工程材料及成型技術(shù)基礎(chǔ)第2章金屬材料的凝固與固態(tài)相變

1、1第二章第二章 金屬材料的凝固與固態(tài)相變金屬材料的凝固與固態(tài)相變 凝固與結(jié)晶的概念凝固與結(jié)晶的概念 結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律 同素異晶同素異晶( (構(gòu)構(gòu)) )轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 金屬的鑄錠組織第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶2一、一、 凝固與結(jié)晶的概念凝固與結(jié)晶的概念1.凝固凝固 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2.結(jié)晶結(jié)晶 晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。3研究目的：鑄造生產(chǎn)過程直接影響機(jī)件的晶體質(zhì)量。而鑄態(tài)組織（凝固得到）也影響工件鍛造、軋制的各種性能。41、金屬的結(jié)晶、金屬的結(jié)晶（1）結(jié)晶：結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵?/p>

2、子規(guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程?；驈脑拥慕逃行蚺帕羞^渡到遠(yuǎn)程有序排列。從廣義上講，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡到另一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變均屬結(jié)晶。5故金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮谓Y(jié)晶；而金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)槎谓Y(jié)晶。（2）理論結(jié)晶溫度：原子由近程有序到遠(yuǎn)程有序排列共存的固定溫度（Tm）。純金屬都有一定的熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)溫度時(shí)液體和固體共存。因此，金屬熔點(diǎn)又稱平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度。6To二、二、 結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律一）一）. .結(jié)晶的一般過程結(jié)晶的一般過程1）純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線時(shí)間溫度理論冷卻曲線理論冷

3、卻曲線實(shí)際冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)7 將待測的純金屬在坩堝內(nèi)加熱熔化，用熱電偶測溫，然后停止加熱緩慢冷卻。每隔一段時(shí)間記錄一次溫度。用所得數(shù)據(jù)繪制液態(tài)金屬在冷卻時(shí)的溫度和時(shí)間的關(guān)系曲線，稱此曲線為冷卻曲線。圖圖3-21 熱分析裝置示意圖熱分析裝置示意圖92）.結(jié)晶潛熱通過冷卻曲線可以看出，當(dāng)液態(tài)金屬下降到一定溫時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)釋放出了熱量，稱此熱量為結(jié)晶潛熱。冷卻曲線上往往會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平臺，這是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)放出的潛熱與散失的熱量相等，使得坩堝內(nèi)的溫度保持不變。10如圖，金屬冷到低于平衡結(jié)晶溫度

4、（T1）后才開始結(jié)晶，有一過冷度T（T=T1T0）。在平衡結(jié)晶溫度下，液態(tài)金屬與其晶體處于平衡狀態(tài)。這時(shí)，液體中的原子結(jié)晶為晶體的速度與晶體溶入液體的速度相等。從宏觀上看，既不結(jié)晶也不溶解。只有冷到低于理論結(jié)晶溫度T0才能有效地進(jìn)行結(jié)晶。11 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 過冷度過冷度 T = T0 T1 過冷是結(jié)晶的必要條件。過冷是結(jié)晶的必要條件。 12二二).).結(jié)晶的一般規(guī)律結(jié)晶的一般規(guī)律 形核形核 長大長大13實(shí)踐證明，結(jié)晶總是從形成一些微小的晶體（晶核）開始，然后晶核不斷長大；同時(shí)液體中不斷產(chǎn)生新的晶核并不斷長大，直到每個(gè)晶粒長大到相互接觸、液體消失為止結(jié)晶的普遍規(guī)律（形核長大）(圖)。圖3-2

5、3結(jié)晶過程示意圖15形核、長大形核、長大161.形核液態(tài)金屬中原子排列呈現(xiàn)短程有序，這些短程有序的原子團(tuán)尺寸各異，時(shí)聚時(shí)散，稱為晶胚。當(dāng)晶胚的尺寸大于某一臨界值時(shí)，晶胚就能自發(fā)地長大而成為晶核。17 形核方式形核方式 液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，有兩種形核方式：液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，有兩種形核方式：一種是均勻形核，另一種是非均勻一種是均勻形核，另一種是非均勻形核。形核。 晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自發(fā)形核自發(fā)形核 T = 200 * *非自發(fā)形核非自發(fā)形核 T = 20 形核率形核率 是指單位時(shí)間內(nèi)單位體積液體中形是指單位時(shí)間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。用成晶核的數(shù)量。用N表示。表示。 18

6、2.長大結(jié)晶過程的進(jìn)行一方面要依靠新晶核連續(xù)不斷地產(chǎn)生，另一方面還要依靠巳有晶核的不斷長大。19長大方式晶核長大初期外形比較規(guī)則，但隨著晶核的長大，晶體形成棱角。由于棱角處散熱速度快，因而優(yōu)先長大，如樹枝一樣先形成枝干，稱一次晶軸，然后再形成分枝，稱為二次晶軸，依此類推。晶核的這種成長方式稱為樹枝狀長大(圖）。長大速率: 是指單位時(shí)間內(nèi)晶核生長的線長度。用G表示。20晶核的長大方式晶核的長大方式樹枝狀樹枝狀21晶核的長大方式晶核的長大方式樹枝狀樹枝狀22金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶233.影響晶核的形核率和晶體長大率的因素影響晶核

7、的形核率和晶體長大率的因素v過冷度過冷度的影響的影響v未熔雜質(zhì)未熔雜質(zhì)的影響的影響24過冷度的影響過冷度的影響25形核率和長大速率都隨過冷度的增大而增大。但兩者的增加速率不同，形核率的增長率大于長大速率的增長率，如圖所示。在通常金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度范圍內(nèi)，過冷度越大，則N/G比值越大，因而晶粒越細(xì)小。26三）細(xì)化晶粒的途徑三）細(xì)化晶粒的途徑人們通常希望金屬材料晶粒細(xì)小均勻，因?yàn)榫ЯＴ叫?，材料的?qiáng)度越高，塑性和韌性越好。晶粒的大小稱為晶粒度，通常用晶粒的平均面積或平均直徑來表示。晶粒的大小取決于形核率和長大速率的相對大小，即N/G比值越大，晶粒越細(xì)小?？梢姡彩悄艽龠M(jìn)形核、抑制長大的因素，都能細(xì)化

