合金的相结构和二.ppt

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1、1,第二节 纯金属的结晶,凝固与结晶的概念结晶的现象与规律同素异晶(构)转变金属的铸锭组织,2,一、凝固与结晶的概念,1.凝固 物质由液态转变成固态的过程。,2.结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。,3,研究目的：铸造生产过程直接影响机件的晶体质量。而铸态组织（凝固得到）也影响工件锻造、轧制的各种性能。,4,1、金属的结晶（1）结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。或从原子的近程有序排列过渡到远程有序排列。从广义上讲，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡到另一种原子排列状态（晶态）的转变均属结晶。,5,故金属从液态过渡为固体晶态的转变为一次结晶；而金属

2、从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变为二次结晶。（2）理论结晶温度：原子由近程有序到远程有序排列共存的固定温度（Tm）。纯金属都有一定的熔点，在熔点温度时液体和固体共存。因此，金属熔点又称平衡结晶温度或理论结晶温度。,6,二、结晶的现象与规律,一）.结晶的一般过程1）纯金属结晶时的冷却曲线,7,将待测的纯金属在坩埚内加热熔化，用热电偶测温，然后停止加热缓慢冷却。每隔一段时间记录一次温度。用所得数据绘制液态金属在冷却时的温度和时间的关系曲线，称此曲线为冷却曲线。,图3-21 热分析装置示意图,9,2）.结晶潜热 通过冷却曲线可以看出，当液态金属下降到一定温时，在冷却曲线上出现了平台。产生这种现象

3、的原因是液态金属结晶时释放出了热量，称此热量为结晶潜热。冷却曲线上往往会出现一个平台，这是由于液态金属结晶时放出的潜热与散失的热量相等，使得坩埚内的温度保持不变。,10,如图，金属冷到低于平衡结晶温度（T1）后才开始结晶，有一过冷度T（T=T1 T0）。在平衡结晶温度下，液态金属与其晶体处于平衡状态。这时，液体中的原子结晶为晶体的速度与晶体溶入液体的速度相等。从宏观上看，既不结晶也不溶解。只有冷到低于理论结晶温度T0才能有效地进行结晶。,11,过冷现象 过冷度 T=T0 T1过冷是结晶的必要条件。,12,二).结晶的一般规律,形核长大,13,实践证明，结晶总是从形成一些微小的晶体（晶核）开始，

4、然后晶核不断长大；同时液体中不断产生新的晶核并不断长大，直到每个晶粒长大到相互接触、液体消失为止结晶的普遍规律（形核长大）(图)。,图3-23 结晶过程示意图,15,形核、长大,16,1.形核 液态金属中原子排列呈现短程有序，这些短程有序的原子团尺寸各异，时聚时散，称为晶胚。当晶胚的尺寸大于某一临界值时，晶胚就能自发地长大而成为晶核。,17,形核方式 液态金属结晶时，有两种形核方式：一种是均匀形核，另一种是非均匀形核。晶核形成的形式:*自发形核 T=200*非自发形核 T=20 形核率 是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用N表示。,18,2.长大 结晶过程的进行一方面要依靠新晶核连续

5、不断地产生，另一方面还要依靠巳有晶核的不断长大。,19,长大方式 晶核长大初期外形比较规则，但随着晶核的长大，晶体形成棱角。由于棱角处散热速度快，因而优先长大，如树枝一样先形成枝干，称一次晶轴，然后再形成分枝，称为二次晶轴，依此类推。晶核的这种成长方式称为树枝状长大(图）。长大速率:是指单位时间内晶核生长的线长度。用G表示。,20,晶核的长大方式树枝状,21,晶核的长大方式树枝状,22,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,23,3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素,过冷度的影响,未熔杂质的影响,24,过冷度的影响,25,形核率和长大速率都随过冷度的增大而增大。但两者的增加速

6、率不同，形核率的增长率大于长大速率的增长率，如图所示。在通常金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，则N/G比值越大，因而晶粒越细小。,26,三）细化晶粒的途径人们通常希望金属材料晶粒细小均匀，因为晶粒越小，材料的强度越高，塑性和韧性越好。晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。晶粒的大小取决于形核率和长大速率的相对大小，即N/G比值越大，晶粒越细小。可见，凡是能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。,27,1）提高冷却速度,晶粒细小,2）变质处理,3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,在工业生产中通常采用如下几种方法：,28,提高冷却速度增加过冷度的方法是提高液态金属的

