1、第二章 材料的结构与凝固,主讲人：孙利,二、二元合金相图,1、合金的结晶特点2、二元合金相图的基本知识3、二元合金相图的用途与建立方法4、二元合金相图类型 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 四种转变5、相图与合金性能之间的关系6、铁碳合金相图,1、合金的结晶特点 （也是形核与长大，但有自己的特点）：,（1）不是恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。（2）结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相， 各相成分也变化。,纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。在结晶的过程中只有液相和固相数量的变化。而合金的结晶通常是在一定的温度范围内进行的，在结晶的过程中，不但有固相和液相数量变化，而且各相的
2、成分也在变化。为了研究合金结晶过程的特点以及合金相与组织的变化规律，必须应用合金相图这一重要工具。,2、二元合金相图的基本知识 相图（平衡图、状态图）相图是表明平衡结晶条件下（即极缓慢加热或冷却条件下）合金系中成分、温度和相（或组织）之间的关系图形。表示在平衡状态下，合金的组成相或组织状态与温度、成分、压力之间关系的简明图解 。平衡状态 :合金的成分、质量份数不再随时间而变化的一种状态。,相图用途： 研究合金的相变、组织形成及变化的规律； 制定热加工工艺的重要工具。 建立方法：相图的建立可以用实验的方法，也可以用计算的方法， 热分析法、金相法、膨胀法、电阻法等。主要是热分析法下面就以Cu-Ni
3、二元合金系为例进行介绍： 1）配制不同成分的合金 2）测定每种合金的冷却曲线，找出每种合金的临界点（即冷却曲线上的转折点） 3）将具有相同意义的临界点标注在温度成分坐标图中相应的合金线上。 4）把具有相同意义的临界点连成曲线即可,3、二元合金相图的用途与建立方法,4、二元合金相图类型,匀晶相图共晶相图包晶相图共析相图,一、匀晶相图,4、二元合金相图类型,匀晶相图中两组元在液态、固态下都能无限互溶，具有这类相图的二元合金系有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni、W-Mo、Cr-Mo等，有些硅酸盐材料如镁橄榄石（Mg2SiO4）-铁橄榄石（Fe2SiO4）等也具有此类特征。在这类合金中，
4、结晶时都是由液相结晶出单相的固溶体，（不同温度结晶的固溶体成分不同）这种结晶过程称为匀晶转变。,上面一条是液相线，下面一条是固相线。由液相线和固相线将相图分成三个相区：液相区L、固相区以及液、固两相并存区L+ 。其中相是铜和镍形成的合金溶液，是铜和镍组成的无限固溶体。,杠杆定律,以Cu-Ni合金相图为例说明：设某一合金成分为b，在t温度时，L相的成分为a1；相的成分为c1。L、 两相的重量为WL、W 、总重量为W。则有：WL+W =W (1) WLa1+ Wc1 = Wb (2)由此两式得： 则L、 两相得相对重量分数为：,杠杆定律的力学比喻,杠杆定律的使用条件,只适用于相图中的两相区，只能在
5、平衡状态下使用,固溶体结晶时的晶内偏析,纯金属？,共晶合金结晶过程示意图,亚共晶合金结晶过程示意图,共晶组织示意图,当合金凝固到一定温度时，若已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相发生反应生成另一种固相，即包晶转变。,包晶线与共晶线不同之处在于：共晶反应为分解型反应：而包晶反应为合成型反应：共晶线为固相线，而包晶线仅有PD段为固相线，而CD线段为非固相线；反应后的组织不同；液相成分点位置不同。,Pt-Ag 合金相图,合金的平衡结晶过程,合金的平衡结晶过程,合金的平衡结晶过程,匀晶转变: L(液)(固)共晶转变: L(液)(固)+ (固)包晶转变: L(液)+(固)(固)共析转变: (固)(固)+
6、(固),相图与合金性能之间的关系,（一） 铁碳合金概述 （二） 铁碳相图的应用（三） 铁碳合金中的组元（四） 铁碳合金中的基本相（五） FeFe3C相图分析（六） 碳素结构钢的分类和编号（七） 铁碳合金的平衡结晶过程及组织,5、铁碳合金相图,（一）FeC合金概述,钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是现代机械制造工业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，其基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloys of the ironcarbon system）。 铁碳相图(iron-carbon diagram)描述了钢铁材料的成分、温度与组织（相）之间的
7、关系，是了解钢铁材料的基础。,在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。,（二）铁碳相图的应用,在生产中具有很大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。（1）在选材方面（2）在铸造工艺方面（3）在热锻热轧工艺方面（4）在热处理工艺方面,(1) 纯铁（Fe）熔点1538，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程
