工程材料2.1純金屬的結(jié)晶(清華出版社-李軍編).

1、第二章第二章 金屬材料組織和性能的控制金屬材料組織和性能的控制第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶第二節(jié)第二節(jié) 合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶第三節(jié)第三節(jié) 鋼的熱處理鋼的熱處理第四節(jié)第四節(jié) 金屬的塑性加工金屬的塑性加工第五節(jié)第五節(jié) 鋼的合金化鋼的合金化第六節(jié)第六節(jié) 表面技術(shù)表面技術(shù)一、純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)?、?xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施三、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施四、鑄錠的結(jié)構(gòu)四、鑄錠的結(jié)構(gòu)五、單晶的制取五、單晶的制取第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶3第一節(jié)純金屬的結(jié)晶第一節(jié)純金屬的結(jié)晶結(jié)晶：結(jié)晶：金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)（晶態(tài)）的過(guò)程金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)（晶態(tài)）的過(guò)

2、程一次結(jié)晶：一次結(jié)晶：液態(tài)液態(tài)固體晶態(tài)固體晶態(tài)二次結(jié)晶（重結(jié)晶）：二次結(jié)晶（重結(jié)晶）：固體晶態(tài)固體晶態(tài)另一種固體晶態(tài)另一種固體晶態(tài)冶冶4理論結(jié)晶溫理論結(jié)晶溫度度開(kāi)始結(jié)晶溫度開(kāi)始結(jié)晶溫度 1. 1.純金屬結(jié)晶的條件純金屬結(jié)晶的條件液體金屬在結(jié)晶時(shí)的液體金屬在結(jié)晶時(shí)的溫度溫度- -時(shí)間時(shí)間曲線(xiàn)曲線(xiàn)冷卻曲線(xiàn)冷卻曲線(xiàn)1）熱力學(xué)條件（）熱力學(xué)條件（）t tT TT T0 0T Tn n T T = T T0 0 - T- Tn n abcdef純銅的冷卻曲線(xiàn)純銅的冷卻曲線(xiàn)絕大多數(shù)純金屬絕大多數(shù)純金屬（如銅、鋁、銀（如銅、鋁、銀等）的冷卻曲線(xiàn)等）的冷卻曲線(xiàn) 5nTTT0（3）cd正在結(jié)晶正在結(jié)晶回升回升結(jié)

3、晶時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱結(jié)晶時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱大于大于向向環(huán)境中散失的熱量環(huán)境中散失的熱量（4）de正在結(jié)晶正在結(jié)晶平臺(tái)平臺(tái)結(jié)晶時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱與向環(huán)境中散失的熱量相等結(jié)晶時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱與向環(huán)境中散失的熱量相等過(guò)冷度過(guò)冷度（1） ab液態(tài)逐漸冷卻液態(tài)逐漸冷卻（2） bc溫度低于理論結(jié)晶溫度溫度低于理論結(jié)晶溫度 過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象（5）ef固態(tài)逐漸冷卻固態(tài)逐漸冷卻tt孕育期孕育期6l V冷冷越大，過(guò)冷度越大，即實(shí)際結(jié)晶溫度越低越大，過(guò)冷度越大，即實(shí)際結(jié)晶溫度越低7液、固態(tài)金屬的自由能液、固態(tài)金屬的自由能- -溫度曲線(xiàn)溫度曲線(xiàn)GGGG為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過(guò)冷度為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過(guò)冷度（存在過(guò)冷現(xiàn)

4、象）（存在過(guò)冷現(xiàn)象）？dG=-SdT+VdPdG=-SdT+VdP結(jié)晶為等壓過(guò)程，即結(jié)晶為等壓過(guò)程，即dPdP=0=0dGSdT GdSdT l相的自由能隨溫度的升高而降低相的自由能隨溫度的升高而降低l熱力學(xué)第二定律表明，在等溫等壓的條件下，物質(zhì)系統(tǒng)熱力學(xué)第二定律表明，在等溫等壓的條件下，物質(zhì)系統(tǒng)是自發(fā)地從自由能高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。是自發(fā)地從自由能高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。兩條曲線(xiàn)交點(diǎn)的溫度兩條曲線(xiàn)交點(diǎn)的溫度T T0 0即為理論結(jié)晶溫度或熔點(diǎn)。液態(tài)金屬即為理論結(jié)晶溫度或熔點(diǎn)。液態(tài)金屬要結(jié)晶，溫度必須低于要結(jié)晶，溫度必須低于T T0 0，也就是說(shuō)要有一定的過(guò)冷度。，也就是說(shuō)要有

