第2章2 凝固及相圖1

1、 第第 二二 章章 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu) 金屬的凝固與相圖部分金屬的凝固與相圖部分 教學(xué)要求教學(xué)要求： 本節(jié)是金屬材料的重要理論基礎(chǔ)，要求掌握：本節(jié)是金屬材料的重要理論基礎(chǔ)，要求掌握： 1. 1. 結(jié)晶相變的規(guī)律及其對(duì)材料組織性能的影響；結(jié)晶相變的規(guī)律及其對(duì)材料組織性能的影響； 2. Fe-Fe3C2. Fe-Fe3C相圖分析與應(yīng)用；相圖分析與應(yīng)用； 3. Fe-C 3. Fe-C 合金中含碳量合金中含碳量組織組織性能的關(guān)系。性能的關(guān)系。 2.2 2.2 純金屬的結(jié)晶（純金屬的結(jié)晶（P23)P23) 2.2.1 2.2.1 基本概念基本概念 1. 1. 凝固、結(jié)晶、相變凝固、結(jié)

2、晶、相變 2. 2. 冷卻曲線(xiàn)冷卻曲線(xiàn) 反映合金在結(jié)晶和相變過(guò)程反映合金在結(jié)晶和相變過(guò)程的狀態(tài)的時(shí)間的狀態(tài)的時(shí)間溫度曲線(xiàn)。溫度曲線(xiàn)。 3. 3. 過(guò)冷度過(guò)冷度（T T） T=To-TnT=To-Tn Tn Tn 實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度 ToTo理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度 冷卻速度越大冷卻速度越大,Tn,Tn越低，過(guò)冷度越大。越低，過(guò)冷度越大。2.2.2 2.2.2 結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程結(jié)論：金屬的結(jié)晶過(guò)結(jié)論：金屬的結(jié)晶過(guò)程程形核與長(zhǎng)大形核與長(zhǎng)大過(guò)程過(guò)程金屬液形成晶核晶核長(zhǎng)大形成晶體 1 1、形核形核 當(dāng)液態(tài)金屬過(guò)冷到一定溫度，一些尺寸較當(dāng)液態(tài)金屬過(guò)冷到一定溫度，一些尺寸較大的原子團(tuán)開(kāi)始變得穩(wěn)定成為

3、大的原子團(tuán)開(kāi)始變得穩(wěn)定成為結(jié)晶核心，稱(chēng)為結(jié)晶核心，稱(chēng)為晶核晶核，其過(guò)程稱(chēng)為其過(guò)程稱(chēng)為形核形核。a.a.均質(zhì)形核均質(zhì)形核 液體中時(shí)聚時(shí)散的原子團(tuán)自發(fā)形核。液體中時(shí)聚時(shí)散的原子團(tuán)自發(fā)形核。b. b.異質(zhì)形核異質(zhì)形核 依附于液體中高熔點(diǎn)雜質(zhì)形核。依附于液體中高熔點(diǎn)雜質(zhì)形核。2 2、長(zhǎng)大長(zhǎng)大 液體原子向晶核擴(kuò)散，液體原子向晶核擴(kuò)散， 使晶核尺寸增大的過(guò)程使晶核尺寸增大的過(guò)程。樹(shù)枝狀晶體長(zhǎng)大過(guò)程 3 3、金屬鑄錠的組織、金屬鑄錠的組織冷卻速度對(duì)金屬晶粒度的影響冷卻速度對(duì)金屬晶粒度的影響冷速大冷速大冷速小冷速小孕育處理孕育處理加入人加入人工晶核工晶核晶粒晶粒細(xì)化細(xì)化2.2.3 2.2.3 晶粒大小及其控制

4、晶粒大小及其控制1. 1. 晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響 可用可用 Hell-PatchHell-Patch方程方程說(shuō)明這個(gè)關(guān)系說(shuō)明這個(gè)關(guān)系 s =os =oK .dK .d-1/2-1/2 o. K o. K 均為常數(shù)，均為常數(shù)， d d為晶粒平均直徑。為晶粒平均直徑。 方程說(shuō)明方程說(shuō)明材料強(qiáng)度與晶粒直徑成反比，材料強(qiáng)度與晶粒直徑成反比，晶晶粒越粗大，材料力學(xué)性能越低。粒越粗大，材料力學(xué)性能越低。因此，實(shí)際因此，實(shí)際生產(chǎn)中都力求細(xì)化晶粒。生產(chǎn)中都力求細(xì)化晶粒。2 2 控制晶粒大小的途徑控制晶粒大小的途徑(1)(1) 增大過(guò)冷度增大過(guò)冷度 當(dāng)過(guò)冷度增大，結(jié)晶核心增加

