1、3.1 材料的结合方式3.2 金属材料的结构特点 3.3 非金属材料的结构特点（自学）3.4 材料的凝固与结晶3.5 铁碳合金相图,第3章 材料的结构与凝固,1.了解材料的晶体结构与非晶体结构的结构特点；2.了解金属的结晶过程与非金属的形成特点；3.重点掌握铁碳相图及其应用，掌握铁碳合金成分、组织、性能、用途之间的关系及变化规律。,学习目标,3.1 材料的结合方式,1.材料都具有一定的性能且性能之间又有差异 2.金属材料性能差异的来源：（1）化学成分：对应于冶金学研究（2）组织结构：其改变又源于不同的加工处理工艺结构：原子的排列方式和空间分布。凝固：固态向液态转变。晶体和非晶体,3.1.1 结
2、合键,通常把材料的液态和固态称为凝聚态。 在凝聚状态下，原子间的距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，或者说形成键。材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。 根据结合力的强弱分成两大类： 一次键结合力较强，包括离子键、共价键和金属键 。 二次键结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。,1.离子键,当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，电负性小的原子失去电子成为正离子，电负性大的原子获得电子而成为负离子。两种离子由静电引力而结合在一起形成离子键。 NaCl结构就是一种离子键的结合。 大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键结合。离子键有较强的结合力
3、，因此离子化合物或离子晶体具有较高的熔点、沸点和硬度，热膨胀系数小，但相对脆性较大。,2.共价键,两个相同的原子或性质相差不大的原子互相靠近，电子不会转移，原子间借共用电子对所产生的力而结合，形成共价键。 如金刚石、SiC等结构即具有这种键型。 共价键属于强键，原子间结合牢固，因此，靠共价键结合的共价晶体往往熔点和硬度很高。,3.金属键,由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称金属键。 根据金属键的结合特点可以解释金属晶体的一般性能。良好的导电性；良好的导热性；具有很好的变形能力；金属不透明；使金属具有光泽。,4.范德瓦耳斯键,当不易失去或获得电子的原子、分子靠近时，由于各自内部电子不
4、均匀分布产生较弱的静电引力，称为范德华力，由这种力作用而相互结合的方式称为分子键或范德华键。 由于分子键不是通过改变原子电子结构而形成的，因而分子键很弱。靠分子键的作用而形成的物质具有低熔点、低沸点、低硬度等性能特点。,5.氢键,氢键是一种特殊的分子间作用力，由于氢原子结构的特殊性，当它和电负性大的原子结合后，电子强烈偏移，因而又能和另一个电负性大的原子产生静电引力形成氢键。氢键与分子键能量差不多，大约是共价键的十分之一。,一般工程材料的键合类型,金属材料的结合键主要是金属键，也有共价键和离子键(如某些金属间化合物)。陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主，所以陶瓷材料有高的
5、熔点和很高的硬度，但脆性较大。高分子材料又称聚合物，它的结合键是共价键和分子键。由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也很大。因而也具有一定的力学性能,晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。,非晶体 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。,3.1.2 晶体与非晶体,晶体的特点：,晶体排列有规则的、周期的长程有序,晶体有确定的熔点,熔点,晶体,非晶体,晶体熔化时具有固定熔点（熔点是晶体向非晶体转变的临界温度），而非晶体没有固定熔点，存在一个软化温度范围。,各向异性,不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象,X,Y,Z,晶体具有规则的几何外形和各向异性的特性，
6、在不同的方向上测量其性能(如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等)时，表现出或大或小的差异；非晶体却为各向同性，在不同方向上的性能则是一样的，不因方向而异。,3.2 金属材料的结构特点,3.2.1 晶体结构的基本概念3.2.2 三种典型的金属晶体结构3.2.3 实际金属的晶体结构3.2.4 合金的晶体结构,原子（离子）的刚球模型, 晶体结构：晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式.,3.2.1 晶体结构的基本概念,点阵（晶格）模型,晶格假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。,晶胞能反映晶格特征的最小组成单元。,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,晶格常数晶胞
7、的三个棱边的长度a,b,c,3.2.2 三种典型的金属晶体结构,（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp,（1）体心立方晶格 bcc,-Fe、W、V、Mo 等,晶格常数：a=b=c；=90,（2）面心立方晶格 fcc,-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等,晶格常数：a=b=c；=90,（3）密排六方晶格 hcp,C（石墨）、Mg、Zn 等,晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90,3.2.3 实际金属的晶体结构,实际金属晶体结构与理想结构的偏离,单晶体：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。如：金刚石、水晶、单晶Si半导体。