8、晶粒。27v1）提高冷卻速度）提高冷卻速度V V冷冷T TN N晶粒細(xì)小晶粒細(xì)小v2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理v3）機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁攪拌等。）機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁攪拌等。在工業(yè)生產(chǎn)中通常采用如下幾種方法：28提高冷卻速度增加過冷度的方法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。例如，選用吸熱和導(dǎo)熱性較強(qiáng)的鑄型材料（用金屬型代替砂型）；采用水冷鑄型；降低澆注溫度等。但這些措施只對小型或薄壁的鑄件有效292.變質(zhì)處理是在澆注前往液態(tài)金屬中加入某些難熔的固態(tài)粉末（變質(zhì)劑），促進(jìn)非均勻形核來細(xì)化晶粒。例如在鋁和鋁合金以及鋼中加入鈦、鋯等。但是鋁硅合金中加入鈉鹽不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的長大來細(xì)化合

9、金晶粒。303.振動(dòng)、攪拌對正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可依靠外部輸入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被注入到鑄型模具中成型得到鑄件，若注入鑄造模具中而得到鑄錠。31有些金屬如Fe、Mn、Ti、Co等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型性。當(dāng)外部的溫度和壓強(qiáng)改變時(shí)，這些金屬會(huì)由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱之為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，又稱為多晶型轉(zhuǎn)變。3 3、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變32例如，純鐵在912C以下是體心立方晶體，在912C-1394C之間是面心立方晶體，而在1394C和1538C（熔點(diǎn)）之間是體心立方晶

10、體。純鐵的純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式反應(yīng)式:1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe -Fe33 當(dāng)發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，材料的許多性能如密度、塑性、強(qiáng)度、磁性、導(dǎo)電性等將發(fā)生突變。多晶型轉(zhuǎn)變對于材料能否通過熱處理來改變其性能具有重要的意義。35 純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線1394153410006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe36四、金屬的鑄錠組織金屬的鑄錠組織1.鑄錠(件)三晶區(qū)的形成不論是鑄件，還是鑄錠,其宏觀組織通常由三部分組成(圖3-28)：圖3-28鑄錠組織示意圖1

11、-表面細(xì)晶粒區(qū)；2-柱狀晶粒區(qū)；3-中心等軸晶粒區(qū)381.1表層細(xì)晶區(qū)在澆注時(shí)，由于鑄型模壁溫度較低，有強(qiáng)烈地吸熱和散熱作用，使靠近模壁的一層液體產(chǎn)生很大的過冷度，加上模壁的表面可以作為非均勻形核的核心，因此，在此表層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長，而形成表面很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。391.2柱狀晶區(qū) 在表層細(xì)晶區(qū)形成后，型壁被熔液加熱至很高溫度，使剩余液體的冷卻變慢，并且由于細(xì)晶區(qū)結(jié)晶時(shí)釋放潛熱，故細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，使繼續(xù)形核變得困難，只有己形成的晶體向液體中生長。但是，此時(shí)熱量的散失垂直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向，晶體才能得到優(yōu)先生長，即已有的晶體沿著與散熱相反的

12、方向擇優(yōu)長而形成柱狀晶區(qū)。401.3中心等軸晶區(qū)柱狀晶區(qū)形成時(shí)也釋放大量潛熱，使已結(jié)晶的固相層溫度繼續(xù)升高，散熱速度進(jìn)一步減慢，導(dǎo)致柱狀晶體也停止長大。當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度Tm以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。412.鑄錠組織的控制合金的鑄錠一般都具有明顯的三個(gè)晶區(qū)，但當(dāng)澆注條件發(fā)生變化時(shí)，其三個(gè)晶區(qū)所占的比例也往往不同,甚至獲得只由兩個(gè)晶區(qū)或一個(gè)晶區(qū)所組成的鑄錠。42通常有利于柱狀晶區(qū)發(fā)展的因素有：快的冷卻速度、高的澆注溫度、定向的散熱等。而有利于等軸晶區(qū)發(fā)展的因素有：慢的冷卻速度、低的澆注溫度、均勻散熱、變質(zhì)處理以及一些物理方法（如機(jī)械或電磁的攪拌、

13、超聲波振動(dòng)等）。43概述 純金屬雖然具有良好的導(dǎo)熱性導(dǎo)電性和很好的塑性，但強(qiáng)度低，如純鐵屈服強(qiáng)度僅有100-170MPa，純鋁也僅有45-50MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大多數(shù)工程需要，必須要通過合金化（金屬中加入別的金屬元素或/和非金屬元素）來提高其機(jī)械性能.第二節(jié)、合金的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)、合金的晶體結(jié)構(gòu)44（一）、合金合金的基本概念 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，稱為非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金合金。 組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)叫做叫做組元組元。組元通常是純元素，但也可

14、以是穩(wěn)。組元通常是純元素，但也可以是穩(wěn)定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，定的化合物。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可以分為二元合金、三元合金和多元合金。合金可以分為二元合金、三元合金和多元合金。 合金中，具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均合金中，具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分叫做勻部分叫做相相。合金中相與相之間有明顯的界。合金中相與相之間有明顯的界面。液態(tài)合金通常都為單相液體。固態(tài)下，由面。液態(tài)合金通常都為單相液體。固態(tài)下，由一個(gè)固相組成時(shí)稱為單相合金，由兩個(gè)以上固一個(gè)固相組成時(shí)稱為單相合金，由兩個(gè)以上固相組成時(shí)稱為多相合金。相組成時(shí)稱為多相合金。 合金的性能一般都是由組成合金的各相

15、成分、合金的性能一般都是由組成合金的各相成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、性能和各相的組合情況結(jié)構(gòu)、形態(tài)、性能和各相的組合情況組織組織所決定的。所決定的。45 （二）、合金的相結(jié)構(gòu) 由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可由于組元間相互作用不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。分為固溶體和金屬化合物兩大類。 1、固溶體 合金在固態(tài)下，組元間能夠互相溶解而形成的均勻合金在固態(tài)下，組元間能夠互相溶解而形成的均勻相稱為相稱為固溶體固溶體。 46 不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會(huì)使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗劑原子都會(huì)使固溶體的

