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3-材料的凝固与铁碳合金相图的分析及应用-机械工程学院


第三章 材料的凝固与铁碳合金相 图的分析和应用
第一节 纯金属的结晶

第二节 合金的结晶
第三节 铁碳合金相图 第四节 凝固组织及其控制

?

物质由液态转变为固
态的过程称为凝固。

玻璃制品

?

物质由液态转变为晶

r />态的过程称为结晶。

?

物质由一个相转变为
另一个相的过程称为 相变。因而结晶过程 是相变过程。

水晶

?

由于材料和冷却条件不同,凝固后得到的固态 物质可能是晶体,也可能是非晶体。(如采用 连续激冷法可以获得非晶态金属) 金属的凝固过程实质上就是原子由近程有序转 变为长程有序的状态。 金属结晶后形成的组织,包括各种相的形状、 大小、分布等都将极大地影响到金属的性能。

?

?

第一节 纯金属的结晶
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变

? ? ?

?
?

一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线

?

金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。

?

曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。

?

曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.

? ?

2、过冷与过冷度
纯金属都有一个理论结晶温度Tm(熔点或平衡结晶 温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。 结晶只有在Tm以下的实际 结晶温度下才能进行。

?

雾 凇

?

液态金属在理论结晶温度以

下开始结晶的现象称过冷。

?

理论结晶温度与实际结晶温 度的差?T称过冷度 ?T= Tm –T1

?

自由能差△G就是促使液体 结晶的驱动力。 △G越大,
液体和晶体自由能随温度变化

驱动力越大,结晶速度越快。
ΔT

?

过冷度大小与冷却速度有关, 冷速越大,过冷度越大。
T1 Tm

二、结晶的一般过程
? ?

1、结晶的基本过程
结晶由晶核的形成和晶核 的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排 列规则的小原子团,它们
晶 核 半 径 与 关 系

?

ΔG

时聚时散,称为晶坯。
?

在Tm以下, 经一段时间后

(即孕育期), 一些大尺寸的
晶坯将会长大,称为晶核。

?

晶核形成后便向各方向生长,同 时又有新的晶核产生。晶核不断 形成,不断长大,直到液体完全

消失。每个晶核最终长成一个晶
粒,两晶粒接触后形成晶界。

? ? ? ?

2、晶核的形成方式 形核有两种方式,即均匀形核和非均匀形核。 由液体自发形成晶核的过程称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀 形核。非均匀形核更为普遍。
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核

? ?

3、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种, 即均匀长大和树枝状长大。
均匀长大

?

在正温度梯度下,晶体生长以平面状态向前推进。

正温度梯度

? ?

实际金属结晶主要以树枝状长大.
这是由于存在负温度梯度,且晶 核棱角处的散热条件好,生长快,

先形成一次轴,一次轴又会产生
二次轴…,树枝间最后被填充。
负温度梯度

树枝状长大

树枝状长大的实际观察

树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶

金 属 的 树 枝 晶

冰 的 树 枝 晶

? ?

三、结晶晶粒的大小及控制 晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度取决于 形核率和长大速度G的相对大小。 若形核率越大,而长大速度越小,单位 体积中晶核的数目越多,每个晶核来不 及长大,从而得到的晶粒越细小。 细晶强化:常温下,晶粒越小,金属的 强度、硬度越高,塑性和韧性越好。

?

?

工业上细化晶粒的方法:
?

1、控制过冷度:

由图知:增大过冷 度,可使形核率的 增长率高于长大速 度的增长率,即可 提高N/G值,从而 有利于晶粒细化。

?

2、变质处理 ? 向液态金属中添加变质剂,增加晶核的数目, 从而细化晶粒。
?

3、振动处理 ? 在结晶过程中输入一定频率的振动波,从而使 树枝晶臂折断,增加晶核数目,从而提高形核 率,细化晶粒。常见有机械振动、电磁搅拌。

四、同素异构转变
?

物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异

构转变。同素异构转变属于
相变之一—固态相变。
?
?
纯铁的同素异构转变

1、铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次

晶体结构变化,其变化为: ?-Fe ? ?-Fe ? ?-Fe
1394℃ 912℃

?

?-Fe、 ?-Fe为体心立方结构(BCC),?-Fe为面心立方
结构(FCC)。都是铁的同素异构体。

?-Fe

?-Fe

? 同素异构转变的过程,就是原子重

新排列的过程;同样遵循形核和长 大的过程。
? 同素异构转变是在固态下完成晶格

转变,所以成为二次结晶。
? 铁的同素异构转变是钢铁材料能够

进行热处理的内因和依据。

?