8、多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。,多晶体示意图,2.晶体缺陷类型,（1）点缺陷：在三维空间各方向上的尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，亦称为零维缺陷，如空位、间隙原子、异类原子 （2）线缺陷：亦称一维缺陷，其特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，主要是各类位错 （3）面缺陷：其特征是在空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，亦称二维缺陷，如晶界与亚晶界,（1）点缺陷,如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂质原子）,空位,间隙原子,当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结
9、点，称为空位。,在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置而形成间隙原子。,离开平衡位置的原子有三个去处：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，使晶体内部留下空位，称为肖脱基（Schottky）空位；挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称为弗仑克尔（Frenkel）缺陷；跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。,（2）线缺陷 刃型位错,正刃型位错,负刃型位错,实际上这种正负之分并无本质上的区别，只是为了表示两者的相对位置，便于以后讨论而已。,刃型位错示意图,滑移的位错移动机理,位错密度,位错密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度，其数学表达式为L
10、/V（cm-2）式中L为位错线的总长度，V是晶体的体积。,试验结果表明，一般经充分退火的多晶体金属中，位错密度约为106108 cm-2；但经精心制备和处理的超纯金属单晶体，位错密度可低于103 cm-2；而经过剧烈冷变形的金属，位错密度可高达10101012 cm-2，即在1cm2的金属内，含有千百万公里长的位错线。,晶须：是实验室采用一些特殊方法制造出的几乎不含位错的结构完整的小晶体，其强度接近于理论计算值。,（3）面缺陷,晶界,同一种相的晶粒与晶粒的边界称为晶界。,亚晶界,亚晶界,面缺陷引起晶格畸变， 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。,在晶界上原子的无规则排列，使得晶界的性能与晶内
11、差别很大： 晶界原子比晶内原子易于发生化学反应，因而容易被腐蚀；晶界原子近于液态结构，致使晶界熔点低于晶内；异类原子和杂质在晶界上存在时能量低，所以晶界是杂质原子易于聚集的地方；由于晶界处原子排列无规则，金属的塑性变形（滑移）受到阻碍，致使晶界的强度比晶内高。 因此，金属晶粒的大小对金属的性能有很大影响。,晶界结构示意图, 金属晶体缺陷的影响 ？,点缺陷-造成局部晶格畸变,使金属的电阻率;屈服强度增加, 密度发生变化。,线缺陷-形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时， 金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。,面缺陷-晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高， 金属塑性变形的能力越
12、大，塑性越好。, 概念 固溶体 金属化合物,3.2.4 合金的晶体结构,组元,组成合金的独立的，最基本的单元称组元,组元可以是纯元素，如金属元素Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，以及非金属元素C、N、B、O等；也可以是化合物Al2O3、SiO2、ZrO等。,1.概念,材料可以由单一组元组成，如纯金属、Al2O3晶体等，也可以由多种组元组成，如Al-Cu-Mg金属材料、MgO- Al2O3- SiO2系陶瓷材料。,合金,是指由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或其他方法制成的具有金属特性的物质。,由两个组元组成的合金称为二元合金。 三个组元组成的合金称为三元合金。 由三个以上组元组成的合金
13、称为多元合金。 由一系列相同组元组成的不同成分的合金称为合金系。,合金举例：,碳钢（carbon steel）：是铁与碳所组成的合金。 白铜：主要是铜与镍所组成的合金。 黄铜(brass)：是铜与锌等元素组成的合金。,合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、 强磁性、耐蚀性等。,相,在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。 纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。 固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。 由一种固相组成的合金称为单相合金。 由几种不同固相组成的合金称为多相合金。 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。,
14、在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。,二、合金的相,根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。,1、固溶体,溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。,固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。*置换固溶体溶质原子代替了一部分溶剂原子，占据了 溶剂的某些节点。*间隙固溶体溶质的原子进入溶剂晶格空隙部分，不占据节点的位置。例如：C溶入-Fe或-Fe 所形成的铁素体、奥氏体。 铁碳合金都是间隙固溶体。碳的溶解度是有限的，属于有限固溶体，碳在铁中的溶解度主要取决于铁的晶格类 型，并随温度的升高而增加。,