16、晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結(jié)果使金屬材料的強(qiáng)度、硬度增高。這種通力增大，結(jié)果使金屬材料的強(qiáng)度、硬度增高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強(qiáng)度、硬過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。 固溶體中的晶格畸變示意圖 a)間隙固溶體 b)置換固溶體 47 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實(shí)踐是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實(shí)踐表明，適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，表明，適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料可以在顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜的

17、強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，都是以固溶體為基體的合金。合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，都是以固溶體為基體的合金。 2、金屬化合物 金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學(xué)分子式表示。鋼中滲碳體（同，一般可用化學(xué)分子式表示。鋼中滲碳體（FeFe3 3C C）是由鐵原子）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。 金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點(diǎn)一般較高、硬而脆。金屬化合物的性能不同于任一

18、組元，其溶點(diǎn)一般較高、硬而脆。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化。金屬化合物。金屬化合物在合金中常作為強(qiáng)化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)在合金中常作為強(qiáng)化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。合金的重要組成相。 絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的

19、數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。布狀況。 48二元合金相圖合金在成分、溫度變化時(shí)，其狀態(tài)可能發(fā)生變化。合金相圖就是用圖解的方法表示不同成分、溫度下合金中相的平衡關(guān)系。由于相圖是在極其緩慢的冷卻條件下測定的,又稱為平衡相圖。49根據(jù)相圖可以了解不同成分合金在溫度變化時(shí)的相變及組織形成規(guī)律。二元相圖都是由一種或幾種基本類型的相圖組成的?；绢愋偷亩鄨D有：勻晶、共晶和包晶相圖。501. 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立 建立相圖的方法有實(shí)驗(yàn)測定和理論計(jì)算兩種。但目前使用的相圖絕大部分都是通過實(shí)驗(yàn)測定方法獲得的。例如熱分析法。以Cu-Ni合金為例來說明相圖的建立方法及主要步驟(圖)：51名稱名稱A

20、金屬金屬B金屬金屬晶格類型晶格類型bccbcc熔點(diǎn)熔點(diǎn)高高低低合金合金1100%0%合金合金290%10%合金合金380%20%.合金合金920%80%合金合金1010%90%合金合金110%100%52熱熱 分分 析析 法法53 配制一系列成分的合金(例如，30%Ni+70%Cu;50%Ni+50%Cu;70%Ni+30%Cu)； 測出上述合金的冷卻曲線； 根據(jù)各冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定合金的臨界點(diǎn)； 將這些臨界點(diǎn)標(biāo)在相圖坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置上，最后把各意義相同的臨界點(diǎn)聯(lián)起來。時(shí)間時(shí)間溫度90 705030AB溫度A溫度B溫度55圖4-9用熱分析法建立二元Cu-Ni相圖562.勻晶相圖與合金組織

21、勻晶相圖與合金組織 勻晶相圖是指兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時(shí)形成的相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Ag-Au、W-Mo以及陶瓷材料中的Al2O3-Cr2O3相圖。下面以Cu-Ni合金相圖為例進(jìn)行分析。572.1. 相圖分析相圖分析圖圖4-10 Cu-Ni相圖相圖Cu、Ni代表二個(gè)組元。tA純組元Cu的熔點(diǎn)；tB純組元Ni的熔點(diǎn)；tAmtB線液相線，在液相線以上為液相區(qū)，為均勻液體，用L表示；tAntB線固相線，在固相線以下為固相區(qū)，為均勻固溶體，用表示。在液相線與固相線之間為L+兩相區(qū)。582.2合金平衡結(jié)晶過程合金結(jié)晶過程冷卻曲線如圖4-11所示。當(dāng)合金從高溫緩慢冷卻至與液相線相交的t

22、1溫度時(shí)，開始從液相L1中結(jié)晶出成分為1的固溶體。隨著溫度的下降，固溶體相不斷增多，液相不斷減少，并且固溶體相的成分沿著固相線變化，液相的成分沿著液相線變化。59 當(dāng)冷卻至t2溫度時(shí)，固溶體2和液相L2達(dá)到平衡。當(dāng)合金由t2冷至t3時(shí)，液相消失，結(jié)晶完畢，得到成分為3的單相固溶體。當(dāng)合金繼續(xù)冷至室溫過程中，不再發(fā)生相和成分的變化。所以合金在室溫下的組織為單相固溶體。60圖圖4-11 合金冷卻曲線及組織形成示意圖合金冷卻曲線及組織形成示意圖612.3.合金非平衡結(jié)晶過程在實(shí)際生產(chǎn)條件下，一般冷卻速度都較快，固溶體中原子擴(kuò)散過程不能充分進(jìn)行。因此先結(jié)晶的枝晶主軸含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶的分枝含低熔

23、點(diǎn)組元較多。這種在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象叫枝晶偏析，或晶內(nèi)偏析(圖4-13，4-14)。62晶內(nèi)偏析的存在將使合金的塑性、韌性顯著下降。因此通常把具有晶內(nèi)偏析的合金加熱到高溫進(jìn)行長時(shí)間的保溫，使合金元素進(jìn)行充分的擴(kuò)散來消除枝晶偏析，稱這種處理為擴(kuò)散退火。63圖4-13枝晶偏析示意圖圖4-14枝晶偏析組織（鋁鎂鑄造合金，因成分偏析而呈不同顏色）643.共晶相圖共晶相圖（兩組元在液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶）3.1.相圖分析相圖分析651.三個(gè)單相區(qū):液相區(qū)L固相區(qū)固相區(qū)。2.這三個(gè)相兩兩組合,形成三個(gè)兩相區(qū):(L+)(+)(L+)。3.三相區(qū)已經(jīng)縮成一條連接三個(gè)單相區(qū)的水平線MEN,又稱共

24、晶反應(yīng)線。4.液相線AEB，將液相區(qū)L與其它相區(qū)隔開。5.固相線AMNB,將固相區(qū),和(+)與其它相區(qū)隔開。666.MF代表固溶體的溶解度(最多可溶解的溶質(zhì)百分量,與溫度有關(guān))曲線,NG代表固溶體的溶解度曲線。7.共晶反應(yīng)線MEN中，E點(diǎn)為共晶點(diǎn)，E點(diǎn)對應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，成分對應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金稱為共晶合金，成分位于E以左，M點(diǎn)以右的合金稱為亞共晶合金，成分位于E點(diǎn)以右、N點(diǎn)以左的合金稱為過共晶合金。具有一定成分的液體（LE）在一定溫度（共晶溫度）下同時(shí)析出兩種成分的固溶體（M+N）稱為共晶反應(yīng)，即LE-M+N67 結(jié)晶產(chǎn)物為共晶體。共晶體的顯微組織特征是兩相交替分布，其形態(tài)與合金的特性及冷