2、固态转变的特点

固态相变的晶界形核

⑴形核一般在某些特定 部位发生(如晶界、晶 内缺陷、特定晶面等) ⑵由于固态下扩散困难, 因而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积 变化,易造成很大内应 力。

第二节 合金的结晶
? ?
?

一、二元相图的建立
二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图

?
? ? ? ? ?

2、二元共晶相图
3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤

7、相图与合金性能之间的关系

?
?

合金的结晶过程比纯金属复杂,常用相图进行分析.
相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶

过程的简明图解。又称状态图或平衡图。

?

合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的
一系列不同成分的合金。 组元是指组成合金的最简 单、最基本、能够独立存 多数情况下组元是指组成 合金的元素。但对于既不
温度(℃)

?

L

在的物质。
?

?

发生分解、又不发生任何
反应的化合物也可看作组
Cu

元, 如Fe-C合金中的Fe3C。

成分(wt %Ni)

Ni

Cu-Ni合金相图

相结构:指合金中具有同一化学成分、同 一聚集状态、同一结构且以界面相互分 开的各个均匀的组成部分。
组织:指用肉眼或显微镜所观察到的材料 内部微观形貌。组织是由数量、形态、 大小和分布方式不同的各种相构成的。

一、合金的相结构
? ? ?

1、固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。 固溶体的晶体结构与组成合金的基本金属组元的结构相同。
置换固溶体:如不锈钢1Cr18Ni9Ti 按溶质原子在 金属溶剂晶格 中的位置 固 溶 体 按溶质原子在 金属溶剂中的 溶解度

间隙固溶体:如铁素体,奥氏体

无限固溶体:如Cu-Ni,均为面心立方, 原子半径接近

有限固溶体:如Cu-Sn

?

2、金属化合物 ? 金属化合物是合金组元之间发生相互作 用而形成的新相。其晶格类型和特性不 同于其中任一组元。
正常价化合物:如MnS 金属 化合 物: 电子价化合物:按照一定的电子浓度形成 的化合物;具有明显的金属特性。 间隙相和间隙化合物:VC、TiC、Fe3C

?

相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温
度变化的规律,是制订熔炼、铸造、热加工及热处 理工艺的重要依据。 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
三元相图
Fe-C二元相图

?

一、二元相图的建立
?

几乎所有的相图都是通过实验得到的,最常用的是 热分析法。

? ?

二元相图的建立步骤为:[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金,测出各合金的冷却曲线, 找出曲线上的临界点(平台或转折点)。

?
?

2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。
3. 将垂线上相

同意义的点
(转变开始点 和转变终了点) 连接起来,并 标上相应的数

字和字母。

?

相图中,结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了
点的连线叫固相线。

二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图
?

两组元在液态和固

态下均无限互溶二
元合金的相图称匀 晶相图。
?

以Cu-Ni合金为例 进行分析。
Cu-Ni合金相图

?

相图由两条线构成,上 面是液相线,下面是固 相线。

L

?

相图被两条线分为三个 相区,液相线以上为液 相区L ,固相线以下为 ? 固溶体区,两条线之

液相线
? +

L

固相线

?

间为两相共存的两相区
(L+ ? )。
Cu

成分(wt%Ni)

Ni

? ?

⑴ 合金的结晶过程
除纯组元外,其它成分合金结晶过程相似,以Ni含 量为30%的Cu-Ni合金为例说明。

当液态金属自高 温冷却到 t1温

L

度时,开始结
晶出成分为?1
?

的固溶体。

?

这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变 或匀晶反应。

?

随温度下降,L相 不断减少,a固溶 体不断增加。

?

同时,液相成分
沿液相线变化,

固相成分沿固相
线变化。

?

成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时,最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体,此时 固溶体的成分又 变回到合金成分 ?3上来。

?

液固相线不仅是
相区分界线, 也是

结晶时两相的成
分变化线。

?

⑵ 杠杆定律

?

处于两相区的合金,不仅由相图可知道两平衡相的成
分,还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。

?
?

现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律:
① 确定两平衡相的成分:设合金成分为WNi=x%,
?过x做成分垂线。在成

分垂线相当于温度t 的o点 作水平线,其与液固相线

交点a、b所对应的成分x1、
x2即分别为液相和固相的

t
?
1

?