15、固溶强化形成固溶体时，溶剂的晶格产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为固溶强化。,2、金属化合物金属化合物各组元按一定的整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质，属单相组织，金属化合物一般具有复杂的晶格，且和各组元的晶格不相同，其性能特征是硬而脆。例如渗碳体Fe3C是金属化合物，硬度极高800HBS可以划玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零。渗碳体是强化相，其组织呈片状、球状、网状等不同形状，渗碳体的数量、形态、和分布对钢的性能影响很大。渗碳体在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C石墨,3、机械混合物. 机械混合物是在结晶过程中形成
16、的两相组织，例如可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、大小、和分布有关。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。,组织,合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。 金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。 由不同组织构成的材料具有不同的性能。 只有一种相组成的组织称为单相组织 由两种或两种以上相组成的组织称为多相组织,组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料内部的微观形貌。,2.固溶体,合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。,
17、固溶体,溶剂,+,溶质,一种固相,能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同的组元称为溶剂。,失去原有晶格类型的组元称为溶质，一般在合金中含量较少。,(solid solution),固溶体的分类,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：间隙固溶体和置换固溶体。,根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：有序固溶体和无序固溶体。,根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度可将固溶体分为：有限固溶体和无限固溶体。,溶解度：指溶质在固溶体中的极限浓度。,固溶体类型,间隙固溶体,溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中形成的固溶体。,(interstitial solid solutions)
18、,置换固溶体,(substitutional solid solution),溶质原子占据在溶剂晶格的某些结点上，使晶格上的某些溶剂原子被置换而形成的固溶体。,间隙固溶体,溶质原子与溶剂原子直径之比应小于059方可。,直径较大的原子所组成的晶格，其空隙的尺寸也较大。,过渡族元素(溶剂)与尺寸较小的元素C 、N、H、B等易形成间隙固溶体。,溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小,所以间隙固溶体都是有限固溶体。,溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。,间隙固溶体都是无序固镕体。,置换固溶体,无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。,置换固溶体也可以是有限固溶体和无序固溶体。,两组元
19、晶体结构相同，原子半径和电化学特性接近，则容易形成置换固溶体。,无限固溶体形成条件,两组元晶体结构相同是必要条件。,溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差(rArB)rA小于8%左右时。,两元素间的电负性相差越小越好。,碳在 Fe中的间隙固溶体,铜和金形成的置换固溶体,固溶体的性能,固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。,这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。,它是强化金属材料的重要途径之一。,固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相,固溶体与纯金属相比电阻率上升，导电率下降等。,固溶强化的原因,？,由于溶质原子的溶入，使固溶体
20、的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。,固溶强化,形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象,正常晶格,晶格畸变,晶格畸变,小原子置换引起的 晶格畸变,间隙原子引起的 晶格畸变,3.金属化合物,它是合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。,金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。 合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。,第二相强化：以金属化合物作为强化金属材料的方法。,3.3 非金属材料的结构特点（自学）3.4 材料的凝固与结晶3.4.1 金属的结晶特点3
21、.4.2 非晶态凝固的特点,自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。,凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。,结晶：物质从液体转变为晶体时的凝固过程 。,3.4.1 金属的结晶特点,液体 固体（晶体 或 非晶体）,液体 晶体,1. 概述,结晶,一次结晶：LS晶态,二次结晶：SS晶态,熔点,晶体,非晶体,第一类凝固反应（结晶转变）：水、液体金属或合金等第二类凝固反应（玻璃质转变）：玻璃、聚乙醇、沥青、松香,2.金属的结晶,熔点,时间,温度,纯金属的冷却曲线（热分析曲线）,液态,固态,利用热分析装置，先将结晶材料（如金属）放入坩埚加热熔化成液体
