1、,合肥工业大学 材料科学与工程学院 2013.2,合金设计原理及制备技术,什么是合金?,合金,是由两种或两种以上的金属与金属(或非金属)经一定方法制备的具有金属性质的物质。,根据组成元素的数目,可分为二元合金、三元合金和多元合金。,一般通过熔炼而成均匀液体(熔体)、凝固而得。,合金( alloy )的分类及通性,合金的分类 根据结构的不同,合金主要类型是:,(1)混合物合金(共熔混合物),当液态合金凝固时,构成合金的各组分结晶而成的合金。如焊锡、铋镉合金等;,(2)固溶体合金,当液态合金凝固时形成固溶体的合金。如金银合金等;,(3)金属化合物合金,各组分相互形成化合物的合金。如铜、锌组成的黄铜
2、(-黄铜、-黄铜和-黄铜)等。,合金的许多性能优于纯金属,故通常使用合金材料。,合金的通性,(1)多数合金熔点低于其组分中一种组成金属的熔点;,(2)硬度一般比其组分中任一金属的硬度高;,(3)合金的导电性和导热性低于某一组分金属。利用合金的这一特性,可以制造高电阻和高热阻材料。,还可制造有特殊性能的材料,如在铁中掺入18铬和9镍得到一种耐腐蚀的不锈钢,适用于化学工业。,学习的内容和方法,学习工程中常用铸造合金的化学成分、组织、性能特点;,学习并掌握质量控制的技术途径(路线)及具体措施(工艺方法)。,学习方法,围绕化学成分(工艺)、金相组织、性能这一主线;,体会,具体内容,第一部分 铸铁,第二
3、部分 铸钢,第三部分 非铁合金(有色合金),三部分(三篇),铸铁的概念,特殊用途铸铁:,抗磨(耐摩)铸铁、耐热铸铁、耐腐蚀铸铁,灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁,结构件使用:,含碳量大于2.14%或组织中具有共晶组织的铁碳合金, 是近代工业中应用最广泛的一种铸造合金,在众多领域中占有重要地位。,铸铁的分类,按用途分,按组织分,白口铸铁,灰口铸铁,麻口铸铁,铸铁,第一章 铸铁的结晶及组织的形成,第二节 铸铁的一次结晶(重点),第三节 铸铁的固态相变(二次结晶、热处理),第一节 铁碳双重相图(重点),一、Fe-C相图及其双重性,热力学上:FeFe3C相图是介稳定的; Fe G相图是稳定的。,因
4、此,Fe-C相图具有双重性!,原因:热力学 动力学,第一节 铁碳双重相图,动力学上:在一定条件下,按Fe-Fe3C相图转变是可行的(易行的)。,表现(现象),二 铁碳双重相图及其分析,FeC(石墨)和FeFe3C相图重要的不同之处:,1.共晶点的成分和共晶转温度不同,2.共析点的成分和共析转变温度不同,实际生产中,由于冷却速度的不同铸件的组织、性能会有很大的变化。,另外,成分中的某些元素 对相图也会有很大的影响,铸铁(尤其是灰口铸铁)中硅的含量高,而且变化大。有必要研究Fe-C-Si三元相图 。考虑硅对Fe-C相图的影响的Fe-C-Si准二元相图(p6图1-3),三 Fe-C-Si准二元相图,
5、(1)减少共晶点和共析点的含碳量;(促使组织相对数量变化),(2)使相图上出现共晶和共析转变的三相共存区(即共晶、共析转变在一定温度区间内进行);,(4)提高共析转变温度,并加大了稳定系、介稳定系共晶和共析转变之间的温度差(硅促进共晶石墨化和共析石墨化);,(3)缩小奥氏体相区; (促进高碳相的形成),(5)奥氏体的液相线温度随硅量的增加而下降(提高过热度、改善铸造性能),硅对Fe-C相图以及凝固组织的影响体现在以下几方面:,四 铸铁中常见元素对相图上各临界点的影响,促进共晶阶段(非常重要的一次结晶过程)石墨化的元素有:,Si、Ni、 Al 、Cu,促进共析阶段石墨化的元素有:,Si、S、P、
6、Ti、Al,教材p7表1-2,有利于共晶转变时析出石墨(灰口组织),有利于共析转变时析出石墨(铁素体组织),五 碳当量和共晶度的意义,碳当量,将各元素对共晶点实际含碳量的影响折算成碳量的增/减后的结果,用CE表示。,实际意义:根据铸铁碳当量的高低(或共晶度的大小),可以间接地推断铸铁的铸造性能、石墨化能力以及组织和性能特点。,方法二:铸铁中的含碳量和共晶点实际含碳量的比值。,共晶度,方法一:比较铸铁的碳当量CE与共晶点含碳量的大小。对灰口铸铁, CE4.26% 过共晶成分;CE4.26% 亚共晶成分;,判断(表征)某一铸铁的成分偏离共晶成分的程度,第二节 铸铁的一次结晶,一次结晶(凝固),初生