25、卻速度有關(guān)，通常呈片層狀。683.2.典型合金平衡結(jié)晶過程及組織69。1321.含Sn量小于M點(diǎn)的合金（以合金I為例）。 合金在12點(diǎn)間的結(jié)晶過程與勻晶相圖上的固溶體結(jié)晶完全相同。 在23點(diǎn)之間得到均勻固溶體。 當(dāng)合金冷到3點(diǎn)溫度以下，由于固溶體的溶度超過了它的溶解度限度，將從固溶體中開始析出第二相-固溶體，優(yōu)先沿晶界或晶內(nèi)呈點(diǎn)狀分布。隨著溫度繼續(xù)降低的析出量逐漸增多。這種從固溶體中析出的相，稱二次固溶體（以區(qū)分從液相中析出的固溶體），記為II。合金IL70最終的室溫顯微組織為+II71共晶合金2.共晶合金共晶合金( (成分為成分為E E點(diǎn)點(diǎn)) ) 在E點(diǎn)以上合金為液體。當(dāng)合金緩慢冷卻到tE時(shí)

26、，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，L LE E M + + N （LE指成分為E點(diǎn)對應(yīng)的成分的液相，依此類推）, 從液相中同時(shí)同地析出和固溶體，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為這兩相的機(jī)械混合物 。L72 室溫組織為100%的共晶體。73123. 亞共晶合金 以合金III為例。合金自1點(diǎn)開始結(jié)晶出固溶體 。隨著溫度繼續(xù)降低，相的濃度沿固相線變化，L相濃度沿液相線變化。當(dāng)合金冷卻到2點(diǎn)時(shí)，剩余液相的濃度已達(dá)到E點(diǎn)的成分，在恒溫下按共晶反應(yīng)形成共晶體 。 同理，合金自2點(diǎn)溫度冷至室溫過程中自固溶體中 也會(huì)析出II ，故合金的室溫顯微組織為+ (+)+II （在圖中呈黑色）。合金III74 室溫顯微組織為+(+)+II（在圖中呈黑色）。其

27、中，、(+)、II均稱為合金的組織組成物，是合金顯微組織的獨(dú)立部分。這種標(biāo)注方法闡明了合金的具體結(jié)晶過程，反映了相的析出順序。754. 包晶相圖與合金組織包晶相圖與合金組織（略）兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)下有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖，稱為包晶相圖。例如二元合金系Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等。76 這類相圖的特點(diǎn)是，相圖上有一恒溫反應(yīng)(圖4-14):LC + p D 即在一定溫度下,由一定成分的液相LC與一定成分的固相p轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相D。由于兩相反應(yīng)從相界面處開始，即D相必然包著p相形成，故稱包晶反應(yīng)。相圖及合金結(jié)晶過程分析方法均與上述方法類似。77 這類相

28、圖的特點(diǎn)是，相圖上有一恒溫反應(yīng)(圖4-14): L LC C + + p p D D 即在一定溫度下, 由一定成分的液相LC與一定成分的固相p轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相D。由于兩相反應(yīng)從相界面處開始，即D相必然包著p相形成，故稱包晶反應(yīng)。相圖及合金結(jié)晶過程分析方法均與上述方法類似。 圖4-14 包晶相圖 78 第三節(jié)第三節(jié)鐵碳相圖鐵碳相圖一、概述工程材料中又以鋼鐵（鐵碳合金）材料應(yīng)用最廣。鋼鐵中含碳量其室溫平衡組織和性能有巨大影響。前一章介紹了二元相圖的幾種基本類型。由于鐵碳合金是應(yīng)用最多的工程材料，下面將學(xué)習(xí)Fe-C相圖。79Fe- CFe- C相圖相圖Fe3C Fe2CFeC溫度FeC(6.69%C

29、)80Fe-C相圖很復(fù)雜，但實(shí)用的部分只06.69%C(重量百分比)的部分，如圖5-1所示。其中右端（6.69%C）是屬化合物Fe3C。我們來分析這部分相圖（這段相圖稱為Fe-Fe3C相圖）。就只是這部分相圖，也由三個(gè)基本類型的相圖組成：811.包晶相圖部分（區(qū)域很小，且無實(shí)際意義，通常忽略其作用）；2.共晶相圖部分；3.共析相圖部分(這種相圖類型類似共晶相圖,但母相是固相而非液相。后面將近一步學(xué)習(xí))。82共晶相圖部分共晶相圖部分83共析相圖部分共析相圖部分84二二 、 Fe- Fe3C相圖的組元和基本相相圖的組元和基本相1.組元組元Fe-Fe3C相圖顧名思義其組元一為Fe(純鐵),二為Fe3

30、C(此處又叫滲碳體)純鐵:純鐵熔點(diǎn)為1538，具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，-Fe -Fe -Fe 。固態(tài)下的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶相似，也要經(jīng)歷形核和長大過程。為了與液態(tài)結(jié)晶相區(qū)別，將這種固態(tài)下的相變過程稱為重結(jié)晶。低溫下的鐵具有鐵磁性，770以上鐵磁性消失。85滲碳體：具有復(fù)雜的斜方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，屬于硬脆相。它的數(shù)量、形狀、分布對鋼的性能影響很大，是鋼中的主要強(qiáng)化相。862.基本組織基本組織(除液相外)1).鐵素體鐵素體 ( F ) 碳固溶于體心立方晶格的-Fe中形成的間隙固溶體，用或者F表示。碳在其中的固溶度很小，最大溶解度是727時(shí)的0.0218%，因此相區(qū)在相圖中區(qū)域很小。87 高溫鐵素