5、一定的過(guò)冷度。 8液、固態(tài)金屬的自由能液、固態(tài)金屬的自由能- -溫度曲線(xiàn)溫度曲線(xiàn)GGGGl過(guò)冷度過(guò)冷度T 越大，結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也越大。越大，結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也越大。 有一定的過(guò)冷度l結(jié)晶時(shí)建立晶體界面消耗能量結(jié)晶時(shí)建立晶體界面消耗能量Al結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)條件結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)條件G A 即過(guò)冷度要足夠大即過(guò)冷度要足夠大l兩相的自由能之差兩相的自由能之差G成為結(jié)成為結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力晶的驅(qū)動(dòng)力9n不一定出現(xiàn)過(guò)熱。不一定出現(xiàn)過(guò)熱。n熔化時(shí)，液相若與汽相接觸，當(dāng)有熔化時(shí)，液相若與汽相接觸，當(dāng)有少量液體金屬在固相表面形成時(shí)，少量液體金屬在固相表面形成時(shí)，就會(huì)很快復(fù)蓋在整個(gè)表面就會(huì)很快復(fù)蓋在整個(gè)表面( (液體金液體金

6、屬總是潤(rùn)濕同一種固體金屬屬總是潤(rùn)濕同一種固體金屬) )，n表面張力平衡：表面張力平衡：n實(shí)驗(yàn)指出實(shí)驗(yàn)指出 熔化時(shí)表面能之間的關(guān)系熔化時(shí)表面能之間的關(guān)系問(wèn)題：?jiǎn)栴}：固態(tài)金屬熔化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱？為什么？固態(tài)金屬熔化時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱？為什么？n說(shuō)明在熔化時(shí)，自由能的變化說(shuō)明在熔化時(shí)，自由能的變化 ( (表面表面)0)0，即，即不存不存在表面能障礙，也就不必過(guò)熱。在表面能障礙，也就不必過(guò)熱。實(shí)際金屬多屬于這種情實(shí)際金屬多屬于這種情況。況。n如果固體金屬熔化時(shí)液相不與汽相接觸，則有可能使固如果固體金屬熔化時(shí)液相不與汽相接觸，則有可能使固體金屬過(guò)熱，然而，這在實(shí)際上是難以做到的。體金屬過(guò)熱，然而，這在實(shí)

7、際上是難以做到的。 10n在液態(tài)金屬中的微小范圍內(nèi)，存在著緊密接觸規(guī)則排列的在液態(tài)金屬中的微小范圍內(nèi)，存在著緊密接觸規(guī)則排列的原子集團(tuán)，稱(chēng)為原子集團(tuán)，稱(chēng)為近程有序近程有序。但在大范圍內(nèi)原子是無(wú)序分布。但在大范圍內(nèi)原子是無(wú)序分布的。的。n液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，“遠(yuǎn)程無(wú)序，近程有序遠(yuǎn)程無(wú)序，近程有序”。n在晶體中大范圍內(nèi)的原子卻是有序排列的，稱(chēng)為在晶體中大范圍內(nèi)的原子卻是有序排列的，稱(chēng)為遠(yuǎn)程有序遠(yuǎn)程有序。n不斷變化著的近程有序原子集團(tuán)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)起伏，或稱(chēng)為相不斷變化著的近程有序原子集團(tuán)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)起伏，或稱(chēng)為相起伏，這是金屬結(jié)晶重要的結(jié)構(gòu)條件。起伏，這是金屬結(jié)晶重要的結(jié)構(gòu)條件。n結(jié)

8、構(gòu)起伏的尺寸大小與溫度有關(guān)，溫度越低，結(jié)構(gòu)起伏的結(jié)構(gòu)起伏的尺寸大小與溫度有關(guān)，溫度越低，結(jié)構(gòu)起伏的尺寸愈大。尺寸愈大。凝固時(shí)的晶核就是在結(jié)構(gòu)起伏的基礎(chǔ)上形成凝固時(shí)的晶核就是在結(jié)構(gòu)起伏的基礎(chǔ)上形成，故又將其稱(chēng)為故又將其稱(chēng)為“晶胚晶胚”。在液體中的晶胚為形核準(zhǔn)備了結(jié)。在液體中的晶胚為形核準(zhǔn)備了結(jié)構(gòu)上的條件。構(gòu)上的條件。 2）結(jié)構(gòu)條件（）結(jié)構(gòu)條件（結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏）112.2.金屬的結(jié)晶過(guò)程：金屬的結(jié)晶過(guò)程：形核形核和和長(zhǎng)大長(zhǎng)大（1 1）形核形核1 1）自發(fā)自發(fā)（均勻）（均勻）形核形核：由液體金屬本身原子自發(fā)形成晶核由液體金屬本身原子自發(fā)形成晶核2 2）非自發(fā)非自發(fā)（非均勻）（非均勻）形核形核：依附