7、相析出,共晶凝固,铸铁从液态(熔体)转变成固态的过程,称为一次结晶。 一般包括初生相析出和共晶凝固两个阶段。,Fe-C相图,铸铁的一次结晶(初生相的析出),一、初析石墨的结晶(过共晶成分),二、初析奥氏体的结晶 (亚共晶成分),初生奥氏体枝晶的凝固过程,2. 初生奥氏体的形态(树枝状),3. 奥氏体枝晶中的成分偏析(成分不均匀),4. 影响奥氏体枝晶数量及粗细的因素,Fe-C相图,过共晶成分的铁液按稳定系结晶时,首先析出初生石墨。,若过共晶成分的铁液按介(亚)稳定系结晶时,将析出初生渗碳体。,初析奥氏体枝晶的凝固过程,在平衡条件下,只有亚共晶成分的铁液冷却到液相线温度以下,才有初析奥氏体形成。
8、,实际上,因结晶过程的非平衡性以及共生区的出现(及其偏转),共晶成分、甚至过共晶成分的铁液的凝固组织中亦会析出初生奥氏体。,初生奥氏体形态,亚共晶成分中奥氏体液淬组织 (光学照片),初生奥氏体形态(深腐蚀、扫描电镜照片),初生奥氏体呈三维树枝状的原因 教材中(P8)下部给予详细的解释,奥氏体枝晶,一次枝晶上的突起长成二次枝晶、以至出现三次枝晶,面心立方的奥氏体,密排面为(111),由密排面构成的晶体外形为八面体,其生长方向为100的轴向。,八面体的尖端快速生长成一次枝晶;,奥氏体枝晶中的成分偏析,成分偏析:元素的溶解度以及凝固过程的非平衡导致相与相之间以及同一种相的不同部位元素分布的不均匀。,
9、石墨化元素(Al、Cu、Si、Ni等)富集在奥氏体中; 白口化元素(Mn、Cr、W、Mo等)富集在共晶液体中。,先析出的心部和后析出的边缘处元素含量也有差异。,成分偏析会导致凝固组织出现变化,如晶间碳化物的形成。,Fe-C相图,影响奥氏体枝晶数量及粗细的因素(p11-13),1.化学成分(碳当量、Si/C)(CE一定, Si/C高、奥氏体数量多),2.冷却速度(铸型条件、铸件壁厚)(冷却速度快,初生奥氏体数量多),3.合金元素(V、Ti)(数量增加、枝晶细化),铸铁的一次结晶(共晶凝固过程),三、共晶凝固过程,任何成分的铸铁合金液,当温度降到共晶温度以下将发生共晶转变,共晶转变方式或共晶转变产
10、物随化学成分、冷却速度、熔体处理等不同情况会发生变化。,稳定系的共晶转变 (重点),介(亚)稳定系的共晶转变,磷共晶的形成,Fe-C相图,石墨片状,球状,蠕虫状,铸铁的一次结晶(共晶凝固过程),(一)稳定系的共晶转变,若成分中C、Si含量高,铁液的石墨化能力强,共晶转变将按稳定系进行,发生LE+G。即过冷的共晶铁液中同时析出奥氏体和石墨两个固相。,共晶的两相析出时,石墨为领先相首先形核,奥氏体依附于石墨形核,两者相互为对方提供各自生长所需的元素而保持协同生长。这样就形成的以石墨为核心的石墨、奥氏体集合体,通常称为共晶团。,共晶结束后,各共晶团内的奥氏体和初生奥氏体构成连续的金属基体,共晶团内的
11、石墨呈立体的、片形分枝状,在空间上是连续的。,共晶团的形态示意图,共晶团,第二节 铸铁的一次结晶,(二) 石墨的晶体结构及片状石墨的形成,石墨的晶体结构属于六方结构,如右图所示。铁液中的O、S等元素容易吸附在棱面上,使其变得粗糙,便于碳原子的堆砌。,,石墨长成片状。,在通常的铁液中,基面-铁液的界面能大于棱面-铁液的界面能。,片状石墨的几种类型,A型,D型,B型(D+A),C型,E型,F型,几 种 片 状 石 墨 的 形 成 条 件,铸铁的一次结晶(球状石墨的形成),(三) 球状石墨的形成,1. 球状石墨的结构,2.球状石墨的形成条件,3.球墨铸铁的共晶转变,4.球状石墨的形成机理,球状石墨的
12、结构,球状石墨的形成条件,3、工艺上要求进行球化处理、孕育处理,1、过冷度大,球墨铸铁的共晶转变,球墨铸铁的共晶转变方式:离异共晶。 共晶的两相析出时在时间上、空间上都是分开的。,与石墨呈片状的灰铸铁相比,球墨铸铁的共晶凝固过程有以下特点: (1)共晶凝固温度范围宽; 2)具有糊状凝固特性; (3)石墨晶核多; 4)具有较大的共晶膨胀力。,球状石墨的形成机理,圆满的球状石墨形成机理应能解释以下实验现象:,1、石墨可以摆脱其本身结构上的各向异性所造成的各向生长速度的不同,而以球状生长。 2、石墨球具有放射状的内部结构且是多晶体。 3、提高冷却速度有利于析出球墨。 4、球化衰退现象。,目前球状石墨