成分。

2

? ?
?

② 确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为1,液相重量为QL,固相重量为Q?。
则 QL + Q? =1

QL x1 + Q? x2 =1×x
解方程组得

x2 ? x QL ? x 2 ? x1 x ? x1 Qα ? x 2 ? x1
?

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、

x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。

?

因此两相的相对 重量百分比为:

xx2 ob QL ? ? x1 x 2 ab x1 x ao Q? ? ? x1 x 2 ab
两相的重量比为:

QL xx2 ob ? (? ) 或QL ? x1 x ? Q? ? xx2 Q? x1 x ao

?

上式与力学中的杠杆定律完全相似,因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于 该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中,杠杆的支点是合金的成分,杠杆的 端点是所求的两平衡相(或两组织组成物)的成分。

?

?
?

杠杆定律只适用于两相区。
例(如图)
Q? ? 0.53 ? 0.45 ? 100% ? 61.5% 0.58 ? 0.45

0.58 ? 0.53 QL ? ? 100% ? 38.5% 0.58 ? 0.45

?⑶
?

枝晶偏析

合金的结晶只有在缓慢冷却条件下 才能得到成分均匀的固溶体。

?

但实际生产中,冷速较快,结晶时
固相中的原子来不及扩散,使先结 晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元 素(如Cu-Ni合金中的Ni), 后结 晶的枝晶间含有较多的低熔点元素

(如Cu-Ni合金中的Cu),结果造成
固溶体a在一个晶粒内成分也不均 匀 并呈树枝状分布,这种现象称 为枝晶偏析。

?

成分偏析与冷速有关:冷速越大,液固相线间距 越大,枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学性能(塑性、韧性下 降)、耐蚀、加工等性能。

?

?

生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保 温,以使偏析原子充分扩散、达到成分均匀,消除枝 晶偏析的目的,这种热处理工艺称作均匀化退火。

Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织

平衡组织

枝晶偏析组织

2、二元共晶相图
?

当两组元在液态下 无限互溶,在固态 下有限互溶,并发生 共晶反应形成共晶

组织的相图称作共
晶相图。
?

以 Pb-Sn 相图为例 进行分析。
Pb 成分(wt%Sn) Sn

Pb-Sn合金相图

?
?

⑴ 相图分析
① 相:相图中有L、?、 ?三种相, ?是溶质Sn在 Pb中的固溶体, ?是溶 质Pb在Sn中的固溶体。
A B

?

② 相区:相图中有三个
单相区: L、?、?;三

个两相区: L+?、L+?、
?+ ?;一个三相区:即 水平线CED。

?

③ 液固相线:液相线AEB,固相线ACEDB。A、B 分别为Pb、Sn的熔点。 ④ 固溶线: 溶解度 点的连线称固溶线。

?

A
B

相图中的CF、DG
线分别为 Sn在 Pb

中和 Pb在 Sn中的
固溶线。
?

固溶体的溶解度随
温度降低而下降。

?

⑤ 共晶线:水平线CED为三相共存区,叫做共晶线。

?

在共晶线对应的温度下(183 ℃),E点成分的合金同
时结晶出C点成分的 ? 固溶体和D点成分的 ? 固溶体,

形成这两个相的机械混合物:LE ?(?C + ?D)

在一定温度下,由一定 成分的液相同时结晶出 两个成分和结构都不相 同的新固相的转变称作 共晶转变或共晶反应。。

A B

?

共晶反应的产物,即两 相的机械混合物称共晶 组织。发生共晶反应的 温度称共晶温度。发生 共晶反应的液相成分点

点称为共晶点。
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散

? ? ? ? ? ? ? ? ?
Pb-Sn共晶组织 共晶体长大示意图

?

具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上,凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金,位于共

晶点以右的合金称过共晶合金。
?

凡具有共晶线成 分的合金液体冷 却到共晶温度时 都将发生共晶反

A

L+?
C D

B

应。

? ? ?

⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变,结晶出单相? 固溶体,这种 直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。

.2

?

温度降到3点以下, Sn在Pb中的溶解度降低,? 固溶体中的 Sn含量过饱和,由于晶格不稳,开始析出(相变过程也称析 出)新相—? 相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生

相。由? 析出的二次? 用?Ⅱ 表示。
?

形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。

H

?

随温度下降,? 和? 相的成分分别沿CF线和DG线变化。 室温下?Ⅱ的相对重量百分比为: Q?Ⅱ
?