7、冷却速度。例如，选用吸热和导热性较强的铸型材料（用金属型代替砂型）；采用水冷铸型；降低浇注温度等。但这些措施只对小型或薄壁的铸件有效,29,2.变质处理 是在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。例如在铝和铝合金以及钢中加入钛、锆等。但是铝硅合金中加入钠盐不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的长大来细化合金晶粒。,30,3.振动、搅拌 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可依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。在实际生产中，液态金属被注入到铸型模具中成型得到铸件，若注入铸造模具中而得到铸锭。,31,有些金属如F

8、e、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型性。当外部的温度和压强改变时，这些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为同素异构转变，又称为多晶型转变。,第三节 金属的同素异构转变,32,例如，纯铁在912C以下是体心立方晶体，在912C-1394C之间是面心立方晶体，而在1394C和1538C（熔点）之间是体心立方晶体。纯铁的同素异晶转变反应式:,33,当发生多晶型转变时，材料的许多性能如密度、塑性、强度、磁性、导电性等将发生突变。多晶型转变对于材料能否通过热处理来改变其性能具有重要的意义。,35,纯铁的冷却曲线,1394,1534,912,-Fe,-Fe,-Fe,36,

9、五、金属的铸锭组织 1.铸锭(件)三晶区的形成 不论是铸件，还是铸锭,其宏观组织通常由三部分组成(图3-28)：,图3-28 铸锭组织示意图 1-表面细晶粒区；2-柱状晶粒区；3-中心等轴晶粒区,38,1.1 表层细晶区 在浇注时，由于铸型模壁温度较低，有强烈地吸热和散热作用，使靠近模壁的一层液体产生很大的过冷度，加上模壁的表面可以作为非均匀形核的核心，因此，在此表层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长，而形成表面很细的等轴晶粒区。,39,1.2 柱状晶区 在表层细晶区形成后，型壁被熔液加热至很高温度，使剩余液体的冷却变慢，并且由于细晶区结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷度减小，

10、使继续形核变得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。但是，此时热量的散失垂直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向，晶体才能得到优先生长，即已有的晶体沿着与散热相反的方向择优长而形成柱状晶区。,40,1.3 中心等轴晶区 柱状晶区形成时也释放大量潜热，使已结晶的固相层温度继续升高，散热速度进一步减慢，导致柱状晶体也停止长大。当心部液体全部冷至实际结晶温度Tm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。,41,2.铸锭组织的控制 合金的铸锭一般都具有明显的三个晶区，但当浇注条件发生变化时，其三个晶区所占的比例也往往不同,甚至获得只由两个晶区或一个晶区所组成的铸锭。,42,通常有利于柱

11、状晶区发展的因素有：快的冷却速度、高的浇注温度、定向的散热等。而有利于等轴晶区发展的因素有：慢的冷却速度、低的浇注温度、均匀散热、变质处理以及一些物理方法（如机械或电磁的搅拌、超声波振动等）。,43,第四章 合金的相结构和二元合金相图,第一节 概述 纯金属虽然具有良好的导热性导电性和很好的塑性，但强度低，如纯铁屈服强度仅有100-170MPa，纯铝也仅有45-50MPa，远远不能满足大多数工程需要，必须要通过合金化（金属中加入别的金属元素或/和非金属元素）来提高其机械性能.,44,二、合金的晶体结构,（一）、合金的基本概念 由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物

12、质，称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况组织所决定的。,45,（二）、合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。1、固溶体 合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶

13、体。,46,不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。,47,固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。2、金属化合物 金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化

14、合物，它具有复杂的晶格形式。金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。,48,第三节 二元合金相图 合金的性能与合金中各组元相互作用而形成的相的种类、性能以及各相的形态、分布等有关。合金的平衡组织可以从合金相图中分析得到。基本的相图类型可分为匀晶相图、共晶相图、包晶相图，共析相图等。

