe3C的界面上形成。晶核长大 依靠铁、碳原

17、子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体而进行的。,残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部分未溶的渗碳体随着时间的延长而溶入到奥氏体，直至全部消失。成分均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的成分是不均匀的，只有延长时间才能获得均匀化的奥氏体。亚共析钢的加热过程：F+P A+F A 过共析钢的加热过程：P+Fe3C A+Fe3C A,2.奥氏体形成的影响因素,（1）加热温度和加热速度（2）原始组织（3）合金元素,不完全奥氏体化,完全奥氏体化,奥氏体晶粒的长大及影响因素,1.晶粒大小及表示方法 奥氏体晶粒大小对冷却后的组织和性能影响很大。根据Hell-Petch公式:晶粒大

18、小采用与标准评级图相比较的方法来评定晶粒大小的级别。通常将晶粒大小分为8级，通常14级为粗晶粒，58级为细晶粒。,2.奥氏体晶粒度的概念 表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。将钢加热到93010，保温38h后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小在5级以上，则称为本质细晶粒钢。,加热速度 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度越高，可获得细小的起始晶粒。钢的化学成分 碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。合金元素Ti、V、Nb等，当其形成弥散稳定的碳化物，阻碍晶界的迁移，得到细晶粒奥氏体。Mn和P是促进奥氏体晶粒长大的元素。,3.奥氏体晶粒大小的控制 加热温度与

19、保温时间 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，因为这与原子扩散密切相关。,热处理时常用的冷却方式有两种:(1)是等温冷却；(2)是连续冷却。,2.5 钢在冷却时的转变,2.5.1 过冷奥氏体等温转变图,（1）在A1以上：奥氏体稳定区。（2）在A1以下转变开始线以左：为过冷奥氏体区。（3）转变开始线与转变终了线之间：过冷奥氏体转变区。上半部转变为珠光体，下半部转变为贝氏体。（4）Ms、Mf：分别为的开始温度线和转变终了线。之间为奥氏体向马氏体转变区。,1.含碳量的影响,亚共析钢和过共析钢的C曲线与共析钢的C曲线不同。在于分别在其上方多了一条过冷奥氏体转变为铁素体的转变开始线和过冷奥氏体

20、析出二次渗碳体的开始线。共析钢的过冷奥氏体最稳定。,2.合金元素的影响,3.奥氏体化状态的影响,过冷奥氏体连续冷却转变曲线,共析钢连续冷却时没有贝氏体形成（无贝氏体转变区）。,连续冷却转变曲线（CCT曲线）。图中Ps和Pf线分别表示珠光体转变的开始和终了线；KK线是珠光体转变终止线。共析钢以大于VK的速度冷却时，得到的组织为马氏体，这个冷却速度称为上临界冷却速度。冷却速度小于VK时，钢将全部转变为珠光体，为下临界冷却速度。,过冷奥氏体的转变产物及性能 1.珠光体组织 共析成分的奥氏体在A1550温度范围内等温停留时，将发生珠光体转变，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物-珠光体。,珠光体的组

21、织有两种形态：一种是片状珠光体；另一种是球状或粒状珠光体。,图2-59 片状珠光体组织,图2-60 粒状珠光体组织,片状珠光体中，按片间距的大小可将其分为三类：A1650之间形成的片层较粗的珠光体，称为珠光体“P”；650600之间形成的片层较细的珠光体，称为索氏体“S”；600550之间形成的片层极细的珠光体，称为托氏体“T”。,片状珠光体的性能主要取决于珠光体的片层间距。片层间距越小，则强度和硬度越高。形成粒状珠光体，渗碳体的颗粒越细小，则钢的强度硬度越高。在相同硬度下，粒状珠光体比片状珠光体的综合力学性能优越得多。,珠光体型组织,2.马氏体转变 马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏体是碳

22、在Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方结构(abc)。具有非常高的强度和硬度。所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。,1.马氏体的组织形态 钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体。wc在0.25%以下时，基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体。当wc 1.0%时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏体）。片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。,板条马氏体,片状马氏体,2.马氏体的力学性能 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的增加而升高。马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结

23、构。在相同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。,3.马氏体转变的主要特点 无扩散性 转变前后没有化学成分的改变。转变是在一个温度范围内进行的 马氏体转变是在MsMf的温度范围内进行的。转变不完全 仍会保留一定的奥氏体，这称之为残余（留）奥氏体，常用Ar表示。,3.贝氏体转变 贝氏体转变是过冷奥氏体在“鼻子”温度至Ms点范围内进行的转变，又称为中温转变。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。,上贝氏体 共析钢上贝氏体大约在550（“鼻子”温度）至350之间形成。光学显微镜观察，典型上贝氏体组织形态呈羽毛状。,下贝氏体 共析钢下贝氏体大约在350至Ms之间形成。光学显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。,(3)贝氏体的力学性能 上贝氏体的强度和韧性均差。下贝氏体不仅强度高，而且韧性也好，表现为具有较好的综合力学性能，是一种很有应用价值的组织。,冰花,