1、材料学院,材料的结构组织与性能 （三）,金相显微镜,材料的性能与微观组织有密切的联系,同是40Cr钢退火与淬火处理硬度相差一倍以上，金相组织截然不同,淬火,（1）相化学成分、（晶体）结构、性能相同且有界面与其他部分隔开的均匀组成部分。,名词解释,（2）组织用放大镜或显微镜观察到的材料的宏观或微观形貌图像。（如宏观组织、微观组织、金相组织、单相组织、多相组织） （3）合金两种或两种以上的金属、金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。（如铝合金、铜合金、合金钢、硬质合金等） （4）组元组成合金的独立的最基本的物质。,合金相结构“相”是构成金属合金组织的基本单元。如果组织只
2、由一种相构成，称为“单相组织”，否则为“多相组织”。,单相组织,多相组织,合金相的分类,固 溶 体如果合金的组元在固态下能彼此相互溶解，则在液态合金凝固时，组元的原子将共同地结晶成一种晶体，晶体内包含有各种组元的原子，晶格的形式与其中一组元相同，这样，这些组元就形成了固溶体。晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂（solvent），其它组元为溶质（solute）。由此可见，固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为置换固溶体（substitutional solid solution）与间隙固溶体（interstitial
3、 solid solution）。,置换固溶体溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体，如同在这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换，所以称为置换式固溶体，如下图所示。,间隙固溶体 当溶质原子比较小时，如碳、氢、氮、硼等，它们插入晶格空隙而形成的固溶体称为间隙固溶体，如下图所示。,金属化合物在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将形成晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属化合物。金属化合物可有多种类型，但它们在二元相图上所处的位置总是在两个固溶体区域之间的中间部位，所以通常又把这些合金相总称为中间相。金属化合物的类型很多，分类也不一致，主要包括：服从原子价规律的正
4、常价化合物（normal valence compound），决定于电子浓度的电子化合物（electron compound），小尺寸原子与过渡族金属之间形成的间隙化合物（interstitial compound）等等。金属化合物往往具有较高的熔点、较高的硬度、是合金中的重要强化相。,二元合金相图如前所述，合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金的组织与性能间的关系，必须了解合金的结晶过程，了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图（state diagram）表明了合金系中合金的状态与温度、成分间的关系，表示合金系在平衡条件（即缓慢加热或冷却条件）下，不同温度、成分下的各相的关系，因此又称
5、为平衡相图（equilibrium diagram）。合金相图的作用：（1）了解不同成分的合金，在平衡条件下及不同温度下的状态，即了解合金由哪些相组成，每个相的成分及相对含量等；（2）了解合金在加热冷却过程中可能发生的转变；（3）对合金进行微观组织分析，是制定铸造、锻造、热处理工艺的重要依据。在常压下，二元合金的相状态决定于温度与成分，因此二元合金相图可用温度成分坐标系的平面图来表示。,二元相图的建立建立相图的具体方法有: (1)热分析法（thermal analysis）; (2)金相分析法（metallographic method）; (3)硬度测定法（hardness method）;
6、 (4)X衍射分析法（X-ray diffraction method）； (5)膨胀试验法（dilatometry method）； (6)电阻试验法（electrical resistivity method）等。这些方法都是以合金相变时发生某些物理变化为基础的。,用热分析法建立相图的步骤合金凝固释放的凝固潜热一般较大，用热分析法测定合金的凝固温度比较方便。这里以Cu-Ni合金系为例，介绍采用热分析法建立二元相图的步骤： (1) 首先，配制一系列成分的铜镍合金。如：合金I：纯Cu；合金II：75%Cu+25%Ni；合金III：50%Cu+50%Ni；合金IV：5%Cu+75%Ni；合金V：
7、纯Ni； (2) 将这些合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线； (3) 根据冷却曲线上的转折点确定各合金的凝固温度； (4) 将上述数据引入以温度为纵坐标、成分为横坐标的坐标系中； (5) 连接意义相同的点，得到相应的曲线；上述曲线将图面分隔为若干区间，这些区间分别限定了一定的成分范围和温度范围，这些区间称为相区（phase field）。通过必要的组织分析测出各相区所含的相，将它们的名称分别标注在相应的相区中，相区的建立工作即告完成。,下图表明了铜镍合金相图的建立过程。所配制的合金数目越多，所用金属的纯度越高，测温技术越先进，冷却速度越缓慢（一般应为0.51.5/min），所测得的相图越精确。
8、,杠杆定律作用：（1）确定某成分合金在某温度下两平衡相的相成分（浓度）（2）确定某成分合金在某温度下两平衡相的相对重量。在二元合金相图的两相区内，温度一定时，两相的重量比是一定的。如图5.4所示，过指定温度T1作水平线，使之与两侧的相区边界线相交，由交点的成分坐标即可确定这两个平衡相的成分。,运用杠杆定律时应注意，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。杠杆定律的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。,二元合金相图举例,Cu-Ni合金相图,L-liquid phase,-solid phase,+L,Pb-Sn合金狀態圖,共晶转变,具有共析转变的相图,共析转变,P
9、t-Ag狀態圖,Fe - Fe3C相图,读图法,相图分析,二元合金相图读图法（以FeC相图为例） 1、单相区 （1）液相线以上区域为液相区； （2）靠着纯组元的封闭区域是以该组元为基的单相固溶体区； （3）垂直线代表形成一定成分的化合物，分析相图时，稳定化合物可视为纯组元，以它将相图分为几个单独部分来分析。 （4）图中的水平线必然连作三个单相区，这三个单相区分别处于水平线的两端与中央。 2、两相区 （1）2单相区之间必然夹有一个两相区，且该两相区必由相邻相区的两个单相组成； （2）两相区中如遇到固溶线倾斜的情况，会发生二次晶析出；,3、三相水平线在三相水平线发生恒温转变，其转变产物由转变类型而