9、于雜質(zhì)而生成晶核依附于雜質(zhì)而生成晶核實(shí)際金屬和合金中以實(shí)際金屬和合金中以非自發(fā)形核非自發(fā)形核為主為主金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖12（2 2）晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大：（：（實(shí)質(zhì)就是原子由液體向固體表面的實(shí)質(zhì)就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。）轉(zhuǎn)移。） 1 1）平面長(zhǎng)大：平面長(zhǎng)大：冷卻速度較小，冷卻速度較小，表面向前平行推移表面向前平行推移長(zhǎng)大長(zhǎng)大 2 2）樹(shù)枝狀長(zhǎng)大：樹(shù)枝狀長(zhǎng)大：冷卻速度較大，形成冷卻速度較大，形成負(fù)溫度梯度負(fù)溫度梯度，樹(shù)枝，樹(shù)枝 狀的形狀長(zhǎng)大。狀的形狀長(zhǎng)大。 金屬結(jié)晶示意圖金屬結(jié)晶示意圖13金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶平面長(zhǎng)大的規(guī)則形狀晶體平面長(zhǎng)大的規(guī)

10、則形狀晶體 樹(shù)枝狀長(zhǎng)大的樹(shù)枝狀晶體樹(shù)枝狀長(zhǎng)大的樹(shù)枝狀晶體14一、純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)?、?xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施三、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施四、鑄錠的結(jié)構(gòu)四、鑄錠的結(jié)構(gòu)五、單晶的制取五、單晶的制取第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶15二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變( (二次結(jié)晶、重結(jié)晶二次結(jié)晶、重結(jié)晶) )l 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金金屬在固態(tài)下隨溫度屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象。格的現(xiàn)象。純鐵的冷卻曲線(xiàn)純鐵的冷卻曲線(xiàn) u在固態(tài)下只有一種晶體結(jié)在固態(tài)下只有一種晶體結(jié)構(gòu)，如鋁、銅、銀（構(gòu)，

11、如鋁、銅、銀（FCCFCC）和鎢、鉬、釩（和鎢、鉬、釩（BCCBCC）等。）等。u存在兩種或兩種以上的晶存在兩種或兩種以上的晶格形式，如鐵、鈷、鈦等。格形式，如鐵、鈷、鈦等。 16三個(gè)特殊溫度：三個(gè)特殊溫度：1538 C、1394C、912CbccfccbccFeFeFe 9121394l 固態(tài)相變固態(tài)相變l形核和長(zhǎng)大形核和長(zhǎng)大l過(guò)冷度較大過(guò)冷度較大l 鈦、錫、鈷、錳等金屬也存在鈦、錫、鈷、錳等金屬也存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 17一、純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)?、?xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施三、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施四、鑄錠的結(jié)構(gòu)四、鑄錠的結(jié)構(gòu)五、單晶的制取

12、五、單晶的制取第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶18三、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施三、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施l 晶粒度晶粒度表示晶粒的表示晶粒的大小，可用晶粒的平大小，可用晶粒的平均面積或平均直徑來(lái)均面積或平均直徑來(lái)表示。表示。l晶粒度號(hào)晶粒度號(hào)越大越大晶粒晶粒越細(xì)越細(xì)1、晶粒度、晶粒度19細(xì)化金屬晶粒是提高其金屬機(jī)械性能的最佳手段之一。細(xì)化金屬晶粒是提高其金屬機(jī)械性能的最佳手段之一。比較： 細(xì)晶強(qiáng)化 強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性 固溶強(qiáng)化 強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性2、晶粒度對(duì)金屬性能的影響、晶粒度對(duì)金屬性能的影響退火態(tài)退火態(tài)7030黃銅晶粒尺寸與硬度的關(guān)系圖黃銅晶粒尺寸與硬度的關(guān)系圖 在高溫下工作的

13、金屬材料，晶粒過(guò)大或過(guò)小都不好。但對(duì)于制造電在高溫下工作的金屬材料，晶粒過(guò)大或過(guò)小都不好。但對(duì)于制造電動(dòng)機(jī)和變壓器的硅鋼片來(lái)說(shuō)，其晶粒越大性能越好。動(dòng)機(jī)和變壓器的硅鋼片來(lái)說(shuō)，其晶粒越大性能越好。 20措施：措施：提高液體金屬的冷卻速度提高液體金屬的冷卻速度 金屬模金屬模 超高速急冷技術(shù)超高速急冷技術(shù)1） 增大過(guò)冷度增大過(guò)冷度成核速率成核速率N： 個(gè)個(gè)/(m3s)長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度G： m/s實(shí)際實(shí)際過(guò)冷度對(duì)成核速率的影響更大過(guò)冷度對(duì)成核速率的影響更大3、 細(xì)化晶粒的措施細(xì)化晶粒的措施 比值比值N/G越大，晶粒越細(xì)小越大，晶粒越細(xì)小212 2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理（自發(fā)形核和非自發(fā)形核）（自發(fā)形核和