22、，然后插入热电偶以测量温度，然液态金属缓慢而均匀的冷却，并用记录仪将冷却过程中的温度和时间记录下来，获得的温度-时间曲线如图所示，这一曲线叫做冷却曲线（热分析曲线），这种试验方法叫做热分析法。,冷却曲线,T0,Tn,理论结晶温度,开始结晶温度,T,过冷度,T= T0 - Tn,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）,金属不同，过冷度的大小也不同； 金属的纯度越高，则过冷度越大。 过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度，则过冷度，即实际结晶温度。,不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结晶，即对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于这个值，结晶过程就不能进行。
23、,结晶潜热一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。金属熔化时从固态转变为液态是吸收热量，而结晶时从液态转变为固态是放出热量，前者称为熔化潜热，后者称为结晶潜热。,3.结晶的一般过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,形核和晶核长大的过程,（1）晶核的形成,两种形核方式 自发形核 与 非自发形核,自发形核：新相晶核在母相内自发地形成，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。,非自发形核：是依附于外来杂质上生成的晶核。,金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。,（2）晶粒的长大,两种长大方式 平面生长 与 树枝状生
24、长。,平面生长,树枝状 生长,晶粒长大：就是液相原子移到固相的量比固相原子移到液相的量多，只有当有一定的过冷度时，长大才能进行。,4. 晶粒的大小及控制,晶粒度 表示晶粒大小，分8级。,细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象,比较： 细晶强化强度、硬度、塑性、韧性固溶强化强度、硬度，塑性、韧性第二相强化强度、硬度，塑性、韧性 加工强化强度、硬度，塑性、韧性,一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。,细化晶粒的措施,1. 提高过冷度 2. 变质处理 3. 振动结晶,（1）提高过冷度,形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系,T,G，N,G,N,过冷度T提高，N提高、G提高 过冷T太高，N降
25、低、G降低,（2）变质处理,在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。,变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。,（3）振动结晶,振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。,机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。,3.4.2 非晶态凝固的特点影响非晶态凝固的因素主要有下列两个：1.熔体的粘度高粘度的熔体，凝固适宜于形成非晶体。而大多数物质结晶时，液体的粘度是很低的。2.冷却速度如果冷却速度很快，晶核不能形成，就会得到非晶体。,1.二元相图的表示方法及建立2.匀晶相图3.共晶相图4.共析相图,3.4.3 合金的结晶二元合金相图,相图（平衡图、状态图）,平衡条
26、件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。,1.二元相图的表示方法及建立,成分：wNi=40%，wCu=60%,在成分和温度坐标平面上的任意一点称为表象点，一个表象点的坐标值表示一个合金的成分和温度。如图中的 点表示合金的成分和温度为wNi=60%，wCu=40% ，温度为1100。,是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。,二元合金状态图的建立,目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。,热分析法,时间,温度,结晶开始,结晶结束,L,L+S,S,以CuNi合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，
27、如纯铜；70%Cu+30%Ni；50%Cu+50%Ni；合金30%Cu+70%Ni；纯Ni。 （2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点； （3）将各临界点绘在温度合金成分坐标图上； （4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。,Cu-Ni相图,Cu,30% Ni,50% Ni,70% Ni,Ni,时间,温度,Cu,Ni,30,50,70,wNi(%),L,a）冷却曲线 b）相图,L+,两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图，称为匀晶相图。具有这类相图二元合金系主要有：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、M
28、o-W等等。在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。,2匀晶相图,铜-镍合金匀晶相图,1083,1455,L,L+ ,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,匀晶合金的结晶过程,d,T,C,t,L,L,L,匀晶转变 L ,冷却曲线,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,t1,t3,t2,L1,L2,L3,1,2,3,Cu-Ni合金枝晶偏析示意图,两组元A、B，在液态可无限互溶固态只能部分互溶甚至完全不溶。,2. 共晶相图,由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫共晶反应。生成的两相混合