15、,49,合金在成分、温度变化时，其状态可能发生变化。合金相图就是用图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系。由于相图是在极其缓慢的冷却条件下测定的,又称为平衡相图。,50,根据相图可以了解不同成分合金在温度变化时的相变及组织形成规律。二元相图都是由一种或几种基本类型的相图组成的。基本类型的二元相图有：匀晶、共晶和包晶相图。,51,1.二元合金相图的建立 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种。但目前使用的相图绝大部分都是通过实验测定方法获得的。例如热分析法。以Cu-Ni合金为例来说明相图的建立方法及主要步骤(图)：,52,53,热 分 析 法,54,配制一系列成分的合金(例如，30%N

16、i+70%Cu;50%Ni+50%Cu;70%Ni+30%Cu)；测出上述合金的冷却曲线；根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点；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联起来。,56,图4-9 用热分析法建立二元Cu-Ni相图,57,2.匀晶相图与合金组织 匀晶相图是指两组元在液态和固态均能无限互溶时形成的相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Ag-Au、W-Mo以及陶瓷材料中的Al2O3-Cr2O3相图。下面以Cu-Ni合金相图为例进行分析。,58,2.1.相图分析,图4-10 Cu-Ni相图,Cu、Ni代表二个组元。tA纯组元Cu的熔点；tB纯组元Ni的熔点；tA

17、mtB线液相线，在液相线以上为液相区，为均匀液体，用L表示；tAntB线固相线，在固相线以下为固相区，为均匀固溶体，用表示。在液相线与固相线之间为L+两相区。,59,2.2 合金平衡结晶过程 合金结晶过程冷却曲线如图4-11所示。当合金从高温缓慢冷却至与液相线相交的t1温度时，开始从液相L1中结晶出成分为1的固溶体。随着温度的下降，固溶体相不断增多，液相不断减少，并且固溶体相的成分沿着固相线变化，液相的成分沿着液相线变化。,60,当冷却至t2温度时，固溶体2和液相L2达到平衡。当合金由t2冷至t3时，液相消失，结晶完毕，得到成分为3的单相固溶体。当合金继续冷至室温过程中，不再发生相和成分的变化

18、。所以合金在室温下的组织为单相固溶体。,61,图4-11 合金冷却曲线及组织形成示意图,62,2.3.合金非平衡结晶过程 在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，固溶体中原子扩散过程不能充分进行。因此先结晶的枝晶主轴含高熔点组元较多，后结晶的分枝含低熔点组元较多。这种在一个枝晶范围内成分不均匀的现象叫枝晶偏析，或晶内偏析(图4-13，4-14)。,63,晶内偏析的存在将使合金的塑性、韧性显著下降。因此通常把具有晶内偏析的合金加热到高温进行长时间的保温，使合金元素进行充分的扩散来消除枝晶偏析，称这种处理为扩散退火。,64,图4-13 枝晶偏析示意图,图4-14 枝晶偏析组织（铝镁铸造合金，因成分偏

19、析而呈不同颜色）,65,3.共晶相图（两组元在液态无限互溶，固态有限互溶）3.1.相图分析,66,1.三个单相区:液相区L 固相区 固相区。2.这三个相两两组合,形成三个两相区:(L+)(+)(L+)。3.三相区已经缩成一条连接三个单相区的水平线MEN,又称共晶反应线。4.液相线AEB，将液相区L 与其它相区隔开。5.固相线AMNB,将固相区,和(+)与其它相区隔开。,67,6.MF 代表固溶体的溶解度(最多可溶解的溶质百分量,与温度有关)曲线,NG 代表固溶体的溶解度曲线。7.共晶反应线MEN中，E点为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于E以左，M

20、点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于E点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。具有一定成分的液体（LE）在一定温度（共晶温度）下同时析出两种成分的固溶体（M+N）称为共晶反应，即 LE-M+N,68,结晶产物为共晶体。共晶体的显微组织特征是两相交替分布，其形态与合金的特性及冷却速度有关，通常呈片层状。,69,3.2.典型合金平衡结晶过程及组织,70,。,1.含Sn量小于M点的合金（以合金I为例）。合金在12点间的结晶过程与匀晶相图上的固溶体结晶完全相同。在23点之间得到均匀固溶体。当合金冷到3点温度以下，由于固溶体的溶度超过了它的溶解度限度，将从固溶体中开始析出第二相-固溶体，优先沿晶界或晶内呈