14、非自發(fā)形核）變質(zhì)處理：變質(zhì)處理：在液體金屬中加入在液體金屬中加入孕育劑孕育劑或或變質(zhì)劑變質(zhì)劑， 以細(xì)化晶粒和改善組織。以細(xì)化晶粒和改善組織。變質(zhì)劑（孕育劑）變質(zhì)劑（孕育劑）形核劑形核劑長(zhǎng)大抑制劑長(zhǎng)大抑制劑作用：作用：增加晶核的數(shù)量增加晶核的數(shù)量或者或者阻礙晶核的長(zhǎng)大阻礙晶核的長(zhǎng)大例：例： 形核劑：鋼水，形核劑：鋼水，TiTi、V V、AlAl；鋁液體，；鋁液體，TiTi、ZrZr 長(zhǎng)大抑制劑：鋁合金中加入鈉鹽長(zhǎng)大抑制劑：鋁合金中加入鈉鹽223 3）振動(dòng)）振動(dòng)機(jī)械、超聲波，破碎樹(shù)枝晶，更多的結(jié)晶核心機(jī)械、超聲波，破碎樹(shù)枝晶，更多的結(jié)晶核心4 4）電磁攪拌）電磁攪拌電磁感應(yīng)，液態(tài)金屬翻滾，沖斷晶枝

15、，增加結(jié)晶核心電磁感應(yīng)，液態(tài)金屬翻滾，沖斷晶枝，增加結(jié)晶核心細(xì)化晶粒的基本途徑：細(xì)化晶粒的基本途徑：“促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大”23一、純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)⒓?xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施三、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施四、鑄錠的結(jié)構(gòu)四、鑄錠的結(jié)構(gòu)五、單晶的制取五、單晶的制取第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶24四、鑄錠的結(jié)構(gòu)四、鑄錠的結(jié)構(gòu)l 表層細(xì)等軸晶區(qū)表層細(xì)等軸晶區(qū)l 中間柱狀晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)l 心部粗等軸晶區(qū)心部粗等軸晶區(qū)25l 鑄錠晶粒形狀的影響因素鑄錠晶粒形狀的影響因素柱狀晶柱狀晶特點(diǎn)：特點(diǎn)：晶質(zhì)較致密；晶質(zhì)較致密； 性能有方向性，單向載

16、荷有利；（如性能有方向性，單向載荷有利；（如汽輪機(jī)葉片汽輪機(jī)葉片） 接觸面由于常有非金屬夾雜或低熔點(diǎn)雜質(zhì)而為弱面接觸面由于常有非金屬夾雜或低熔點(diǎn)雜質(zhì)而為弱面等軸晶等軸晶沒(méi)有弱面，晶枝彼此嵌入，結(jié)合較牢，性能均勻，沒(méi)有弱面，晶枝彼此嵌入，結(jié)合較牢，性能均勻，無(wú)方向性，是一般情況下無(wú)方向性，是一般情況下金屬特別是鋼鐵鑄件所要求的結(jié)構(gòu)金屬特別是鋼鐵鑄件所要求的結(jié)構(gòu)。加熱溫度高、冷速大、鑄造溫度高和澆注速度大，有利于在鑄錠或加熱溫度高、冷速大、鑄造溫度高和澆注速度大，有利于在鑄錠或鑄件的截面上保持較大的溫度梯度，獲得較發(fā)達(dá)的柱狀晶。鑄件的截面上保持較大的溫度梯度，獲得較發(fā)達(dá)的柱狀晶。鑄造溫度低，冷速小

17、，利于截面溫度的均勻化，促進(jìn)等軸晶的形成。鑄造溫度低，冷速小，利于截面溫度的均勻化，促進(jìn)等軸晶的形成。26l 鑄錠的缺陷鑄錠的缺陷1 1）縮孔縮孔（集中縮孔）（集中縮孔）-最后凝固的地方最后凝固的地方2 2）疏松疏松（分散縮孔）（分散縮孔）-枝晶間和枝晶內(nèi)枝晶間和枝晶內(nèi)3 3）氣孔氣孔（皮下氣孔）（皮下氣孔）27四、鑄錠的結(jié)構(gòu)四、鑄錠的結(jié)構(gòu)單晶是電子元件中非常重要的原料。根據(jù)結(jié)晶理單晶是電子元件中非常重要的原料。根據(jù)結(jié)晶理論，制備單晶的基本要求是液體結(jié)晶是只存在一論，制備單晶的基本要求是液體結(jié)晶是只存在一個(gè)晶核，要防止另外形核。主要采用下列兩種方個(gè)晶核，要防止另外形核。主要采用下列兩種方法：法

18、：1、尖端形核法、尖端形核法將原料放入尖底圓柱形坩堝加熱熔化，讓坩堝緩慢將原料放入尖底圓柱形坩堝加熱熔化，讓坩堝緩慢下降入冷卻區(qū)，底部尖端液體首先達(dá)到過(guò)冷態(tài)，形下降入冷卻區(qū)，底部尖端液體首先達(dá)到過(guò)冷態(tài)，形成一個(gè)晶核，隨著坩堝不斷下降，這個(gè)晶核逐漸長(zhǎng)成一個(gè)晶核，隨著坩堝不斷下降，這個(gè)晶核逐漸長(zhǎng)大并獲得單晶。大并獲得單晶。2、將坩堝中原料加熱熔化，將籽晶夾在一個(gè)桿上，、將坩堝中原料加熱熔化，將籽晶夾在一個(gè)桿上，讓籽晶與熔體接觸，不斷緩慢旋轉(zhuǎn)并拉出，形成一讓籽晶與熔體接觸，不斷緩慢旋轉(zhuǎn)并拉出，形成一個(gè)單晶。個(gè)單晶。28第二節(jié)第二節(jié) 合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶2.2.1 二元合金的結(jié)晶二元合金的結(jié)晶2.2.