29、物叫共晶体。,简单共晶相图,两组元完全不溶,Pb,Sn,Sn%,T,C,铅-锡合金共晶相图,液相线,L,固相线, + ,L + ,L + ,固溶线,固溶线,两组元有限互溶,固溶线, B原子溶入A基体中形成的固溶体 A原子溶入B基体中形成的固溶体固溶线(固溶度曲线，溶解度曲线)：反映不同温度时的溶解度变化。,共晶转变分析,Pb,Sn,T,C,L, + ,L + ,L + ,共晶反应线 表示从c点到d点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,c,d,共晶点 表示e点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,e,L + ,相是Sn溶于Pb中的固溶体 相是Pb溶于Sn中的固溶体。,相
30、图中的CED水平线称为共晶线 E点称为共晶点 E点对应的温度称为共晶温度 成分对应于共晶点的合金称为共晶合金 成分位于共晶点以左，C点以右的合金称为亚共晶合金 成分位于共晶点以右，D点以右的合金称为过共晶合金,共晶反应要点,共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,X1合金结晶过程分析,c,e,f,g,X1,T,C,t,L,L,L,L+ ,冷却曲线, + ,1,2,3,4,由固溶体中析出另一个固相的过程称为脱溶过程,也称为二次结晶。 二次结晶形成的相称之为次生相或二次相，次生的固溶
31、体以表示，以区别于从液体中直接结晶出来的固溶体（）。,X1合金结晶特点,T,C,t,L,L,L,L+ ,冷却曲线, + , ,1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。,2.要经过脱溶反应，室温 组织组成物为 + ,组织组成物 组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。,X2合金结晶过程分析 （亚共晶合金）,X2,T,C,t,L,L+ ,(+ )+ + ,1,2,(+ )+ ,成分位于共晶点以左，C点以右的合金叫做亚共晶合金。 在温度tE时，成分为E点的液相便发生共晶转变： 共晶转变前形成的固溶体叫做初晶或先共晶相。,亚共晶合金的冷却曲线及结晶,X3合金结晶过程分析 （共
32、晶合金）,X3,T,C,t,L,(+ ),L,L,L(+ ) 共晶体,冷却曲线,(+ ),共晶转变：,共晶合金,标注了组织组成物的相图,4. 共析相图,共析转变： ( + ) 共析体,A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,一定成分的固相，在一定温度下分解为另外两个一定成分固相的转变过程，称为共析转变。,由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条件很差，晶核成长速度很小，所以共析转变物的组织是比较细密的两相相间的机械混合物。,3.5 铁碳合金相图3.5.1 铁碳合金的基本组元与基本相 3.5.2 Fe-Fe3C相图分析 3.5.3 典型合金的结晶过程及组织 3.5.4
33、 含碳量与铁碳合金组织及性能的关系 3.5.5 铁碳合金相图的应用,1纯铁的同素异构转变,金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。,纯铁的同素异构转变,-Fe(bcc) -Fe(fcc) -Fe(bcc),1394 C,912 C,912 C,3.5.1 铁碳合金的基本组元与基本相,-Fe(fcc)-Fe(bcc) 铁的体积会膨胀1,2.铁碳合金的基本相及其性能,(1) Fe-Fe3 C相图的组元, Fe -Fe(bcc) 、-Fe(fcc)和Fe (bcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。, Fe3 C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,(2) Fe-Fe3 C相图的相, 液相
34、L 铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体, 相 （高温铁素体 ） Fe（C）固溶体,相（A ，奥氏体）碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。 A的最大溶解度wC2.11（于1148） 力学性能：b = 250 350MPa,= 4045%,HB = 160200相 （F，铁素体） 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。 F的最大溶解度仅wC0.0218（于727），在室温下F的溶碳能力就更低了，一般在0.008以下。 力学性能：b = 250MPa = 4550% HB = 80Fe3C （Cem， Cm，渗碳体）铁与碳形成的金属化合物Fe3C,铁碳合金相图,A,E,S,P,Q,G,K,D,4.3
35、,2.11,0.77,0.02,1148,1538 ,727,P,L,A,F,912,C,6.69,F,Ld,3.5.2 Fe-Fe3C相图分析 1. 相图中重要的点和线,(1)状态图上点的意义,C共晶点，1148 4.3%C,共晶点发生共晶反应的点。,共晶反应 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。,共晶反应的产物共晶体机械混合物,Ld,共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体的混合物，称为莱氏体，以符号Ld表示。 凡是含碳量wC2.116.69范围内的合金，都要进行共晶转变。,S 共析点。 727 0.77%C,共析点 发生共析反应的点。,共析反应在一定的温度下，由一定