5、當(dāng)過(guò)冷度增大，結(jié)晶核心增加, ,結(jié)晶后晶粒細(xì)。結(jié)晶后晶粒細(xì)。 (2)(2)變質(zhì)處理（孕育處理）變質(zhì)處理（孕育處理） 在液體在液體金屬金屬中加入高熔點(diǎn)細(xì)顆粒中加入高熔點(diǎn)細(xì)顆粒（變質(zhì)劑）（變質(zhì)劑）作為作為異質(zhì)異質(zhì)形核的核心形核的核心。如在鐵水中加入如在鐵水中加入Si-Fe,Mn-Si-Fe,Mn-FeFe作孕育劑可細(xì)化晶粒。作孕育劑可細(xì)化晶粒。(3)(3) 攪拌和振動(dòng)攪拌和振動(dòng) 把樹(shù)枝晶攪斷作為新晶核。把樹(shù)枝晶攪斷作為新晶核。 2.3. 2.3. 合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶2.3.1 2.3.1 合金結(jié)晶的特點(diǎn)合金結(jié)晶的特點(diǎn) 1. 1.結(jié)晶在一個(gè)溫區(qū)而不是一個(gè)溫度進(jìn)行結(jié)晶在一個(gè)溫區(qū)而不是一個(gè)溫度進(jìn)行。

6、如純鐵在如純鐵在15381538結(jié)晶，而含碳結(jié)晶，而含碳0.60.6的的Fe-Fe-C C合金在合金在15001500開(kāi)始結(jié)晶，開(kāi)始結(jié)晶，14301430才結(jié)束。才結(jié)束。 2. 2.結(jié)晶過(guò)程有成分的變化結(jié)晶過(guò)程有成分的變化。 如含如含0.60.6碳的碳的Fe-CFe-C合金，先結(jié)晶的固相合金，先結(jié)晶的固相含碳量低，后結(jié)晶固相含碳量高。含碳量低，后結(jié)晶固相含碳量高。2.3.2 2.3.2 合金結(jié)晶的規(guī)律合金結(jié)晶的規(guī)律相圖相圖相相 圖圖 反映合金系中不同反映合金系中不同成分的合金在不同成分的合金在不同溫度下的組織狀態(tài)溫度下的組織狀態(tài)關(guān)系的關(guān)系的圖象圖象，亦稱(chēng)，亦稱(chēng)狀態(tài)圖狀態(tài)圖。 它揭示了合金系的它

7、揭示了合金系的成分、成分、溫度、組織、性能溫度、組織、性能之間的之間的關(guān)系。關(guān)系。1 1、相圖的建立、相圖的建立圖圖 利用熱分析法建立利用熱分析法建立Cu-NiCu-Ni合金相圖合金相圖2. 2. 勻晶相圖分析勻晶相圖分析 圖圖 勻晶相圖及含勻晶相圖及含6060NiNi的的Cu- NiCu- Ni合金的結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶過(guò)程 a.a.在橫坐標(biāo)在橫坐標(biāo)6060處畫(huà)垂線(xiàn)，確定垂線(xiàn)與曲線(xiàn)交叉點(diǎn)處畫(huà)垂線(xiàn)，確定垂線(xiàn)與曲線(xiàn)交叉點(diǎn)t1,t1t1,t1 b. b.分析結(jié)晶過(guò)程，以交叉點(diǎn)為特征點(diǎn)。分析結(jié)晶過(guò)程，以交叉點(diǎn)為特征點(diǎn)。 t1t1以上，合金為以上，合金為L(zhǎng) L狀態(tài)，狀態(tài)， t1t1t3t3，合金為，合金