31、體高溫鐵素體：碳固溶于體心立方晶格的-Fe中形成的間隙固溶體，用表示。碳在其中的固溶度也很小，最大溶解度是1495時(shí)的0.09%，因此相區(qū)在相圖中區(qū)域也很小。882).奧氏體奧氏體 ( A )碳固溶于面心立方晶格的-Fe中形成的間隙固溶體，用或者A表示。碳在其中的固溶度較大，最大溶解度是1148時(shí)的2.11%，因此相區(qū)在相圖中區(qū)域較大。89 奧氏體組織金相圖奧氏體組織金相圖903)滲碳體滲碳體( ( Fe3C )鐵與碳形成的金鐵與碳形成的金屬化合物。屬化合物。它既可作為組元，也是鋼中的一類重要的基本相。91滲碳體組織金相圖滲碳體組織金相圖924)珠光體珠光體 ( P )鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械

32、混合物。鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。935).萊氏體萊氏體 ( Ld )奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。94鐵鐵素素體體奧氏體奧氏體高高溫溫鐵鐵素素體體滲滲碳碳體體鋼中的基本相鋼中的基本相9596一、鐵碳相圖分析1、相圖中點(diǎn)的含義相圖中點(diǎn)的含義972. 五個(gè)單相區(qū)(, ,液相L，及Fe3C）和七個(gè)兩相區(qū)； 3. 固相線AHJECF , 液相線ABCD ； 4. 三條水平線 （恒溫轉(zhuǎn)變線）： HJB水平線（包晶反應(yīng)線） ECF水平線（共晶反應(yīng)線） PSK水平線（共析反應(yīng)線） 5. 三條曲線 GS線 ES線 PQ線 98 五個(gè)重要的成份點(diǎn)五個(gè)重要的成份點(diǎn): P、

33、S、E、C、K。 四條重要的線四條重要的線: EF、ES、GS、FK。 兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變: 共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。變反應(yīng)式。 兩個(gè)重要溫度兩個(gè)重要溫度: 1148 、727 。99 Fe - Fe3C 相圖相圖FeTFe3C100 Fe - Fe3C 相圖相圖ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C T(A+Fe3C)LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+Fe3C(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相圖共晶相圖共析相

34、圖共析相圖勻晶相圖勻晶相圖(P+Fe3C)101 Fe - Fe3C 相圖相圖ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK(P+Fe3C)P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C(F+Fe3C)A+Fe3CL+Fe3C(A+Fe3C)1021.包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LB + H AJ14953.共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:AS ( FP + Fe3C ) P7272.共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LC ( AE + Fe3C ) Le 114810

35、3二、鐵碳合金的分類二、鐵碳合金的分類鐵碳合金根據(jù)其含碳量可分為碳鋼和鑄鐵。 碳鋼碳鋼是指含有0.022.11C的鐵碳合金。 鑄鐵鑄鐵是指含大于2.11C的鐵碳合金。104按鋼中含碳量的不同： 碳鋼又分為亞共析鋼亞共析鋼(含有0.020.77C)，共析鋼共析鋼(含有0.77C)和過共析鋼過共析鋼(含有0.772.11C); 鑄鐵又分為亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵(含有2.114.3C)，共晶白口鐵共晶白口鐵(含有4.3C)和過過共晶白口鐵共晶白口鐵(含有4.36.69C)。上述不同種類的鋼在平衡條件下有不同的相變過程，其室溫平衡組織也不同。105106三三. .典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析典型鐵碳合

36、金的結(jié)晶過程分析 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 ( ingot iron ) 共析鋼共析鋼 ( eutectoid steel ) 亞共析鋼亞共析鋼 ( hypoeutectoid steel ) 過共析鋼過共析鋼 ( hypereutectoid steel ) 共晶白口鐵共晶白口鐵 ( eutectoid white iron ) 亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵( hypoeutectoid white iron ) 過共晶白口鐵過共晶白口鐵( hypereutectoid white iron )1071081.工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 ( Wc 0.0218% )1092. 共析鋼共析鋼 ( Wc = 0.77

37、% )110共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織（忽略從液相到固相的結(jié)晶過程）共析鋼（成分為S點(diǎn)共析點(diǎn)對應(yīng)的成分，0.77%C）在S點(diǎn)溫度以上，鋼的組織為單相奧氏體。當(dāng)冷卻到S點(diǎn)溫度時(shí),奧氏體將發(fā)生共析反應(yīng)，從奧氏體中同時(shí)長出交替排列的片層狀鐵素體和滲體，這種組織稱為珠光體珠光體 。111隨著溫度繼續(xù)下降，將從鐵素體中析出三次滲碳體。由于三次滲碳體數(shù)量少，通?？珊雎圆挥?jì)。因此，共析鋼在室溫下的平衡組織為100%的珠光體。112在在S點(diǎn)發(fā)生共析反應(yīng)：點(diǎn)發(fā)生共析反應(yīng)： （+FeFe3 3C C）113共析鋼組織金相圖共析鋼組織金相圖1143.亞共析鋼亞共析鋼 ( W

38、c = 0.45% )115122點(diǎn)及2點(diǎn)以下合金II亞共析鋼在平衡條件下的固亞共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織態(tài)相變及組織 以合金II為例，1點(diǎn)以上為奧氏體 。當(dāng)奧氏體冷到1點(diǎn)溫度時(shí)，開始析出鐵素體 。由于析出了含碳量極低的鐵素體，使未轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量增加。 隨著溫度的下降，奧氏體的含碳量沿GS GS 線變化，鐵素體的含碳量沿GPGP 線變化。當(dāng)合金冷卻到2點(diǎn)（共析線上）時(shí)，剩余奧氏體的含碳量達(dá)到共析濃度，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體 。因此，亞共析鋼室溫下平衡組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成 , 其中鐵素體和珠光體的比例取決于鋼的含碳量, 鋼的含碳量越高，珠光體所占的比例越大。116亞共析

39、鋼組織金相圖亞共析鋼組織金相圖1174.過共析鋼過共析鋼 ( Wc = 1.2% )118過共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織過共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織 如圖所示，點(diǎn)1以上為奧氏體 。當(dāng)奧氏體冷到1點(diǎn)溫度時(shí)，開始沿著晶界析出二次滲碳體。由于析出了含碳量極高的二次滲碳體，使未轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量減少。隨著溫度的下降，奧氏體的含碳量沿ES ES 線線變化。當(dāng)合金冷卻到2點(diǎn)（共析線上）時(shí)，剩余奧氏體的含碳量達(dá)到共析濃度，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體 。因此，亞共析鋼室溫下平衡組織由二次滲碳體和珠光體構(gòu)成 。 12119過共析鋼組織金相圖過共析鋼組織金相圖1205.共晶白口鐵共晶白口鐵 (