36、成分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相的反应。,共析反应的产物 共析体 机械混合物,共析转变的产物称为珠光体，用符号P表示。 凡是含碳量wC0.0218的铁碳量的铁碳合金都将发生共析转变。,P,（2）状态图上线的意义,AECF线固相线,ACD线液相线,AEA析出终了线 ECF共晶线,AC析出A CD析出 Fe3C,A,L+,Fe3C,L+,F,+A,A+,A+Ld,Ld + Fe3C,ES线 （Acm） C在-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3C,GS线（A3线） AF,GP线 F析出终了线。,PSK线（A1） 共析线，727,PQ线 碳在-Fe中的溶解度曲线。析出三次Fe3C,（1）单相
37、区：L、F、A、Fe3C （2）两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3）三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C,F+ Fe3C,2铁碳合金的平衡结晶过程,Fe-C 合金分类,工业纯铁 C % 0.0218 %,钢 0.0218 % C % 2.11 %,亚共析钢 0.77 % 共析钢 0.77 % 过共析钢 0.77 %,白口铸铁 2.11 % C % 6.69 %,亚共晶白口铁 4.3 % 共晶白口铁 4.3 % 过共晶白口铁 4.3 %,几种 常见 碳钢,1,2,3,(1)工业纯铁 ( C % 0.0218 % )结晶过程,4,5,LL+AA F+A F F+
38、Fe3C,1,2,3,4,5,F+Fe3C,工业纯铁的金相组织,室温组织： F+Fe3C,1,1,2,3,(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程,( F + 共析 Fe3C ),珠光体 强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。,共析钢室温组织为P，组成相为F（88%）和Fe3C（12%）。,1,1,2,3,4,F+P,(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程,1,2,3,4,P+Fe3C,(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程,A+Fe3C,1,2,Ld,(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程,室温组织: （低温）莱
39、氏体 Ld （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500,莱氏体 Ld的性能：硬而脆,P+Fe3C+Ld,1,2,3,()亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程,3,A + Fe3C+Ld,+Ld,室温组织: Ld+ P + Fe3CII,1,1,3,2,Fe3C+Ld,Fe3C+Ld,(7)过共晶白口铁 ( C % = 5 % )结晶过程,室温组织: Ld+ Fe3CI,标注了组织组成物的相图,3.5.4 含碳量与铁碳合金组织及性能的关系,1.铁碳和含碳量与组织的关系,0,0.77,2.11,4.3,6.69,0.02,F,P,Ld,Fe3C,Fe3C,含碳量与相的相对
40、量关系：C %F %，Fe3C %,0.9,含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%而,2.铁碳合金含碳量与力学性能的关系,这是由于含碳量增加后，碳钢中的渗碳体在不断的增加。但是，含碳量超过了0.9%后，由于游离状态的二次渗碳体自晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的晶粒，降低了晶界之间的结合力，使钢的脆性增加，反而使碳钢强度逐渐下降。当碳钢的含碳量大于1.4%后，在工程上已应用很少。,3.5.5 铁碳合金相图的应用,1.在钢铁选材方面的应用,2.为制定热加工工艺提供依据,1、在钢铁选材方面的应用,铁碳合金相图在选择和使用材料、金属加工
41、、热处理以及选配合钢、合金铸铁等方面有重要作用。 铁碳合金相图能很好地反映钢铁材料的成分与组织之间的关系，可根据工程上的需要选材。若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢（0.100.25%C）；若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢（0.250.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢（0.61.3%C）。白口铸铁的硬度高，脆性大，难于加工，只能用作拔丝模、磨煤机磨球等。如果在白口铸铁中加入足够的铬、镍等合金元素，制成合金白口铁，则是很好的耐磨材料，在磨煤机、碎煤机、灰渣泵、管道内衬、喷燃器中有很广泛的应用。,对铸造：确定铸造温度；根据相
42、图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏. 铁碳合金相图（与铸铁工艺的关系如图所示），从图中看出，铸铁的浇注温度低。越是接近共晶点C的铁碳合金结晶是，液相线温度低，合金的流动性好；固液线距离近，偏析倾向小，所以铸铁的铸造性能大大优于铸钢。对于锻造：确定锻造温度。 铁碳合金相图中有很广阔的奥氏体区，面心立方晶格的高温奥氏体有优良的塑性和较好的强度，塑性变形抗力很低，是热锻、热轧极好的组织，轧、锻温度一般选在图中影线部分。锻造的原则是始锻（轧）的温度不宜过高，终锻温度不宜过低，以防止锻（轧）造裂纹出现。,2.为制定热加工工艺提供依据,对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。 不同成分的铁铸合金冷却后组织不同，在焊接时要选择不同的焊接工艺。如锅炉中有大量不同材质的管道，其中含碳两越低的钢焊接性越好，含碳量增加时，随着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后回火处理。铁碳合金相图还是钢的热处理重要工具和依据。这在下面一章中详细介绍。,The End,of Chapter 3,