F4 ? ? 100 % FG

由于二次 相析出温 度较低, 一般十分 细小。
Q?
Q?Ⅱ

?

Ⅰ合金室温组织 为? + ?Ⅱ 。

A B

?

成分大于 D点合金结晶 过程与Ⅰ合金相似,室 温组织为? + ? Ⅱ 。

C

E

D

F

G

?
?

② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程
液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共

晶反应:LE ?(?C+?D) 。

1’
19.2

wt%Sn

?

析出过程中两相相间 形核、互相促进、共 同长大,因而共晶组

织较细,呈片、棒等
形状。

共晶组织 形态

Pb-Sn共晶组织

层片状(Al-CuAl2定向凝固)

条棒状(Sb-MnSb横截面)

螺旋状(Zn-Mg)

共晶组织形态
针 状 共 晶
Al-Si合金 Pb-Bi共晶合金

树 枝 状 共 晶 螺 旋 状 共 晶

放 射 状 共 晶

?

在共晶转变过程中,L、

?、 ? 三相共存, 三个相的
量在不断变化,但它们各 自成分是固定的。
?
C(19.2) E(61.9) D(97.5)

共晶组织中的相称共晶相. 共晶转变结束时,? 和 ?

相的相对重量百分比为:
Q? Q? ED 97.5 ? 61.9 ? ? 100% ? ? 100% ? 45.4% CD 97.5 ? 19.2 ? 100% ? Q? ? 54.6%

?

共晶结束后,随温度下降, ? 和? 的成分分别沿CF线 和DG线变化,并从共晶 ? 中析出?Ⅱ ,从共晶 ? 中析 出?Ⅱ ,由于共晶组织细, ?Ⅱ与共晶?结合, ?Ⅱ与共

晶? 结合,在显微镜下难于分辨,最终共晶合金的室
温组织仍为 ( ?+? ) 共晶体。

Pb-Sn共晶合金组织

? ?

③ 亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程 合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点,固相成 分变化到C点,液相成分变化到E点, 此时两相的相对 重量为:
C2 2E QL ( ? QE ) ? ? 100%, Q? ? ? 100% CE CE

?

在2点,具有E点成分的剩余液体发生共晶反应: L ?(? + ?) ,转变为共晶组织,共晶体的重量与转变 前的液相重量相等, 即QE =QL
? C2 2E ? 100 %,Q? ? ? 100 % CE CE

?

反应结束后,在共晶温度下?、 ? 两相的相对重量百 分比为:
2D C2 Q? ? ? 100%, Q? ? ? 100% CD CD

?

温度继续下降,将从一次

? 和共晶? 中析出?Ⅱ,从
共晶? 中析出?Ⅱ。其室温

组织为?Ⅰ+ (?+?) + ?Ⅱ。

亚共晶合金 的结晶过程

? ?

④ 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似,不同的 是一次相为 ? , 二次相为?Ⅱ 室温组织为?Ⅰ+(?+?)+?Ⅱ。

?

Pb-Sn合金的结晶过程

? ?

⑶ 组织组成物在相图上的标注 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。

?

?Ⅰ和?Ⅰ, ?Ⅱ
和?Ⅱ,共晶体
(?+?)都是组

织组成物。

?

相与相之间的差别主要在结构和成分上。

?

组织组成物之间的差别主要在形态上。如?Ⅰ 、 ?Ⅱ和共晶体
中的 ? 的结构成分相同,属同一个相,但它们的形态不同, 分属不同的组织组成物。

Pb-Sn亚共晶组织

组织组成 物在相图 上的标注

3、具有共析反应的二元相图
?

共析反应(共析转变)是指在一定温度下,由一定成 分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固 相的过程。

?

共析转变也是固

态相变。
?

最常见的共析转

变是铁碳合金中
的珠光体转变:

S
P

?S ? ?P+ Fe3C 。

(?—奥氏体,?—铁素体,Fe3C—渗碳体)

?

共析相图与共晶相图相似,对应的有共析线(PSK 线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合 金(共析成分合 金)、亚共析合 金(共析线上共
铁碳合金相图

析点以左的合
金)、过共析合

金(共析线上共
析点以右的合

金)。

?

共析反应的产物是共析体(铁碳合金中的共析体称珠 光体),也是两相的机械混合物(铁素体+渗碳体)。

?