21、点状分布。随着温度继续降低的析出量逐渐增多。这种从固溶体中析出的相，称二次固溶体（以区分从液相中析出的固溶体），记为II。,合金I,L,71,最终的室温显微组织为+II,72,共晶合金,2.共晶合金(成分为E点)在E点以上合金为液体。当合金缓慢冷却到tE时，发生共晶转变，LE M+N（LE指成分为E点对应的成分的液相，依此类推）,从液相中同时同地析出和固溶体，转变产物为这两相的机械混合物。,L,73,室温组织为100%的共晶体。,74,1,2,3.亚共晶合金 以合金III为例。合金自1点开始结晶出固溶体。随着温度继续降低，相的浓度沿固相线变化，L相浓度沿液相线变化。当合金冷却到2点时，剩余液相

22、的浓度已达到E点的成分，在恒温下按共晶反应形成共晶体。同理，合金自2点温度冷至室温过程中自固溶体中 也会析出II，故合金的室温显微组织为+(+)+II（在图中呈黑色）。,合金III,75,室温显微组织为+(+)+II（在图中呈黑色）。其中，、(+)、II 均称为合金的组织组成物，是合金显微组织的独立部分。这种标注方法阐明了合金的具体结晶过程，反映了相的析出顺序。,76,4.包晶相图与合金组织（略）两组元在液态无限互溶，在固态下有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图。例如二元合金系Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等。,77,这类相图的特点是，相图上有一恒温反应(图4

23、-14):LC+p D 即在一定温度下,由一定成分的液相LC与一定成分的固相p转变为另一种固相D。由于两相反应从相界面处开始，即D相必然包着p相形成，故称包晶反应。相图及合金结晶过程分析方法均与上述方法类似。,78,这类相图的特点是，相图上有一恒温反应(图4-14):LC+p D 即在一定温度下,由一定成分的液相LC与一定成分的固相p转变为另一种固相D。由于两相反应从相界面处开始，即D相必然包着p相形成，故称包晶反应。相图及合金结晶过程分析方法均与上述方法类似。,图4-14 包晶相图,79,第五章 铁碳相图,第一节 概述工程材料中又以钢铁（铁碳合金）材料应用最广。钢铁中含碳量其室温平衡组织和性

24、能有巨大影响。前一章介绍了二元相图的几种基本类型。由于铁碳合金是应用最多的工程材料，下面将学习Fe-C相图。,80,Fe-C相图,(6.69%C),81,Fe-C相图很复杂，但实用的部分只06.69%C(重量百分比)的部分，如图5-1所示。其中右端（6.69%C）是属化合物Fe3C。我们来分析这部分相图（这段相图称为Fe-Fe3C相图）。就只是这部分相图，也由三个基本类型的相图组成：,82,1.包晶相图部分（区域很小，且无实际意义，通常忽略其作用）；2.共晶相图部分；3.共析相图部分(这种相图类型类似共晶相图,但母相是固相而非液相。后面将近一步学习)。,83,共晶相图部分,84,共析相图部分,

25、85,第二节 Fe-Fe3C相图的组元和基本相1.组元 Fe-Fe3C相图顾名思义其组元一为Fe(纯铁),二为Fe3C(此处又叫渗碳体)纯铁:纯铁熔点为1538，具有同素异构转变，-Fe-Fe-Fe。固态下的同素异构转变与液态结晶相似，也要经历形核和长大过程。为了与液态结晶相区别，将这种固态下的相变过程称为重结晶。低温下的铁具有铁磁性，770以上铁磁性消失。,86,渗碳体：具有复杂的斜方结构，无同素异构转变，属于硬脆相。它的数量、形状、分布对钢的性能影响很大，是钢中的主要强化相。,87,2.基本组织(除液相外),1).铁素体(F)碳固溶于体心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体，用或者F表示。碳

26、在其中的固溶度很小，最大溶解度是727时的0.0218%，因此相区在相图中区域很小。,88,高温铁素体：碳固溶于体心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体，用表示。碳在其中的固溶度也很小，最大溶解度是1495时的0.09%，因此相区在相图中区域也很小。,89,2).奥氏体(A)碳固溶于面心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体，用或者A表示。碳在其中的固溶度较大，最大溶解度是1148时的2.11%，因此相区在相图中区域较大。,90,奥氏体组织金相图,91,3)渗碳体(Fe3C)铁与碳形成的金属化合物。它既可作为组元，也是钢中的一类重要的基本相。,92,渗碳体组织金相图,93,4)珠光体(P),铁素体和