8、中存在同素异晶转变。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。(2) 碳（Fe3C）在FeFe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。,（三） FeC合金中的组元,纯铁（pure iron） 熔点1538、汽化点2738、密度7.87g/。同素异构转变磁性转变（770/768磁性转变、magnetic transformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。,(1) 纯铁（Fe）,纯铁的显微组织,（2）渗碳体(Fe3C),渗碳体（cementite）晶体结构复杂，含碳量6.69，熔点
9、高，硬而脆，几乎没有塑性。Fe3C在230以下具有铁磁性亚稳化合物。渗碳体可以分解形成石墨状的自由碳：Fe3C3Fe + C(石墨)。,渗碳体对合金性能的影响：（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使 合金的塑性和韧性降低。（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：A、以层片状或粒状均匀分布在组织中，能高合金的强度； B、以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低 合金的强度、塑性韧性。,（四） FeC合金中的基本相,相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。固溶体是铁素体和奥
10、氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。,（1）铁素体碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用a或者F表示，为体心立方晶格结构。塑性好，强度硬度低。（2）奥氏体碳溶于g-Fe中形成的间隙固溶体称为奥体，用g或者A表示，为面心立方晶格结构。塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。（3）渗碳体Fe3C（前面已讲过）,简图总结,两相机械混合物：4. 珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。5. 莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。 组
11、织组成物：指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。,（五） FeFe3C相图分析,FeFe3C相图全貌。根据分析围绕三条水平线可把FeFe3C相图分解为三个部分考虑： 左上角的包晶部分 右边的共晶部分 左下角的共析部分分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线 、重要的相界线 铁碳合金分类,FeFe3C相图相图中的各特性点：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点,1组元的熔点： A (0, 1538) Fe ； D (6.69, 1227) Fe3C
12、,2同素异构转变点：N（0, 1394）-Fe-Fe； G（0, 912）-Fe-Fe,5其它点B（0.53，1495），发生包晶反应时液相的成分F（6.69，1148），渗碳体K（6.69，727 ），渗碳体,3碳在铁中最大溶解度点：P（0.0218，727），碳在-Fe中的最大溶解度；E（2.11，1148），碳在-Fe 中的最大溶解度；H（0.09，1495），碳在-Fe中的最大溶解度Q（0.0008，RT），室温下碳在-Fe中的溶解度,4三相共存点： S（共析点，0.77，727），（AF Fe3C） C（共晶点，4.3，1148），（AL Fe3C） J（包晶点，0.17，1495）
13、，（ AL ）,2、图中重要的线： FeFe3C相图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。 A、三条水平恒温转变线 B、二条磁性转变线(水平) C、三条重要的相界线,HJB为包晶转变线转变：+LECF为共晶转变线：L+Fe3C（莱氏体）PSK为共析转变线：+Fe3C（珠光体）, 230为水平线为Fe3C的磁性转变线，230以上Fe3C无磁性，230以下为铁磁性。常用A0表示； 770为的铁磁性转变线。770以上无铁磁性， 770以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里点。, GS线：A中开始析出或全部溶入(升温时) 的转变线。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析相开始析
14、出线。常称为A3线或A3温度。 ES线：C在中溶解度曲线。低于此温度，溶解度降低，析出Fe3C。为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将中析出的Fe3C称为二次Fe3C。 PQ线：C在中溶解度曲线。在727时，C在中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次Fe3C。以区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。,3、FeFe3C相图中的区,FeFe3C相图中的区： 5个单相区：L、渗碳体 7个两相区：L+、L+、L+ Fe3C、+、+ Fe3C、+、+ Fe3C 3个三相共存区：L+ Fe3C（ECF共晶线）、L+（HJB包晶线）、+ F