40、 Wc = 4.3% )121 共晶白口鐵組織金相圖共晶白口鐵組織金相圖1226.亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 ( Wc = 3.0% )123 亞共晶白口鐵組織金相圖亞共晶白口鐵組織金相圖1247.過共晶白口鐵過共晶白口鐵 ( Wc = 5.0% )125 過共晶白口鐵組織金相圖過共晶白口鐵組織金相圖126 請指出這些鐵碳合金在下面相圖中的成分位置。請指出這些鐵碳合金在下面相圖中的成分位置。 127四、含碳量對碳鋼平衡組織和性能的影響四、含碳量對碳鋼平衡組織和性能的影響以上分析表明，碳鋼在室溫下的平衡組織皆由鐵素體(F)和滲碳體(Fe3C)兩相組成。隨著含碳量的增加，碳鋼中鐵素體的數(shù)量逐漸減少，

41、滲碳體的數(shù)量逐漸增多，從而使得組織按下列順序發(fā)生變化：FF+PPP+Fe3CII128鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相。珠光體由鐵素體和滲碳體所組成，滲碳體以細(xì)片狀分布在鐵素體的基體上，起了強(qiáng)化作用，因此，珠光體有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑性較差。129隨著含碳量升高，鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性下降。當(dāng)鋼中的含碳量超過1.0%以后，鋼的硬度繼續(xù)增加，而強(qiáng)度開始下降，這主要是由于脆性的二次滲碳體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出所致。130硬度隨含碳量增加而增加。強(qiáng)度隨含碳量增加而增加（到約0.8wt%c達(dá)到峰值）。塑性和韌性隨含碳量增加而下降。131工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵(鐵素體組織,不同顏色代表不同位向的晶粒)3、碳

42、鋼132亞共析鋼亞共析鋼（0.2%C)(鐵素體組織+珠光體兩相組織(黑色)133亞共析鋼亞共析鋼(0.45%C)(鐵素體組織+更多的珠光體組織(黑色)134共析鋼共析鋼(0.77%C)(幾乎100%珠光體組織,在較大的放大倍數(shù)下可分辨交替排列的層片狀鐵素體相和滲碳體相)135過共析鋼過共析鋼(1.45%C)(珠光體組織和沿原奧氏體晶界析出的網(wǎng)狀二次滲碳體組織)136五、五、 Fe - Fe3C 相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用選擇材料方面的應(yīng)用選擇材料方面的應(yīng)用制定熱加工工藝方面的應(yīng)用制定熱加工工藝方面的應(yīng)用137 建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選

43、用碳含量較低的鋼材。因此選用碳含量較低的鋼材。 各種機(jī)械零件需用強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的各種機(jī)械零件需用強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料。應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。各種工具材料。應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。各種工具需用硬度高和耐磨性好的材料，則選碳含量高需用硬度高和耐磨性好的材料，則選碳含量高的鋼種。的鋼種。 純鐵磁導(dǎo)率高，可作軟磁材料使用，例如做電純鐵磁導(dǎo)率高，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵心等。磁鐵的鐵心等。 白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊

44、、形狀復(fù)雜的鑄件，用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。的磨球等。1.1.選擇材料方面的應(yīng)用選擇材料方面的應(yīng)用138 2.2.在鑄造工藝方面的應(yīng)用在鑄造工藝方面的應(yīng)用 根據(jù)根據(jù)FeFeFeFe3 3C C相圖可以確定合金的澆注溫相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上度。澆注溫度一般在液相線以上5050100100。 3.3.在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用 鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進(jìn)行。一鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進(jìn)行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下般始鍛、

45、始軋溫度控制在固相線以下100100200200范圍內(nèi)，終鍛、終軋溫度不能過低。亞共范圍內(nèi)，終鍛、終軋溫度不能過低。亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在析鋼熱加工終止溫度多控制在GSGS線以上一點(diǎn)，線以上一點(diǎn)，過共析鋼變形終止溫度應(yīng)控制在過共析鋼變形終止溫度應(yīng)控制在PSKPSK線以上一點(diǎn)，線以上一點(diǎn)，一般始鍛溫度為一般始鍛溫度為1150115012501250，終鍛溫度為，終鍛溫度為800800850850。139 4.4.在熱處理工藝方面的應(yīng)用在熱處理工藝方面的應(yīng)用 FeFeFeFe3 3C C相圖對于制訂熱處理工藝有著特相圖對于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、別重要

46、的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)淬火的加熱溫度都是依據(jù)FeFeFeFe3 3C C相圖確定的。相圖確定的。 在運(yùn)用在運(yùn)用FeFeFeFe3 3C C相圖時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：相圖時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： FeFeFeFe3 3C C相圖只反映鐵碳二元合金中相相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)，如含有其它元素，相圖將發(fā)生變的平衡狀態(tài)，如含有其它元素，相圖將發(fā)生變化?；?。FeFeFeFe3 3C C相圖反映的是平衡條件下鐵碳相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)，若冷卻或加熱速度較快時(shí)，合金中相的狀態(tài)，若冷卻或加熱速度較快時(shí)，其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來分析了。其組織轉(zhuǎn)變就不能只

47、用相圖來分析了。 140鋼鐵的冶煉鋼鐵的冶煉高爐高爐煉鐵煉鐵鑄鐵錠鑄鐵錠生產(chǎn)鑄鐵件生產(chǎn)鑄鐵件煉鋼生鐵煉鋼生鐵轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)爐平爐平爐電爐電爐生產(chǎn)鋼件生產(chǎn)鋼件141轉(zhuǎn)爐煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼平爐煉鋼平爐煉鋼電弧爐煉鋼電弧爐煉鋼1421.煉鐵的冶金反應(yīng)特點(diǎn)煉鐵的冶金反應(yīng)特點(diǎn):還原反應(yīng)還原反應(yīng) Fe2O3 Fe3O4FeOFeCO氣體氣體高溫高溫143 2.煉鋼的冶金反應(yīng)特點(diǎn)煉鋼的冶金反應(yīng)特點(diǎn): :氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)煉鋼生鐵煉鋼生鐵鋼鋼氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)144鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在加熱時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度，鋼在加熱時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度，冷卻時(shí)也是如此。隨著加熱和冷卻速