与共晶反应不同的

是,共析反应的母
相是固相,而不是 液相。
?

另外,由于固态转
变容易产生较大过 冷度,形核率高, 因而共析组织比共 晶组织细。

珠光体

6、二元相图的分析步骤
? ? ?

实际二元相图往往比较复杂,可按下列步骤进行分析。

⒈ 分清相图中包括哪些基本类型相图
⒉ 确定相区

?
?

⑴ 相区接触法则
相邻两个相区的相数差为1

?
?

⑵ 单相区的确定
① 液相线以上为液相区;
Fe- Fe3C相图

? ?

② 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区; ③ 相图中的垂线可能是稳定化合物(单相区),也可能是相 区分界线;

?

④ 相图中部出现的 成分可变的单相区

是以化合物为基的
单相固溶体区;
?

⑤ 相图中每一条水
平线必定与三个单

?
?+? ?

相区点接触。
Cu-Zn相图

?

⑶ 两相区的确定:两个单相区之间夹有一个两相 区,该两相区的相 由两相邻单相区的 相组成。 ⑷ 三相区的确定: 二元相图中的水平 线是三相区。
Fe-Fe3C相图

?

常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 反应式 L? ? + ? 说明 恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的新固相。 恒温下由一个液相包着 一个固相生成另一个新 的固相。 恒温下由一个固相同时 析出两个成分结构不同 的新固相。

共晶反应

包晶反应

L+ ? ? ?

共析反应

? ?? +?

5、相图与合金性能之间的关系
?

⑴ 相图与合金力学性能、 物理性能的关系 ①两相机械混合物的合金: 性能与合金成分呈直线关

?

系,是两相性能的算术平
均值,如:
?
?

?混= ???Q? + ?β?Qβ
HB混=HB? ?Q? +HBβ?Qβ

?

(Q? 、Qβ为两相相对重量)

?
?

② 单相固溶体的合金:
性能随成分呈曲线变

化,随溶质含量增加,
σ、HB增加,塑性下 降。
?

③ 形成稳定化合物的 合金: 性能-成分曲线出现拐 点。

?

? ?

⑵ 相图与铸造性能的关系
①固溶体合金液固相 线间距越大、偏析倾 向大, 树枝晶发达, 流 动性降低, 补缩能力

下降, 分散缩孔增加.
?

②共晶合金结晶温度

低,流动性好,缩孔
集中, 偏析小, 铸

造性能好。

第三节 铁碳合金相图
?

铁碳合金—碳钢和
铸铁,是工业应用 最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。

?

?

?

铁和碳可形成一系列稳定化合物: Fe3C、 Fe2C、 FeC,它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分(6.69%)时,合金太脆, 已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。

?

?

Fe

Fe3C

Fe2C

FeC
C%(at%) →

C

铁碳合金相图是
研究铁碳合金最 基本的工具,是 研究碳钢和铸铁 的成分、温度、

组织及性能之间
关系的理论基础,

是制定热加工、
热处理、冶炼和

铸造等工艺依据.

一、铁碳合金的组元和相
? ? ? ?

⒈ 组元:Fe、 Fe3C ⒉相 ⑴ 铁素体: 碳在?-Fe中的固溶体称 铁素体, 用F 或? 表示。
铁素体

?

碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体,用δ 表示。

?

都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,
在727℃时最大为0.0218%,室温下仅为0.0008%。

?

铁素体的组织为多边形晶粒,性能与纯铁相似。

? ? ?

⑵ 奥氏体:
碳在? -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 ? 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体 大,1148℃时最大为2.11%。 组织为不规则多面体

?

晶粒,晶界较直。强
度低、塑性好,钢材

热加工都在? 区进行.
?

碳钢室温组织中无奥

氏体。

奥氏体

? ? ?

⑶ 渗碳体:即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。
Fe3C硬度高、强度低(?b?35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零 Fe3C是一个亚稳相,在一 定条件下可发生分解: Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反

应对铸铁有重要意义。
?

钢中的渗碳体

由于碳在?-Fe中的溶解度

很小,因而常温下碳在铁
碳合金中主要以Fe3C或石

墨的形式存在。

铸铁中的石墨

二、铁碳合金相图的分析
?

⒈ 特征点

?

J N

L
L+?

?
G ? ? ? ?
?+?

L+Fe3C

? +Fe3C

? +Fe3C

?

⒉ 特征线

?

⑴ 液相线—ABCD,
固相线—AHJECFD

?
?