13、形成机理尚无一致看法,归纳起来主要有以下几种理论:,1、核心说,2、过冷说,3、表面能说,6、气泡说,5、位错说,4.吸附说,球状石墨的形成机理,螺旋生长示意,研究球墨铸铁时就发现了蠕墨铸铁,当时看作是球化不良的结果,没有引起足够的重视。直到1965年才由美国学者埃斯蒂斯(Estes)等人首次提出将其作为工程材料使用。在蠕墨铸铁的发展初期,蠕墨铸铁的名称曾出现了多种称呼。例如:伪片状、准片状、厚片状、珊瑚状、致密状等等。1979年国际蠕墨铸铁委员会正式决定命名为蠕墨铸铁/致密状石墨铸铁(Vermicular/Compacted Graphite Cast Iron),石墨特征:石墨呈短粗状、端
14、部圆钝,类似蠕虫,是介于片墨和球墨之间的一种形式。其生产方法与球铁相似,需要向铁液中加入蠕化剂及孕育剂以改变石墨在结晶时的生长态势。,(四)蠕虫状石墨的形成,蠕墨铸铁,性能特点:介于灰铸铁和球铁之间。突出的优点是耐热性好,因此通常用于制造工作温度较高或在使用时具有较高温度梯度的零部件(发动机排气管、缸体、缸盖、制动盘、钢锭模、金属型等)。,片状、蠕虫状、球状石墨形态的对比,铸铁的一次结晶(亚稳定系共晶转变过程),(五)亚稳定系共晶转变过程,在石墨化能力很差或冷速快时,铁液凝固将按介稳定系进行结晶。即发生LE+Fe3C,析出以渗碳体为领先相 的共晶团(渗碳体+奥氏体,即所谓的莱氏体)。莱氏体的生
15、长速度比石墨/奥氏体生长速度快的多。,与石墨/奥氏体共晶团类似,莱氏体的形态受渗碳体生长方式的影响,表现为在渗碳体快速生长方向为层状共晶体结构,垂直于渗碳体板片方向为蜂窝形杆状共晶结构。,第二节 铸铁的一次结晶,(六) 磷共晶的形成,磷在铸铁中通常是有害元素,容易偏析于晶界处形成磷共晶, 增加铸件的脆性。,磷共晶分为两类,二元磷共晶:,三元磷共晶:,(硬度约750-800Hv),(硬度约900-950Hv),第三节 铸铁的固态相变,二、共析转变,三、 过冷奥氏体的中温及低温转变,一、奥氏体中碳的脱溶,铸铁的固态相变:铁液经一次结晶(凝固)后,随温度的继续下降,其组织将在固态下发生一些变化。其中
16、包括:,Fe-C相图,奥氏体中碳的脱溶,发生在T共晶 T共析温度之间,在灰口铸铁中,可能由奥氏体中析出二次石墨,依附于初生石墨或共晶石墨生长,使原有石墨增厚;在较快冷却条件下,不仅析出石墨,还可能析出二次渗碳体,多数情况下分布在奥氏体的晶界处 。,在白口铸铁中,过饱和的碳总是以二次渗碳体的形式一层层地在初生或共晶渗碳体上析出,使其增厚。若冷却更快,还会在奥氏体内部通过渗碳体形核、生长而析出独立的渗碳体。,Fe-C相图,共晶转变结束后奥氏体的饱和含碳量随温度的下降而降低,此时,奥氏体中过饱和的碳会以不同的方式析出:,铸铁的共析转变,灰口铸铁中,可能发生,白口铸铁中,只会发生,更大的可能是按前一方
17、式进行 。,奥氏体(初生或共晶奥氏体)的共析转变在很大程度上决定铸铁的基体组织,因而是结晶过程中的一个重要阶段。具有共析成分的奥氏体因成分、冷却速度的不同,可以按不同的方式进行转变:,铸铁的共析转变,按介(亚)稳定进行的共析转变:,形成层片状珠光体。,随转变温度的降低,层片距减小,,粗片状珠光体(Pearlite)细片状珠光体(Sorbite)极细片状珠光体(Troostite),AF+G的共析转变,主要发生在某些灰口铸铁中,也就是铁素体基体的灰口铸铁,如D型石墨的灰铸铁、蠕墨铸铁、铸态铁素体球铁。,为什么?,过冷奥氏体的中温及低温转变,若铸铁中含有稳定奥氏体的合金元素,将不发生前述的共析转变。,过冷奥氏体在合适的冷却条件下转变成贝氏体(奥氏体+铁素体)或马氏体。,若奥氏体稳定性很高时,可能不发生转变而直接保留到室温下。,以上过程需要有合金元素和冷却条件的配合。 即在成分设计时要填加一些合金元素,再结合适当的冷却工艺。,马氏体组织多数情况下需回火(回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体),蠕墨铸铁的典型应用,