27、渗碳体组成的机械混合物。,94,5).莱氏体(Ld),奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。,95,铁素体,奥氏体,高温铁素体,渗碳体,钢中的基本相,96,97,第三节 铁碳相图,一、铁碳相图分析1、相图中点的含义,98,2.五个单相区(,液相L，及Fe3C）和七个两相区；3.固相线AHJECF,液相线ABCD；4.三条水平线（恒温转变线）：HJB水平线（包晶反应线）ECF水平线（共晶反应线）PSK水平线（共析反应线）5.三条曲线 GS线 ES线 PQ线,99,五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:EF、ES、GS、FK。两个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式。两个重要温度:11

28、48、727。,100,Fe-Fe3C 相图,101,Fe-Fe3C 相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+Fe3C,6.69%C,(A+Fe3C),Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+Fe3C,(F+Fe3C),P,P+F,P+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,P+Ld+Fe3C,K,共晶相图,共析相图,匀晶相图,(P+Fe3C),102,Fe-Fe3C 相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,6.69%C,Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,P,Ld,K,(P+Fe3C),P

29、+Ld+Fe3C,Ld+Fe3C,P+F,P+Fe3C,(F+Fe3C),A+Fe3C,L+Fe3C,(A+Fe3C),103,104,二、铁碳合金的分类 铁碳合金根据其含碳量可分为碳钢和铸铁。碳钢是指含有0.022.11C的铁碳合金。铸铁是指含大于2.11C的铁碳合金。,105,按钢中含碳量的不同：碳钢又分为亚共析钢(含有0.020.77C)，共析钢(含有0.77C)和过共析钢(含有0.772.11C);铸铁又分为亚共晶白口铁(含有2.114.3C)，共晶白口铁(含有4.3C)和过共晶白口铁(含有4.36.69C)。上述不同种类的钢在平衡条件下有不同的相变过程，其室温平衡组织也不同。,106

30、,107,三.典型铁碳合金的结晶过程分析,工业纯铁(ingot iron)共析钢(eutectoid steel)亚共析钢(hypoeutectoid steel)过共析钢(hypereutectoid steel)共晶白口铁(eutectoid white iron)亚共晶白口铁(hypoeutectoid white iron)过共晶白口铁(hypereutectoid white iron),108,109,1.工业纯铁(Wc 0.0218%),110,2.共析钢(Wc=0.77%),111,共析钢在平衡条件下的固态相变及组织（忽略从液相到固相的结晶过程）共析钢（成分为S点共析点对应的成

31、分，0.77%C）在S点温度以上，钢的组织为单相奥氏体。当冷却到S点温度时,奥氏体将发生共析反应，从奥氏体中同时长出交替排列的片层状铁素体和渗体，这种组织称为珠光体。,112,随着温度继续下降，将从铁素体中析出三次渗碳体。由于三次渗碳体数量少，通常可忽略不计。因此，共析钢在室温下的平衡组织为100%的珠光体。,113,在S点发生共析反应：（+Fe3C）,114,共析钢组织金相图,115,3.亚共析钢(Wc=0.45%),116,1,2,2点及2点以下,合金II,亚共析钢在平衡条件下的固态相变及组织 以合金II为例，1点以上为奥氏体。当奥氏体冷到1点温度时，开始析出铁素体。由于析出了含碳量极低的

32、铁素体，使未转变的奥氏体含碳量增加。随着温度的下降，奥氏体的含碳量沿GS 线变化，铁素体的含碳量沿GP 线变化。当合金冷却到2点（共析线上）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析浓度，在恒温下发生共析转变，生成珠光体。因此，亚共析钢室温下平衡组织由铁素体和珠光体构成,其中铁素体和珠光体的比例取决于钢的含碳量,钢的含碳量越高，珠光体所占的比例越大。,117,亚共析钢组织金相图,118,4.过共析钢(Wc=1.2%),119,过共析钢在平衡条件下的固态相变及组织 如图所示，点1以上为奥氏体。当奥氏体冷到1点温度时，开始沿着晶界析出二次渗碳体。由于析出了含碳量极高的二次渗碳体，使未转变的奥氏体含碳量减少。随