⑵ 三条水平线:
HJB:包晶线LB+δH? ?J

?
?

ECF:共晶线LC? ?E+Fe3C
共晶产物是? 与Fe3C的机械 混合物,称作莱氏体, 用Le 表示。为蜂窝状, 以Fe3C为

基,性能硬而脆。

莱氏体

?

PSK:共析线

L+δ

?S ?FP+ Fe3C
?

δ+ ?

L+ ? L+ Fe3C ?+? ? + Fe3C

共析转变的产物是 ? 与 Fe3C的机械混合物,称 作珠光体,用P表示。

F+ Fe3C

?

珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布, 性能介于两相之间。

珠光体

PSK线又称A1线 。

?
?

⑶ 其它相线
GS,GP—? ? ? 固溶体

转变线, GS又称A3 线。
?

HN,JN—δ? ? 固溶体 转变线, ES—碳在? -Fe中的固 溶线。又称Ac m线。 PQ—碳在?-Fe中的固 溶线。

?

?

?
?

⒊ 相区
⑴ 五个单相区: L、?、?、?、Fe3C

?

?

⑵ 七个两相区: L+?、 L+?、L+Fe3C、? +?、

?+Fe3C、?+? 、 ?+Fe3C
?

⑶ 三个三相区:即HJB (L+?+?)、ECF(L+?+ Fe3C)、 PSK(?+?+ Fe3C)三条水平线

三、典型合金的平衡结晶过程
? ? ?

铁碳相图上的合金,按成分可分为三类: ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。 ⑵ 钢(0.0218~2.11%C) 高温组织为单相? ① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C)

?

?
?

② 共析钢 (0.77%C)
③ 过共析钢

亚共 共析 析钢 钢 工 业 纯 铁

过 共 析 钢

亚 共 晶 白 口 铁

共 晶 白 口 铁

过 共 晶 白 口 铁

(0.77~2.11%C)

?

⑶ 白口铸铁 (2.11~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆

?

① 亚共晶白口铸铁 (2.11~4.3%C)

?

② 共晶白口铸铁 (4.3%C) ③ 过共晶白口铸铁 (4.3~6.69%C)

?

?

㈠工业纯铁的
结晶过程
? N L+? B H
J

?

合金液体在1-2
点间转变为 ? ,

?+?

3-4点间 ? → ? ,
5-6点间 ? → ? 。 到7点,从?中 析出Fe3C。

?+? ?

S

?

工业纯铁的结晶过程

?

从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体,用Fe3CⅢ
表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。

随温度下降,
Fe3CⅢ量不断

增加,合金的
室温下组织为 F+ Fe3CⅢ。
?

室温下Fe 3 C Ⅲ

最大量为: QFe C ? 0.0218 ? 0.0008 ? 100% ? 0.3% 6.69 ? 0.0008
3 III

?
?

㈡ 共析钢的结晶过程
合金液体在 1-2点间转变 为?。到S点 发生共析转 变:

?S??P+Fe3C, ? 全部转变
为珠光体。

?

共析钢的结晶过程

? ?

珠光体在光镜下呈指纹状. 变结束时,珠光体中相的 相对重量百分比为:

SK 6.69 ? 0.77 Q? ? ? ? 88.8%, PK 6.69 ? 0.0218 Q Fe3C ? 100% ? 88.8% ? 11.2%
?

珠光体

珠光体中的渗碳体称共析 渗碳体。 S点以下,共析 ? 中析出 Fe3CⅢ,与共析Fe3C结合

?

不易分辨。室温组织为P.

Q

?

室温下,珠光体中两 相的相对重量百分比

是多少?
4L Q? ? QL 6.69 ? 0.77 ? ? 88.5% 6.69 ? 0.0008 Q Fe3C ? 100% ? 88.5% ? 11.5%
Q

1 2

3

4
9

? ?

㈢ 亚共析钢的结晶过程
A



0.09~0.53%C亚共析钢

H J

B

冷却时发生包晶反应.
?

以0.45%C的钢为例

G S P
?+Fe3C

?

合金在4点以前通过匀
晶—包晶—匀晶反应全

部转变为?。到4点,由

? 中析出? 。到5点, ? 成分沿GS线变到S点,? 发生
共析反应转变为珠光体。温度继续下降,? 中析出 Fe3CⅢ,由于与共析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计.