19、2 鐵碳合金的結(jié)晶鐵碳合金的結(jié)晶29第二節(jié)第二節(jié) 合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 純金屬：狀態(tài)（相）純金屬：狀態(tài)（相）溫度溫度 合金：狀態(tài)（相）合金：狀態(tài)（相）溫度、成分溫度、成分Cu-NiCu-Ni合金相圖合金相圖l 相圖（狀態(tài)圖、平衡圖）相圖（狀態(tài)圖、平衡圖）：表：表示合金系中合金的狀態(tài)與示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、溫度、成分成分間的關(guān)系的圖解。間的關(guān)系的圖解。用途用途1 1：不同成分的合金在不同溫不同成分的合金在不同溫度下所存在的狀態(tài)，包括存在度下所存在的狀態(tài)，包括存在哪些相、相的成分及相對(duì)含量。哪些相、相的成分及相對(duì)含量。用途用途2 2：在緩慢加熱或冷卻過(guò)程中，：在緩慢加熱或冷卻過(guò)程中，不同成分

20、的合金會(huì)發(fā)生那些相不同成分的合金會(huì)發(fā)生那些相的轉(zhuǎn)變。的轉(zhuǎn)變。30杠桿定律杠桿定律CuNiNi%T,C2040608010010831455L L+ 2ba1b1c11. 1. 在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)每一確定的溫度，應(yīng)每一確定的溫度，兩相的成分是確定的。兩相的成分是確定的。2. 2. 隨著溫度的降低，隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液兩相的成分分別沿液相線(xiàn)和固相線(xiàn)變化。相線(xiàn)和固相線(xiàn)變化。杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)每一確定的溫度，成分確應(yīng)每一確定的溫度，成分確定的合金中兩相質(zhì)量的比值定的合金中兩相質(zhì)量的比值是確定的。即是確定的。即QL/Q =b1c1/a1b1杠桿定

21、律推論：在兩杠桿定律推論：在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)溫度相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)溫度T1時(shí)兩相在合金時(shí)兩相在合金b中的相中的相對(duì)質(zhì)量各為對(duì)質(zhì)量各為QL/QH=b1c1/a1c1Q /QH=a1b1/a1c1=1- QL/QHb2a2c231acabQQacbcLQQL)(;)(合金合金杠桿定律的適用范圍：杠桿定律的適用范圍：（1 1）只適用于相圖中的兩相區(qū)；）只適用于相圖中的兩相區(qū)；（2 2）只能在平衡狀態(tài)下使用）只能在平衡狀態(tài)下使用（3 3）支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)，兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩）支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)，兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分相的成分杠桿定律是計(jì)算杠桿定律是計(jì)算合金平衡組織中合金平衡組織中的組成相或組織的

22、組成相或組織組成物的質(zhì)量分組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重要工具。數(shù)的重要工具。應(yīng)當(dāng)熟練掌握和應(yīng)當(dāng)熟練掌握和運(yùn)用。運(yùn)用。 32例：將例：將20kg20kg純銅與純銅與30kg30kg純鎳熔化后慢冷至如圖溫度純鎳熔化后慢冷至如圖溫度T T1 1, ,求此時(shí)求此時(shí): :1)1)兩相的成分兩相的成分; ;2)2)兩相的重量比兩相的重量比; ;3)3)兩相的相對(duì)重量?jī)上嗟南鄬?duì)重量; ;4)4)兩相的重量。兩相的重量。L, 50%Ni; , 80%Ni1:250606080/L%3 .3350805060)(%7 .6650806080)(LkgkgL7 .1650%3 .334 .3350%7 .66重量重量33

23、根據(jù)結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)的不同類(lèi)型的結(jié)晶反應(yīng)，可把結(jié)晶過(guò)根據(jù)結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)的不同類(lèi)型的結(jié)晶反應(yīng)，可把結(jié)晶過(guò)程分為發(fā)生程分為發(fā)生勻晶反應(yīng)、共晶反應(yīng)、包晶反應(yīng)、共析反應(yīng)勻晶反應(yīng)、共晶反應(yīng)、包晶反應(yīng)、共析反應(yīng)的的合金的結(jié)晶和合金的結(jié)晶和含有穩(wěn)定化合物的合金的結(jié)晶含有穩(wěn)定化合物的合金的結(jié)晶Cu-NiCu-Ni合金相圖合金相圖 123X134PbSnT, CL + L + L + 183cedl 鉛-錫合金共晶相圖 12X2123X3 123X1412 3X41234X5abfgSn%c1e135l 鉑-銀合金包晶相圖PtAgAg%T, CL + L + L + cedfgab 123X1 123X2 123