8、為L(zhǎng) L 兩相平衡，并發(fā)生兩相平衡，并發(fā)生L L （結(jié)晶）（結(jié)晶） t3t3以下，合金為固態(tài)，組織為以下，合金為固態(tài)，組織為 2.3.3 2.3.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖1. 1.鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 (1 ) (1 ) 純鐵的性能及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的性能及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 物理性能物理性能： 熔點(diǎn)熔點(diǎn)15381538， 鐵磁性。鐵磁性。 力學(xué)性能力學(xué)性能： 低強(qiáng)度低強(qiáng)度 高塑性高塑性 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變： 純金屬隨溫度變化，純金屬隨溫度變化， 其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 的現(xiàn)象的現(xiàn)象。 。 圖圖2.9純鐵的冷卻曲線(xiàn)純鐵的冷卻曲線(xiàn)（2).2).鐵碳合金的基本組織

9、鐵碳合金的基本組織 純金屬純金屬： -Fe -Fe （BccBcc） r- Fe (Fcc)r- Fe (Fcc) 溶入溶入C C 溶入溶入C C 固溶體固溶體: : 鐵素體鐵素體碳化物碳化物 奧化體奧化體碳化體碳化體 + +化合物化合物 混合物混合物： 珠光體珠光體 萊氏體萊氏體 1. 1.鐵碳合金的鐵碳合金的基本組織基本組織 固溶體固溶體a.a.鐵素體鐵素體 （Ferrite, FFerrite, F） 碳在碳在-Fe-Fe中的固溶體，中的固溶體，BCCBCC結(jié)構(gòu)，形態(tài)呈白色多結(jié)構(gòu)，形態(tài)呈白色多邊形邊形 ， 最大含碳量最大含碳量 0.02180.0218 ( (在在727) 727) 。性

10、能：性能：固溶強(qiáng)化不明顯，固溶強(qiáng)化不明顯， 硬度低、塑性高硬度低、塑性高（硬度（硬度50-80HBS50-80HBS、伸長(zhǎng)率、伸長(zhǎng)率=30-50=30-50）1. 1. 鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織b. b. 奧氏體奧氏體（Austenite ,AAustenite ,A） 碳在碳在r- Fer- Fe中的固溶體，中的固溶體，F(xiàn)CCFCC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，是存在于，是存在于727727以上的組織。以上的組織。 性能性能：高塑性：高塑性, ,是理想的鍛造組織是理想的鍛造組織金屬化合物金屬化合物 滲碳體滲碳體 （Fe3C,Fe3C,或或Cementite,Cementite,） 成分成分：含碳含碳

11、6.696.69 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：碳在鐵中的間隙化合物，復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)。：碳在鐵中的間隙化合物，復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)。 性能性能：硬度高、脆性大、強(qiáng)度低硬度高、脆性大、強(qiáng)度低 （硬度（硬度800HBS800HBS、伸長(zhǎng)率、伸長(zhǎng)率 0 0、b b=30MPa=30MPa）混合物混合物 a. a.珠光體珠光體（Pearlite, PPearlite, P） 成分成分： 含碳含碳0.770.77 組織組織： F F（88%88%）FeFe3 3C C 混合物，混合物， 片層狀結(jié)構(gòu)片層狀結(jié)構(gòu) 性能性能： 圖圖2.28 2.28 珠光體顯微組織珠光體顯微組織 硬度硬度 180 220 HBS180 220 HBS 延伸

12、率延伸率 10 10 綜合力學(xué)性能高綜合力學(xué)性能高 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b= 750 MPab= 750 MPab.b.萊氏體萊氏體 （Ledeburite, Le Ledeburite, Le 或或LdLd） 成分成分： 含含 4.34.3 碳碳 組織組織： FeFe3 3C C（6060）P P 性能性能： 高硬度高硬度 、高脆性高脆性。圖圖2.34 2.34 共晶鑄鐵的顯微組織共晶鑄鐵的顯微組織 2.2.2Fe-Fe3C相圖（相圖（P32）圖圖2.25 Fe-Fe3C相圖相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 相圖特點(diǎn)：相圖特點(diǎn)：個(gè)三相個(gè)三相轉(zhuǎn)變線(xiàn)；轉(zhuǎn)變線(xiàn)；個(gè)個(gè)單相區(qū)；單相區(qū)；個(gè)個(gè)兩相區(qū)；兩相區(qū)；鐵