33、着温度的下降，奥氏体的含碳量沿ES 线变化。当合金冷却到2点（共析线上）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析浓度，在恒温下发生共析转变，生成珠光体。因此，亚共析钢室温下平衡组织由二次渗碳体和珠光体构成。,1,2,120,过共析钢组织金相图,121,5.共晶白口铁(Wc=4.3%),122,共晶白口铁组织金相图,123,6.亚共晶白口铁(Wc=3.0%),124,亚共晶白口铁组织金相图,125,7.过共晶白口铁(Wc=5.0%),126,过共晶白口铁组织金相图,127,请指出这些铁碳合金在下面相图中的成分位置。,128,四、含碳量对碳钢平衡组织和性能的影响以上分析表明，碳钢在室温下的平衡组织皆由铁素体

34、(F)和渗碳体(Fe3C)两相组成。随着含碳量的增加，碳钢中铁素体的数量逐渐减少，渗碳体的数量逐渐增多，从而使得组织按下列顺序发生变化：F F+P P P+Fe3C II,129,铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相。珠光体由铁素体和渗碳体所组成，渗碳体以细片状分布在铁素体的基体上，起了强化作用，因此，珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。,130,随着含碳量升高，钢的强度、硬度增加，塑性下降。当钢中的含碳量超过1.0%以后，钢的硬度继续增加，而强度开始下降，这主要是由于脆性的二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出所致。,131,硬度随含碳量增加而增加。强度随含碳量增加而增加（到约0.8wt%c达到峰值）

35、。塑性和韧性随含碳量增加而下降。,132,工业纯铁(铁素体组织,不同颜色代表不同位向的晶粒),3、碳钢,133,亚共析钢（0.2%C)(铁素体组织+珠光体两相组织(黑色),134,亚共析钢(0.45%C)(铁素体组织+更多的珠光体组织(黑色),135,共析钢(0.77%C)(几乎100%珠光体组织,在较大的放大倍数下可分辨交替排列的层片状铁素体相和渗碳体相),136,过共析钢(1.45%C)(珠光体组织和沿原奥氏体晶界析出的网状二次渗碳体组织),137,五、Fe-Fe3C 相图的应用,138,建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都

36、较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。纯铁磁导率高，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。,1.选择材料方面的应用,139,2.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50100。,3.在热锻、热轧工艺方面的应用 锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100200范围内，终锻、终轧温度不能

37、过低。亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，过共析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点，一般始锻温度为11501250，终锻温度为800850。,140,4.在热处理工艺方面的应用 FeFe3C相图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。在运用FeFe3C相图时应注意以下两点：FeFe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变化。FeFe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图来分析了。,141,一、常存杂质对碳钢性能的影响 碳钢是

38、指含碳量小于2.11%的铁碳合金，但实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金，除碳以外，还含有少量的锰、硅、硫，磷等，这些元素是从矿石、燃料和冶炼等渠道进入钢中的，这些元素统称为杂质，它们对钢的性能有一定的影响，下面作简要介绍。,第四节 碳 钢,142,(一)锰的影响 锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，锰能够清除钢中的FeO，改善钢的品质，降低钢的脆性；锰还能与硫化合成MnS，消除硫的有害作用，改善钢的热加工性能。在碳钢中含锰量通常在0.25%-0.80%之间，锰的大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体(含锰铁素体)，使铁素体强化；一部分锰也能溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，锰还能增加珠光体的相对量，

39、并使它细化，从而提高钢的强度；当含锰量不多时，对钢的性能影响并不显著。,143,(二)硅的影响 硅也是作为脱氧剂而加入钢中的，在镇静钢中含硅量通常在0.100.40%之间，在沸腾钢中只含有0.03%-0.07%硅，大部分硅溶于铁素体，使铁素体强化，提高了钢的强度及硬度，但塑性、韧性下降。少部分硅存在于硅酸盐夹杂中。当含硅量不多时，对钢的性能影响不显著。,144,(三)硫的影响 硫是在炼钢时由矿石、燃料带进钢中来的，硫不溶于铁，而以FeS的形式存在，FeS与Fe形成低熔点的共晶体，熔点为985，分布在晶界当钢材在1000-1200进行热加工时，共晶体熔化，使钢材变脆，这种现象称为热脆性。为此，钢