24、X3 123X44 123X5436l 共析相圖ABT, C + + + cedL + L 123X1456123X24 123X345123X445123X545637l 含有穩(wěn)定化合物的相圖 38鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖l 鐵碳合金鐵碳合金（Iron-carbon Alloy）以鐵和碳為基本組元的合金。以鐵和碳為基本組元的合金。l 鐵碳合金類(lèi)別鐵碳合金類(lèi)別l 碳在鐵碳合金中的存在形式碳在鐵碳合金中的存在形式 C C溶入溶入FeFe的晶格間隙中形成間隙固溶體（鐵素體、奧氏體）。的晶格間隙中形成間隙固溶體（鐵素體、奧氏體）。 C C與與FeFe作用形成化合物（作用形成化合物（FeFe3 3C

25、C、FeFe2 2C C、FeCFeC）。）。 以游離態(tài)（石墨）存在。以游離態(tài)（石墨）存在。當(dāng)當(dāng)C C主要以主要以FeFe3 3C C形式存在時(shí)，鐵碳合金的組成相就是形式存在時(shí)，鐵碳合金的組成相就是FeFe和和FeFe3 3C C。本節(jié)討論的鐵碳相圖即為本節(jié)討論的鐵碳相圖即為Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖。相圖。碳鋼碳鋼（Carbon Steel）（wC%2.11%）鑄鐵鑄鐵（Cast Iron）（wC%2.11%）鐵碳合金鐵碳合金3940 1.1. 定義：定義：碳溶解在體心立方晶格的碳溶解在體心立方晶格的 -Fe中形成的間隙固溶體。中形成的間隙固溶體。 相相的最大溶碳量（的最大溶碳量（

26、727727 C C時(shí)時(shí)）為）為0.0218%0.0218%，室溫溶碳量為，室溫溶碳量為0.0008%0.0008%。性能：性能：強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性高。強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性高。鐵碳合金中的基本固相鐵碳合金中的基本固相 2. 2. 定義：定義：碳溶解在面心立方晶格的碳溶解在面心立方晶格的 -FeFe中形成的間隙固溶體。中形成的間隙固溶體。 相相的最大溶碳量為的最大溶碳量為2.11%2.11%。 性能：性能：強(qiáng)度和硬度較低，塑性和韌性高。強(qiáng)度和硬度較低，塑性和韌性高。3 3. 定義：定義：碳溶解在體心立方晶格的碳溶解在體心立方晶格的 -Fe中形成的間隙固溶體。中形成的間隙固溶體。 的最大

27、溶碳量為的最大溶碳量為0.09%0.09%。4.4.Fe3C 定義：定義：碳和鐵相互作用形成的化合物。碳和鐵相互作用形成的化合物。 性能：性能：熔點(diǎn)高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。熔點(diǎn)高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。411 1）.Fe-Fe.Fe-Fe3 3C C相圖中的重要點(diǎn)相圖中的重要點(diǎn)J: 包晶點(diǎn)包晶點(diǎn) w(c)=0.17% 在該點(diǎn)發(fā)生包晶反應(yīng)在該點(diǎn)發(fā)生包晶反應(yīng)H: 碳在碳在 -Fe中的最大溶解度，中的最大溶解度，w(c)=0.09%C: 共晶點(diǎn)共晶點(diǎn) w(c)=4.3% 在該點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)在該點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)E: 碳在碳在 -Fe 中的最大溶解度，中的最大溶解度，w(c)=2.11%

28、S: 共析點(diǎn)共析點(diǎn) w(c)=0.77%在該點(diǎn)發(fā)生共析反應(yīng)在該點(diǎn)發(fā)生共析反應(yīng)P：碳在：碳在 -Fe 中的最大溶解度，中的最大溶解度，w(c)=0.0218%鐵碳合金相圖中的重要點(diǎn)、線(xiàn)和區(qū)鐵碳合金相圖中的重要點(diǎn)、線(xiàn)和區(qū)L L0.530.53 0.090.09 0.170.1714951495 C CL L4.34.3 2.112.11 FeFe3 3C C11481148 C C 0.770.77 0.02180.0218 FeFe3 3C C727727 C C422）.Fe-Fe3C相圖中的重要線(xiàn)相圖中的重要線(xiàn)l 液、固相線(xiàn)液、固相線(xiàn)液相線(xiàn)：液相線(xiàn)：ABCDABCD；固相線(xiàn)：；固相線(xiàn)：AHJ