15、e3C（PSK共析线）,Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁（pure iron）碳钢（carbon steel）铸铁（cast iron）根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即： 1）工业纯铁(Wc0.0218%)显微组织为固溶体。室温下退火态的组织由等轴晶粒组成；强度低，塑性、韧性好；作为功能材料使用，如变压器的铁芯等,4、FeC合金分类,钢（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之间的FeC合金。其特点是：高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。亚共析钢（hypoeutectoid steel）：Wc=
16、0.02180.77%含碳量在0.15-0.25%的亚共析钢：属低碳钢，为工程结构用钢。这类钢主要用于房屋，桥梁、船舶、车辆、矿井或油井井架等大型工程结构件，一般不进行热处理，直接在热轧或正火状态下使用。含碳量在0.30-0.50%的亚共析钢，属中碳钢，为机械结构用钢。主要用于制造各种机械零部件，如轴类、齿轮等。它要求有较高的强度，塑性、韧性和疲劳强度等综合力学性能。这类钢通常在淬火、高温回火状态下使用，常称之为调质钢。含碳量在0.60.7%的亚共析钢，属高碳钢，也为机械结构用钢。主要用于制造各种弹性元件，如弹簧。它要求有较高的弹性极限和疲劳强度。这类钢通常在淬火后再中温回火后使用，常称之为弹
17、簧钢。共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77%过共析钢（hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11%含碳量在0.7%以上的共析钢和过共析钢，属于高碳钢，属工具钢类。主要用于制作刃具、量具、模具、轧制工具及耐磨损工具等。要求有高强度、高硬度和高耐磨性等。,2）钢（carbon steel）,3）白口铸铁（white cast iron）,白口铸铁含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。铸铁具有较低的熔点，优良的铸造工艺性能和良好的抗震性，且生产工艺简单，成本低廉，用途非常广泛。如：各类机器的机身或底座，土建工程中的铸铁管，冶金工业中的钢锭模及轧辊等。它们
18、的断口呈银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织可分为三种：共晶白口铸铁（eutectic cast iron）：Wc=4.30%亚共晶白口铸铁（hypoeutectic cast iron）：Wc=2.114.30%过共晶白口铸铁（hypereutectic cast iron）：Wc=4.306.69%Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。,（六） 碳素结构钢的分类和编号,关于钢和铸铁的命名法则，国内和国际上都有强制性标准。下面给大家介绍一下碳素结构钢的分类和牌号。1.分类1）根据钢的含碳量分类（1）低碳钢 Wc0.25% （2）中碳钢 Wc=0.250.6
19、0% （3）高碳钢 Wc0.60%2）根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类 （1） 普通碳素钢 Ws0.055% Wp0.045% （2） 优质碳素钢 Ws0.040% Wp0.040% （3） 高级优质碳素钢 Ws0.030% Wp0.030%3）根据钢的用途分类 （1）碳素结构钢 （2）碳素工具钢,2.碳钢的编号,我国的钢材编号是采用国际化学符号，数字及汉语拼音字母并用的原则，碳钢的具体编号方法如下： 1）普通碳素结构钢 该类钢牌号表示方法是用“Q+数字+符号”表示 ，其中Q代表屈服点的字母，数字表示屈服点数值（MPa），质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F，b，Z，TZ）
20、等四部分按顺序组成。如Q235-A.F，表示屈服强度数值为235MPa的A级沸腾钢。质量等级符号表示普碳钢中杂质硫磷含量的高低，C，D级的含量最低，质量好。脱氧方法符号从F起依次分别表示沸腾钢，半镇静钢， 镇静钢及特殊镇静钢，后两种钢牌号中的脱氧方法符号可省略。主要有：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275,2）优质碳素结构钢 该类钢的钢号用“两位数字或两位数字Mn”表示，其中两位数字表示钢中碳的平均含量，单位为万分之一； Mn表示对含锰量较高的钢，须将锰元素标出，一般锰的含量为0.701.0%，如：20、20 Mn 、45、40 Mn 。钢号45，表示平均含碳量为0.45%的钢，这
21、是正常含锰量（按杂质含量）的优质碳素结构钢；钢号20 Mn表示碳的平均含量为0.20%、Mn表示锰的含量为0.701.0%的钢；钢号25Mn，表示平均含碳量为0.25%而含锰量为(0.71.0)%的钢。 沸腾钢，半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出，如15g，即平均含碳量为0.15%的锅炉钢；08F表示含碳量为0.08%的沸腾钢。,3）碳素工具钢 碳素工具钢是用“T+数字”表示，其中T为碳的拼音，其后数字表示钢中平均含碳量的千分之几。如平均含碳量为0.8%的工具钢，其钢号记为“T8” ；T12表示碳的平均含量为1.2%的碳素工具钢。含锰量较高者须在钢号后标以“Mn”。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“A”，如T10A。,（七） FeC合金的平衡结晶过程及组织,1、工业纯铁2、亚共析钢3、共析钢4、过共析钢5、亚共晶白口铸铁6、共晶白口铸铁7、过共晶白口铸铁,含碳量对碳钢平衡组织和性能的影响,思 考,写出各类碳钢的室温平衡组织，列出组织与力学性能之间对应表格。,