40、中含硫量必须严格控制。增加钢中含锰量，可消除硫的有害作用。Mn与S形成熔点为1620的MnS，MnS在高温时有一定的塑性，因此可避免热脆现象。,145,(四)磷的影响 磷是由矿石带到钢中来的，磷在钢中全部溶于铁素体，提高了铁素体的强度、硬度。但在室温下钢的塑性急剧下降，变脆，这种现象称为冷脆性。所以磷是一种有害的杂质，钢中含磷量要严格控制。,146,二、碳钢的分类碳钢的分类方法很多，下面介绍三种：(一)按钢的含碳量分1低碳钢 含碳量0.252.中碳钢 含碳量在0.25%-0.6%之间3.高碳钢 含碳量0.6%,147,(二)按钢的质量分类 主要是根据钢中含有害杂质S、P的多少来分：1普通碳素钢

41、 钢中S，P的含量分别为0.05和0.045。2优质碳素钢 钢中S、P的含量均0035。3高级优质碳素钢 钢中S、P的含量分别0.020和0.030。,148,(三)按用途分类 1碳素结构钢 这类钢主要用于制造各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑等)和机器零件(如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等)，这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。2碳素工具钢 这类钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较高，属于高碳钢。,149,三、碳钢的编号和用途 为了生产、加工处理和使用不致造成混乱，对各种钢材进行命名和编号。(一)碳素结构钢 碳素结构钢是工程中应用最多的钢种,其产量约占钢总产量的70-80。按国家标准GB

42、70088,碳素结构钢分为五类20种，如表所示。,150,碳素结构钢的牌号是以钢材厚度(或直径)不大于16mm钢的屈服点(s)数值划分的，并且还有质量等级和脱氧方法的细划分。表中的符号、代号的意义如下。Q钢屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；A、B、C、D分别为质量等级；F沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母；b半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母，用小写b为便于与质量等级B级相区别；,151,Z镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；TZ特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母。在牌号组成表示方法中，“Z”与“TZ符号予以省略。例如；Q235-AF即表示屈服点数值为235Nmm2的A级沸腾钢。碳素结构钢的机械性能及

43、冷弯试验见表。,152,碳素结构钢的应用：Q195、Q215A、Q215B塑性较高，有一定强度，通常轧制成薄板，钢筋，钢管、型钢等，用作桥梁、钢结构等，也在机械制造中用作铆钉、螺钉、地脚螺栓、轴套、开口销，拉杆、冲压零件等。,153,Q235A、Q235B、Q235C、Q235D强度较高，可用作转轴、心轴、拉杆、摇杆、吊钩、链等。Q255A、Q255B、Q275强度更高，可用作工具：轧辊、主轴、摩擦离合器、刹车钢带等。,154,(二)优质碳素结构钢 这类钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得也较严格，塑性和韧性较高，多用于制造较重要零件。这类钢的编号方法是以平均含碳量万分数表示，例

44、如，平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢，就称为45号钢。优质碳素结构钢的牌号及化学成分、机械性能，见表。,155,(三)碳素工具钢 这类钢的编号方法是在“碳”或“T”后加一数字，数字表示钢的平均含碳量的千分数。例如，碳7(或T7)，碳12(T12)分别表示平均含碳量为0.7 和1.2 的碳素工具钢。碳素工具钢的牌号、化学成分及性能见表5-6。碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后面加一个“高”字或(A)，例如碳12高(或T12A)。,156,1.镇静钢(killed steel)钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧,Wo=0.01%左右,成分较均匀、组织较致密。主要用

45、于机械性能要求较高的零件。2.沸腾钢(boiling steel)钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo=0.03%0.07%,成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧性差,常用于要求不高的零件。3.半镇静钢(balanced steel)半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。,157,第八章 铸铁,第一节 概 述一、铸铁的成分和特性 铸铁是含有碳、硅等的铁碳合金。常用铸铁的成分大致为：C，1.03.0Mn，S。可见，与钢相比，铸铁含C，Si,S,P较多。此外，有时还含有定量的合金元素，如Cr、