48、度的增加，滯后現(xiàn)冷卻時(shí)也是如此。隨著加熱和冷卻速度的增加，滯后現(xiàn)象將越加嚴(yán)重。通常把加熱時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母象將越加嚴(yán)重。通常把加熱時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母“C C”，如如A AC1C1、A AC3C3、A ACmCm等；把冷卻時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母等；把冷卻時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母“r r”，如如A Ar1r1、A Ar3r3、A Armrm等。等。 145熱處理時(shí)加熱溫度應(yīng)高于某一臨界溫度。例如，需要加熱到奧氏體化，此臨界溫度應(yīng)為Ac1，Ac3，或者Accm146鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變過程鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變過程(1)奧氏體的形成以共析鋼為例，說明奧氏體的形成過程。共析鋼的原始組織為片狀珠光體。當(dāng)加熱到Ac1

49、以上保溫時(shí)，將全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。147這一過程包括四個(gè)階段。奧氏體形核奧氏體長大剩余滲碳體溶解奧氏體成分均勻化148149奧氏體形核奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體相界面處形成。這是由于此處原子排列紊亂，位錯(cuò)、空位濃度較高，容易滿足形成奧氏體所需的能量和碳濃度所致。150151奧氏體長大奧氏體晶核形成之后，它一面與滲碳體相接，另一面與鐵素體接觸。這使得在奧氏體中出現(xiàn)了碳的濃度梯度，即奧氏體中靠近鐵素體一側(cè)含碳量較低，而靠近滲碳體一側(cè)含碳量較高,引起碳在奧氏體中由高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)擴(kuò)散。152隨著碳在奧氏體中的擴(kuò)散，破壞了原先相界面處碳濃度的平衡，即造成奧氏體中靠近鐵素體一側(cè)的碳濃度增高，靠近

50、滲碳體一側(cè)碳濃度降低。153為了恢復(fù)原先碳濃度的平衡，勢必促使鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變以及滲碳體的溶解。這樣，奧氏體中與鐵素體和滲碳體相界面處碳平衡濃度的破壞與恢復(fù)的反復(fù)循環(huán)過程，就使奧氏體逐漸向鐵素體和滲碳體兩方向長大，直至鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體為止。154155剩余滲碳體溶解鐵素體消失以后，隨著保溫時(shí)間延長或繼續(xù)升溫，剩余滲碳體通過碳原子的擴(kuò)散，不斷溶入奧氏體中，使奧氏體的碳濃度逐漸接近共析成分。這一階段一直進(jìn)行到滲碳體全部消失為止。156奧氏體成分均勻化當(dāng)剩余滲碳體全部溶解后，奧氏體中的碳濃度仍是不均勻的，原來存在滲碳體的區(qū)域碳濃度較高，只有繼續(xù)延長保溫時(shí)間，才能得到成分均勻的單相奧氏體。15

51、7158（2)奧氏體晶粒度及其影響因素奧氏體的晶粒大小對鋼隨后的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能都有重要影響。通常，粗大的奧氏體晶粒冷卻后得到粗大的組織，其力學(xué)性能指標(biāo)較低。需要了解奧氏體晶粒度的概念以及影響奧氏體晶粒度的因素。159奧氏體晶粒度的概念。奧氏體晶粒的大小是用晶粒度來度量的。晶粒度的評定一般采用比較法，即金相試樣在放大100倍的顯微鏡下，與標(biāo)準(zhǔn)的圖譜相比。鋼的奧氏體晶粒度分為8級，1級最粗，8級最細(xì)。奧氏體晶粒度的概念有以下三種：a.起始晶粒度b.實(shí)際晶粒度c.本質(zhì)晶粒度160161a.起始晶粒度:奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成，即奧氏體晶粒邊界剛剛相互接觸時(shí)的奧氏體晶粒大小稱為起始晶粒度。通

52、常情況下，起始晶粒度總是比較細(xì)小、均勻的。b.實(shí)際晶粒度:鋼在某一具體的加熱條件下實(shí)際獲得的奧氏體晶粒的大小稱為實(shí)際晶粒度。熱熱處理后所獲得的奧體晶粒的大小。處理后所獲得的奧體晶粒的大小。實(shí)際晶粒一般總比起始晶粒大。162c.本質(zhì)晶粒度:根據(jù)YB27-64試驗(yàn)方法，即在93010保溫38h后測定的奧氏體晶粒大小稱為本質(zhì)晶粒度。如晶粒度為14級，稱為本質(zhì)粗晶粒鋼，晶粒度為58級，則為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。本質(zhì)晶粒度表示在規(guī)定的加熱條件下，奧氏體晶粒長大的傾向性大小。而不能認(rèn)為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼在任何加熱條件下晶粒都不粗化。度量鋼本身晶度量鋼本身晶粒在粒在930以下以下,隨溫度升高隨溫度升高,晶粒長大的程度。晶

53、粒長大的程度。163影響晶粒長大的因素a.鋼的化學(xué)成分:鋼的本質(zhì)晶粒度與鋼的成分和冶煉時(shí)的脫氧方法有關(guān)。一般用Al脫氧或者含有Ti、V、Mo、W等元素的鋼都是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，因?yàn)檫@些元素能夠形成難熔于奧氏體的細(xì)小碳化物質(zhì)點(diǎn)，阻止奧氏體晶粒長大。只用硅、錳脫氧的鋼或者沸騰鋼一般都為本質(zhì)粗晶粒鋼。164鋼中隨著含碳量的增加，奧氏體晶粒長大傾向增大，但是，當(dāng)含碳量超過某一限度時(shí)，奧氏體晶粒長大傾向又減小。這是因?yàn)殡S著含碳量的增加，碳在鋼中的擴(kuò)散速度以及鐵的自擴(kuò)散速度均增加，故加大了奧氏體晶粒的長大傾向。但碳含量超過一定限度后，鋼中出現(xiàn)二次滲碳體，對奧氏體晶界的移動(dòng)有阻礙作用，故奧氏體晶粒反而細(xì)小。16