29、ECFAHJECFl 三條水平線(xiàn)三條水平線(xiàn)HJBHJB線(xiàn)：包晶線(xiàn)（線(xiàn)：包晶線(xiàn)（14951495 C C） 包晶反應(yīng)：包晶反應(yīng)：ECFECF線(xiàn)：共晶線(xiàn)（線(xiàn)：共晶線(xiàn)（11481148 C C） 共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：PSKPSK線(xiàn)：共析線(xiàn)（線(xiàn)：共析線(xiàn)（727727 C C），又標(biāo)記為），又標(biāo)記為A A1 1線(xiàn)線(xiàn) 共析反應(yīng)：共析反應(yīng)：L L4.34.3 2.112.11 FeFe3 3C C11481148 C C 0.770.77 0.02180.0218 FeFe3 3C C727727 C CL L0.530.53 0.090.09 0.170.1714951495 C C43l 三條固態(tài)轉(zhuǎn)變線(xiàn)

30、三條固態(tài)轉(zhuǎn)變線(xiàn)GSGS線(xiàn)：冷卻時(shí)線(xiàn)：冷卻時(shí) 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)?的的臨界溫度線(xiàn)，或加熱時(shí)臨界溫度線(xiàn)，或加熱時(shí) 全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿哭D(zhuǎn)變?yōu)?的的 臨界溫度線(xiàn)，又標(biāo)記為臨界溫度線(xiàn)，又標(biāo)記為A A3 3線(xiàn)。線(xiàn)。ESES線(xiàn)：碳在線(xiàn)：碳在 中的固溶度曲線(xiàn)，中的固溶度曲線(xiàn)，又標(biāo)記為又標(biāo)記為A Acmcm線(xiàn)。線(xiàn)。PQPQ線(xiàn)：碳在鐵素體（線(xiàn)：碳在鐵素體（ ）中的固溶度曲線(xiàn)。）中的固溶度曲線(xiàn)。3）.Fe-Fe3C相圖中的重要區(qū)相圖中的重要區(qū)5 5個(gè)單相區(qū)：個(gè)單相區(qū)： L L、 、 、 、FeFe3 3C C；7 7個(gè)兩相區(qū)：個(gè)兩相區(qū)：L L 、L L 、 、L LFeFe3 3C C、 、 FeFe3 3C C、 FeFe

31、3 3C C；3 3三相區(qū)：三相區(qū)：L L 、L L FeFe3 3C C、 FeFe3 3C C，即三條水平線(xiàn)。即三條水平線(xiàn)。 F Fe e3 3C C F Fe e3 3C C44 1）鐵素體）鐵素體 F 由由 形成的組織。形成的組織。 2）奧氏體）奧氏體 A 由由 形成的組織。形成的組織。 3）萊氏體）萊氏體 Le 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物形成的組織，共晶反應(yīng)的產(chǎn)物形成的組織， 由由A和共晶滲碳體組成，形態(tài)：塊狀或粒狀和共晶滲碳體組成，形態(tài)：塊狀或粒狀A(yù)分布在共分布在共 晶滲碳體基體上。晶滲碳體基體上。 4）珠光體）珠光體 P 共析反應(yīng)的產(chǎn)物形成的組織共析反應(yīng)的產(chǎn)物形成的組織 由由F與共析滲碳體組

32、成，形態(tài)：片層狀，片層狀的共與共析滲碳體組成，形態(tài)：片層狀，片層狀的共 析滲碳體分布在鐵素體基體上。析滲碳體分布在鐵素體基體上。 L L4.34.3 2.112.11 FeFe3 3C C11481148 C C 0.770.77 0.02180.0218 FeFe3 3C C727727 C C鐵碳合金相圖中的組織鐵碳合金相圖中的組織455 5）五種形態(tài)不同的滲碳體）五種形態(tài)不同的滲碳體l 一次滲碳體一次滲碳體（F Fe e3 3C C）從液相中析出的滲碳體，呈粗大片條狀。從液相中析出的滲碳體，呈粗大片條狀。l 共晶滲碳體共晶滲碳體共晶反應(yīng)中生成的滲碳體，為合金基體。共晶反應(yīng)中生成的滲碳體，

33、為合金基體。l 二次滲碳體二次滲碳體（F Fe e3 3C C）從奧氏體中析出的滲碳體，呈網(wǎng)狀。從奧氏體中析出的滲碳體，呈網(wǎng)狀。l 共析滲碳體共析滲碳體共析反應(yīng)中生成的滲碳體，呈層片狀。共析反應(yīng)中生成的滲碳體，呈層片狀。l 三次滲碳體三次滲碳體（F Fe e3 3C C）從鐵素體中析出的滲碳體，呈短條狀。從鐵素體中析出的滲碳體，呈短條狀。特別說(shuō)明：特別說(shuō)明：5 5種種F Fe e3 3C C除對(duì)鐵碳合金性除對(duì)鐵碳合金性能有不同影響外，本質(zhì)能有不同影響外，本質(zhì)上并無(wú)不同，都是同一上并無(wú)不同，都是同一種相，只是顯微組織特種相，只是顯微組織特征不同而已。征不同而已。46LL+ L+Fe3C +Fe3