13、碳合金相圖基本要求鐵碳合金相圖基本要求 畫(huà)出基本形狀畫(huà)出基本形狀 記住關(guān)鍵點(diǎn)的記住關(guān)鍵點(diǎn)的成分與溫度；成分與溫度； 會(huì)分析典型合會(huì)分析典型合金的結(jié)晶過(guò)程金的結(jié)晶過(guò)程 會(huì)計(jì)算平衡組會(huì)計(jì)算平衡組織的構(gòu)成。織的構(gòu)成。2. 2. 鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程 圖圖 六種典型合金的結(jié)晶過(guò)程分析六種典型合金的結(jié)晶過(guò)程分析 共析鋼共析鋼(C%=0.77%)(C%=0.77%)的結(jié)晶過(guò)程的結(jié)晶過(guò)程圖圖2.27 2.27 共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖圖2.28 2.28 珠光體顯微組織珠光體顯微組織關(guān)鍵點(diǎn)是關(guān)鍵點(diǎn)是在在TsTs溫度發(fā)生溫度發(fā)生共析反應(yīng)共析反應(yīng)，即，即 A A 0.77 0.77

14、 F F0.0218 0.0218 FeFe3 3C C鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 b.b.亞共析鋼亞共析鋼 （0.770.77c c ） 圖圖2.29 2.29 亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖圖圖2.30 452.30 45鋼顯微組織鋼顯微組織顯微組織顯微組織 鐵素體鐵素體F F 珠光體珠光體P P c.c.過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼 （0.77 0.77 C C2.11 2.11 ） 與亞共析鋼不同的是共與亞共析鋼不同的是共析反應(yīng)前先發(fā)生析反應(yīng)前先發(fā)生AFeAFe3 3C C 接著發(fā)生共析轉(zhuǎn)變

15、，其顯微接著發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其顯微組織為組織為 FeFe3 3C C P P (2)(2) 白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程 a.a.共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵 （ 4.3 4.3 C C） 圖圖 2.35 .2.35 .共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程示意圖共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程示意圖 難點(diǎn)是理解難點(diǎn)是理解Tc (1148 )Tc (1148 )發(fā)生發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變。 L L4.34.3 ( A ( A2.112.11 FeFe3 3C C) ) - Ld ( - Ld ( 萊氏體萊氏體) ) 最后室溫組織為最后室溫組織為 LdLd（ P PFeFe3 3C CFeFe3 3C C） Tc 3) 3)

16、 過(guò)共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵 圖 亞共晶白口鑄鐵顯微組織亞共晶白口鑄鐵顯微組織 圖 過(guò)共晶白口鑄鐵顯微組織過(guò)共晶白口鑄鐵顯微組織 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵共析鋼共析鋼亞共析鋼亞共析鋼過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵溫度/。CAECFPSKDG室溫00.772.114.36.67 C%LL+A Fe C3AA+FP+Fe C3+Le+LeA+Fe C3F+Fe C3F+PP+Fe C3A+Fe C+Le Fe C3+LeLeLe912727153816001147P工業(yè)純鐵亞共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼亞共晶白口鑄鐵共晶白

17、口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵3L+ Fe C3Summary 鐵碳合金在室溫下由鐵碳合金在室溫下由 F F FeFe3 3C C兩個(gè)相兩個(gè)相組成，隨含組成，隨含碳量由碳量由0 0增加到增加到6.696.69,F,F相對(duì)量由相對(duì)量由100100減少到減少到0 0，F(xiàn)eFe3 3C C由由0 0增加到增加到100100。 其組織變化順為其組織變化順為: : F-FF-FP-P-PP-P-PFeFe3 3C C P PFeFe3 3C CLd-LdLd-Ld -Ld -LdFe3CFe3C-Fe3C-Fe3C.鐵碳合金含碳量與組織、性能的變化規(guī)律鐵碳合金含碳量與組織、性能的變化規(guī)律3.3.含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響 (1(1) )對(duì)組織的影響對(duì)組織的影響 圖 2.39 .鐵碳合金中含碳量與相和組織組成物的關(guān)系 （ 2 2）對(duì)性能的影響）對(duì)性能的影響 隨著含碳量增加隨著含碳