54、5b.加熱溫度和保溫時(shí)間:溫度的影響最顯著。在一定溫度下，隨保溫時(shí)間延長，奧氏體晶粒長大。166c.加熱速度:加熱速度越大，奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的過熱度越大，奧氏體的形核率越高，起始晶粒越細(xì)，加之在高溫下保溫時(shí)間短，奧氏體晶粒來不及長大。實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常采用快速加熱，短時(shí)保溫的辦法來獲得細(xì)小晶粒。167（）奧氏體晶粒大小對鋼的力（）奧氏體晶粒大小對鋼的力學(xué)性能的影響學(xué)性能的影響a.奧氏體晶粒均勻細(xì)小奧氏體晶粒均勻細(xì)小,熱處理后鋼的力熱處理后鋼的力 學(xué)性能提高。學(xué)性能提高。b.粗大的奧氏體晶粒在淬火時(shí)容易引起粗大的奧氏體晶粒在淬火時(shí)容易引起 工件產(chǎn)生較大的變形甚至開裂。工件產(chǎn)生較大的變形甚至開裂。1682

55、.鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變熱處理生產(chǎn)中，鋼在奧氏體化后的冷卻方式通常分為兩種：一種是連續(xù)冷卻，即將奧氏體化的鋼連續(xù)冷卻到室溫；另一種是等溫處理，即將奧氏體化的鋼迅速冷卻到臨界溫度下的某一溫度保溫，以進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變。169 熱熱加加保溫保溫時(shí)間溫度臨界溫度臨界溫度連續(xù)冷卻連續(xù)冷卻等溫冷卻等溫冷卻170 但奧氏體冷至臨界溫度以下時(shí)，如果還未轉(zhuǎn)變，稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體在一定的時(shí)間后發(fā)生分解，形成穩(wěn)定相。這是一個(gè)晶格改組和碳原子擴(kuò)散再分配的過程。171 根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度的高低、轉(zhuǎn)變機(jī)理和產(chǎn)物的不同，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變可分為三種基本類型，即珠光體轉(zhuǎn)變（擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變）、貝氏體轉(zhuǎn)變（過渡型或半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變

56、）和馬氏體轉(zhuǎn)變（無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變）。172(1)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖 建立共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)建立共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn) 變曲線變曲線 - TTT曲線曲線 ( C 曲線曲線 )T - timeT - temperatureT - transformation173將一批經(jīng)奧氏體化的試樣急冷至臨界點(diǎn)（A1）以下某一溫度，并在該溫度下等溫，然后測定轉(zhuǎn)變量和時(shí)間的關(guān)系。以溫度（）為縱坐標(biāo)，時(shí)間（s）為橫坐標(biāo)（對數(shù)坐標(biāo)），分別將各溫度下過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間點(diǎn)連接起來，可以得到兩條曲線，這就是過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖，通常簡稱為等溫轉(zhuǎn)變圖或TTT圖。由于圖中的曲線形似“C”字母，故

57、也稱C曲線。174共析碳鋼共析碳鋼 TTT 曲線建立過程示意圖曲線建立過程示意圖時(shí)間時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度溫度()0400A1共析碳鋼共析碳鋼 TTT 曲線的分析曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開始線物轉(zhuǎn)變開始線A向產(chǎn)物向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線轉(zhuǎn)變終止線 A +產(chǎn)產(chǎn) 物物 區(qū)區(qū)產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1550;高溫轉(zhuǎn)變區(qū)高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變; P 轉(zhuǎn)變區(qū)。轉(zhuǎn)變區(qū)。550230;中溫轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變區(qū)區(qū); 半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變; 貝氏體貝氏體( B ) 轉(zhuǎn)變區(qū)轉(zhuǎn)變區(qū);230 - 50; 低

58、溫轉(zhuǎn)低溫轉(zhuǎn)變區(qū)變區(qū); 非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;馬氏體馬氏體 ( M ) 轉(zhuǎn)變區(qū)。轉(zhuǎn)變區(qū)。時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度()0400A1MsMf177 A1以下不同溫度時(shí)的孕育期長短標(biāo)志著過冷奧氏體的穩(wěn)定性。以共析鋼C曲線為例，在550附近，即C曲線“鼻尖”部分，孕育期最短，過冷奧氏體穩(wěn)定性最差。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變可分為三類： “鼻尖”以上的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)為珠光體類型轉(zhuǎn)變； “鼻尖”至Ms之間的中溫轉(zhuǎn)變區(qū)為貝氏體轉(zhuǎn)變；Ms以下的低溫轉(zhuǎn)變區(qū)為馬氏體轉(zhuǎn)變。1782) 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能（1）珠光體類型組織與性能珠光體類轉(zhuǎn)

59、變是過冷奧氏體在臨界溫度A1以下比較高的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)變，又稱高溫轉(zhuǎn)變，是典型的擴(kuò)散型相變。179珠光體是鐵素體和滲碳體兩相的機(jī)械混合物。其組成相通常呈片層狀。根據(jù)珠光體片間距的大小，可將珠光體類型組織分為三種: 1）珠光體 2）索氏體 3）屈氏體180珠光體類型轉(zhuǎn)變的等溫溫度區(qū)間。1811）珠光體:(P)片間距約為450150nm，形成于A1650范圍內(nèi)。在光學(xué)顯微鏡下可清晰分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)。P ; 525HRC;2）索氏體:(S)片間距約為15080nm，形成于650600范圍內(nèi)。只有在800倍以上光學(xué)顯微鏡下觀察才能分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)。細(xì)片狀細(xì)片狀P

60、;2536HRC。1823）屈氏體:(T)片間距約為8030nm，形成于600550范圍內(nèi)。在光學(xué)顯微鏡下已很難分辨出鐵素體和滲碳體片層狀組織形態(tài)。極細(xì)片狀極細(xì)片狀P; 3540HRC。 珠珠 光光 體體 形形 貌貌 像像光鏡下形貌光鏡下形貌電鏡下形貌電鏡下形貌光鏡形貌電鏡形貌 索索 氏氏 體體 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 體體 形形 貌貌 像像電鏡形貌光鏡形貌186珠光體、索氏體、屈氏體之間無本質(zhì)區(qū)別，其形成溫度也無嚴(yán)格界線，只是其片層厚薄和間距不同。珠光體類組織的機(jī)械性能主要取決于片層間距的大小。通常情況下，片層間距愈小，其強(qiáng)度、硬度愈高，同時(shí)塑性、韌性也有所改善。187珠光體組織中層片