10、定，可根据三相水平线连着的三个单相区情况来确定反应类型。,共晶转变 说明：从液相中同时结晶出两种不同成分固相的反应,图示：,反应式：,L,即：液 固1固2,铁碳合金相图碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性质也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。特别声明：（1） 工业用钢铁中除了Fe、C二组元外，还含有Si、Mn、P、S等常存元素以及V、Mo、Cr、Ni、W、Ti、Si、Mn等合金元素。（2） 在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物Fe3C（渗碳体）和石墨两种形式，渗碳体
11、在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase），而石墨是稳定的相。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变，本章我们讨论的铁碳相图实际上就是Fe-Fe3C相图。,铁碳合金的组元(1) 纯铁 纯铁的熔点为1538，其冷却曲线如图7.1所示。,铁的同素异构转变,温度低于912的铁为体心立方晶格，称为-Fe；温度在9121394间的铁为面心立方晶格，称为-Fe ；温度在13941538间的铁为体心立方晶格，称为-Fe。,工业纯铁的力学性能特点: 强度、硬度低，塑性好，其力学性能大致如下：拉伸强度b 180280MPa屈服强度0.2 100170MPa伸长率 3050%断面收
12、缩率 7080%冲击值 160200J/cm2布氏硬度HB 5080,(2) 碳在铁中的固溶体碳的原子半径较小，在-Fe和-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成间隙固溶体。碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727，碳多存在于体心立方结构的八面体空隙。铁素体与-Fe在居里点770以下均具有铁磁性。碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A或表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148，碳多存在于面心立方结构的八面体空隙。奥氏体与-Fe均具有顺磁性。 (3) 铁碳化合物当铁碳合
13、金中碳含量超过它在铁中的溶解度时，多余的碳主要以碳化物Fe3C的形式存在。Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。,铁碳相图分析 1、液相线： ABCD， 2、固相线： AHJECF 3、三个恒温转变： （1）包晶转变：在HJB水平綫（1495）發生包晶轉變：（2）共晶转变：在ECF水平线（1148）发生共晶转变：转变产物是和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体（Ledeburite），用符号Ld表示。含碳2.116.69%的铁碳合金都发生此转变。,（3）共析转变在PSK 水平线（727）发生共析转变，转变产物是铁素体F和渗碳体Fe3C
14、的机械混合物，称为珠光体（Pearlite），用符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度。,4、三条重要的固态转变线： (1) GS线：中开始析出F或F全部溶入的转变线，常称此温度为A3温度。 (2) ES 线：碳在中的溶解度线。常称此温度为Acm温度。低于此温度时，中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CI。 (3) PQ线：碳在F中的溶解度线。F从727冷却下来时，也将析出Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CIII。,典型铁碳合金的平衡结晶过程通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳
15、量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁（cast iron），按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，称为白口铸铁（white cast iron）。根据组织特征，可参照Fe-Fe3C状态图）将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：,铁碳合金按含碳量划分为七种类型：(1) 工业纯铁（pure iron） 0.0218%C(2) 共析钢（eutectoid steel） 0.77%C(3) 亚共析钢（hypoeutectoid steel） 0.02180.77%C(4) 过共析钢（hypereutectoid steel） 0.772.11%C(5) 共晶白口铸铁（eutectic white cast
16、 iron） 4.30%C(6) 亚共晶白口铸铁（hypoeutectic white cast iron） 2.114.30%C(7) 过共晶白口铸铁（hypereutectic white cast iron） 4.306.69%C,工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图,工業純鐵的室溫平衡組織,共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图,珠 光 体,亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图,亚共析钢组织与性能之间有如下简单关系,HB =80F% + 180P% b=23F% + 77P% =50F%+20P%,在工业产品和生活用品中亚共析钢是应用最多的钢种,过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图,過共析鋼的室溫平衡組織,利用过共析钢的高强度、高硬度可制作各类工具和模具,共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图,共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織,亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图,亞共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織,过共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图,過共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織,随含碳量的增加铁碳合金室温组织变化情况,碳钢的力学性能与含碳量的关系,休 息,