34、C +Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程分析典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程分析亞共晶白口鑄鐵（亞共晶白口鑄鐵（wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）過(guò)共晶白口鑄鐵（過(guò)共晶白口鑄鐵（wC% %4.3%4.3%6.69 % %）工業(yè)純鐵（工業(yè)純鐵（wC% %0.0218%0.0218%）共析鋼（共析鋼（wC% %0.77%0.77%）亞共析鋼鐵（亞共析鋼鐵（wC% %0.0218%0.0218%0.7

35、7%0.77%）過(guò)共析鋼（過(guò)共析鋼（wC% %0.77%0.77%2.11%2.11%）共晶白口鑄鐵（共晶白口鑄鐵（wC% %4.3%4.3%）471.1.合金合金：工業(yè)純鐵：工業(yè)純鐵（Commercially Pure Iron） （wC% %0.0218%0.0218%）12工業(yè)純鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖工業(yè)純鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖3456748FFe3C工業(yè)純鐵（工業(yè)純鐵（wC 0.0218%）的室溫組織）的室溫組織FFe3C492.2.合金合金：共析鋼：共析鋼（Eutectoid Steel） （wC% %0.77%0.77%）1234共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖342350共析鋼（共析

36、鋼（wC= 0.77%）的室溫組織）的室溫組織PFFe3CP51FFe3CP共析鋼（共析鋼（wC= 0.77%）的室溫組織）的室溫組織P523.3.合金合金：亞共析鋼：亞共析鋼（Hypoeutectoid Steel） （wC% %0.0218%0.0218%0.77%0.77%）1234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545663453亞共析鋼（亞共析鋼（wC= 0.0218% 0.77%）的室溫組織）的室溫組織FPFP54亞共析鋼的室溫組織亞共析鋼的室溫組織wC% %0.2%0.2%的亞共析鋼的亞共析鋼wC% %0.4%0.4%的亞共析鋼的亞共析鋼wC% %0.6%0.6%的亞

37、共析鋼的亞共析鋼55過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖4.4.合金合金：過(guò)共析鋼：過(guò)共析鋼（Hypereutectoid Steel） （wC% %0.77%0.77%2.11%2.11%）123454523356過(guò)共析鋼（過(guò)共析鋼（wC= 0.77 2.11%）的室溫組織）的室溫組織P Fe3CFe3CP575.5.合金合金：共晶白口鑄鐵：共晶白口鑄鐵（Eutectic White Cast Iron） （wC% %4.34.3）123共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖1223dLd這里的這里的L Ld d是由是由A A 和和FeFe3 3C C共晶共晶組成的機(jī)械

38、混合物組成的機(jī)械混合物保留了高溫下保留了高溫下L Le e的形態(tài)特征但的形態(tài)特征但已發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的機(jī)械混合物，已發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的機(jī)械混合物，由由P P 和和FeFe3 3C CII II+Fe+Fe3 3C C共晶共晶組成，組成，稱(chēng)為稱(chēng)為變態(tài)萊氏體變態(tài)萊氏體或或低溫萊氏體，低溫萊氏體，記為記為L(zhǎng)eLeLe58共晶白口鑄鐵（共晶白口鑄鐵（wC= 4.3%）的室溫組織）的室溫組織Le Fe3CPLe596.6.合金合金：亞共晶白口鑄鐵：亞共晶白口鑄鐵（Hypoeutectic White Cast Iron） （wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）1234過(guò)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖過(guò)共

39、晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖60亞共晶白口鑄鐵（亞共晶白口鑄鐵（wC= 2.11% 4.3%）的室溫組織）的室溫組織P Fe3CII Le Fe3CPLe617.7.合金合金：過(guò)共晶白口鑄鐵：過(guò)共晶白口鑄鐵（Hypereutectic White Cast Iron） （wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）1234過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程與亞共晶白口鑄鐵類(lèi)似，只是與亞共晶白口鑄鐵類(lèi)似，只是先共晶相為一次滲碳體。先共晶相為一次滲碳體。62過(guò)共晶白口鑄鐵（過(guò)共晶白口鑄鐵（wC= 4.3% 6.69%）的室溫組織）的室溫組織Fe3C Le Fe3CLe63 鐵碳合金平衡結(jié)晶后的室溫組織：鐵碳合金平衡結(jié)晶后的室溫組織： 合金合金（工業(yè)純鐵）（工業(yè)純鐵）結(jié)晶完成后的室溫組織：結(jié)晶完成后的室溫組織： Fe3C 合金合金（共析鋼）（共析鋼）結(jié)晶完成后的室溫組織：結(jié)晶完成后的室溫組織：P 合金合金（亞共析鋼）（亞共析鋼）結(jié)晶完成后的室溫組織：結(jié)晶完成后