46、Mo、V、Cu、A1等。,158,铸铁的强度、塑性、韧性较钢为差，不能进行锻造，但它却具有优良的铸造性能，良好的减摩性、耐磨性、消震性和切削加工性，以及缺口敏感性低等系列优点。再加上生产工艺及设备简单，价格低廉。因些，铸铁广泛应用于机械制造，冶金，石油化工，交通等工业部门。据统计，按重量百分比计算，在农业机械中铸铁件约占40-60；汽车、拖拉机中约占5070；机床中约占60-90。铸铁之所以具有这些特性，除了因为它具有接近共晶的成分、熔点低，流动性好、易于铸造外，还因为它的C、Si含量高，大部分的碳呈游离的石墨状态存在。,159,二、铸铁的石墨化(一)Fe-Fe3C与Fe-C双重相图 实践证明

47、，含C、Si较高的铁水在缓冷时，可自液相中直接析出石墨，渗碳体在高温长时间的停留也能分解为铁的固溶体和石墨；这表明，渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定相。因此，描述铁碳合金的结晶过程应有两个相图，个是Fe-Fe3C相图；一个是Fe-C(石墨)相图,把两者迭合在一起，即为FeFe3C与Fe-C(石墨)双重相图。图中实线表示Fe-Fe3C相图，部分实线再加上虚线表示Fe-C相图。,160,石墨是碳的种结晶形态，具有六方晶格，原子呈层状排列，同一层晶面上碳原子间距为1.42A，相互间呈共价键结合，结合力强。层与层之间的距离为340A，原子间呈分子键结合，结合力较弱。因此，石墨结晶形态常易发展为片状，

48、强度、硬度、塑性极低，石墨的这些特性很大程度地影响着铸铁的性能。,161,(二)石墨化过程 石墨化过程是指铸铁中析出碳原子形成石墨的过程。可将石墨化过程分为：二个阶段。高于共析转变温度的石墨化过程叫石墨化第一阶段。它包括：从过共晶铁水中析出一次石墨，共晶转变中形成的共晶石墨；从奥氏体中析出的二次石墨；由次渗碳体和共晶渗碳体分解析出的石墨以及由于二次渗碳体分解而析出的石墨。低于共析转变温度的石墨化过程叫石墨化的第二阶段。它包括共析转变过程形成的石墨，共析渗碳体分解而形成的石墨以及由铁素体中析出的石墨。,162,三）影响铸铁石墨化的因素因素较多，其中化学成分和冷却速度是影响石墨化的主要因素。1化学

49、成分的影响碳和硅都是强烈促进石墨化的元素碳和硅都是强烈促进石墨化的元素；磷也是促进石墨化的元素，但其作用较弱；硫是强烈阻碍石墨化的元素2冷却速度的影响冷却速度快，铸铁容易产生白口铸铁组织；冷却速度慢，碳原子扩散充分，有利于石墨化过程充分进行，铸铁容易获得灰口铸铁组织。,163,三、铸铁的分类 根据铸铁在结晶过程中石墨化程度的不同，铸铁可分为三大类。(一)灰口铸铁 这类铸铁第一阶段石墨化得到充分进行，绝大部分的碳都以石墨的形态存在，以Fe3C形式 在的碳量不大于0.68，其断口呈暗灰色，工业上所用的铸铁绝大部分是属于这类铸铁。(二)白口铸铁 这类铸铁的石墨化过程全部被抑制，完全按照FeFe3C相

50、图进行结晶，其断口呈银白色，性硬脆，不易加工，直接铸成机械零件使用的很少。,164,(三)麻口铸铁 这类铸铁第一阶段石墨化得到部分进行，第二阶段石墨化未能进行，其组织介于上述二者之间，具有较大的硬脆性，工业上也很少应用。,165,灰口铸铁的性能除与成分及基体组织有关外，还取决于石墨的形状、大小、数量与分布。因 此，灰口铸铁又可按石墨的形状来分类：1、灰铸铁 此类铸铁中石墨呈片状，这类铸铁的机械性能不太高，但生产工艺简单，价廉，在工业上得到广泛的应用。2、可锻铸铁 此类铸铁中石墨呈团絮状，其机械性能较高，但生产周期长，成本高，用来制造一些重要的小件。3、球墨铸铁 此类铸铁中石墨呈球状，机械性能高