亚共析钢的结晶过程

共析温度下相的相对重量为:
QFe 3C P5 5K ? ? 100 %, Q? ? ? 100 % PK PK

组织组成物的相对重量为:
P5 5S QP ? ? 100 %,Q? ? ? 100 % PS PS
?
S’

利用平衡组织中珠光体所 占的面积百分比,可以近

似估算亚共析钢的含碳量:
C%=P面积%×0.77% (忽略

? 中含碳量,P面积%=QP)

?

室温下相的相对重量 百分比为:

Q6 QFe 3C ? QL C ? 0.0008 ? ? 100% 6.69 ? 0.0008 6L Q? ? ? 100% ? QFe 3C QL
?

S’

室温下组织组成物的相对重量百分比为:
Q6 C ? 0.0008 6 S' QP ? ? ? 100% , Q? ? ? 100% ? QP QS' 0.77 ? 0.0008 QS'

?

亚共析钢室温下的组织 为F+P。 在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量

?

含0.20%C钢的组织

增加而增加。

含0.45%C钢的组织

含0.60%C钢的组织

?
?

㈣ 过共析钢的结晶过程
合金在1~2点转变为? , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏 体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶 界呈网状分布.

?

温度下降,

Fe3CⅡ量增加。
到4点, ? 成分

沿ES线变化到
S点,余下的?

转变为P。
在共析温度下Fe3CⅡ的相对量?

过共析钢的结晶过程

? ?

过共析钢室温组织为P+ Fe3C Ⅱ。 Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ 量最大:

QFe C
3

II

2.11 ? 0.77 ? ? 100% ? 22.6% 6.69 ? 0.77

含1.4%C钢的组织

?

室温下两相的相对 重量百分比:
1

5L Q? ? QL 6.69 ? C ? ? 100% 6.69 ? 0.0008 Q5 QFe 3C ? ? 100% ? Q? QL
?

2

3
4

室温下两组织组成物 的相对重量百分比:

S’

5

5L 6.69 ? C S' 5 QP ? ? ? 100 %,QFe 3CⅡ ? ? 100 % ? QP S' L 6.69 ? 0.77 S' L

?
?

㈤ 共晶白口铁的结晶过程
合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le), 莱氏体是共晶? 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状.

?
Fe3C

共晶转变结束时,两相的相对重量百分比为: 6.69 ? 4.3 Q? ? ? 100 % ? 52.2%,QFe 3C ? 47.8% 6.69 ? 2.11 ? C点以下, ? 成分沿ES线变化,共晶? 将析出Fe3CⅡ。
?

Fe3CⅡ与共晶Fe3C 结合,不易分辨。 1’

?

Fe3C

2

?

温度降到2点, ? 成分达到0.77%, 此时, 相的相对重量:
6.69 ? 4.3 Q? ? ? 100 % ? 40.4%,QFe 3C ? 59.6% 6.69 ? 0.77

?

在2点, 共晶? 发生共析反应,转变为珠光体,这种由 P与 Fe3C组成的
共晶体称低温莱

氏体, 用Le’表
示. 2 点以下,共晶 体中P 的变化同 共析钢。
S

共晶白口铁的结晶过程

?

共晶白口铁室 温组织为Le’ (P+ Fe3C), 它 保留了共晶转 变产物的形态

特征。
?

室温下两相的

相对重量百分
比为:

6.69 ? 4.3 Q? ? ? 100% ? 35.7% 6.69 ? 0.0008 QFe C ? 100% ? 35.7% ? 64.3%
3

?
?

㈥ 亚共晶白口铁的结晶过程
合金在1~2点间析出? 。到2点,液相成分变到C点, 并转变为Le。2~3点间从 ? 中析出Fe 3 C Ⅱ ,一次 ? 的 Fe3CⅡ被共晶? 衬托出来。到3点,? 转变为P。

亚共晶白口铁的结晶过程

?

亚共晶白口铁室温组织 为P+Fe3CⅡ+Le’。 室温下组织组成物相对 重量百分比为 :

?

N
1 2

D C F

E

3

4

E2 QLe' ? QLe ? EC 2C 2.11 ? 0.77 QFe 3C II ? ? EC 6.69 ? 0.77 Q? ? 100% ? QLe' ? QFe 3C II
室温下相的相对重量百分比?

?
?

㈦ 过共晶白口铁的结晶过程
1~2点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳 体,用 Fe3CⅠ表示,呈粗条片状。到2点,余下的液 相成分变到C点并转变为Le。

1

D

2

F
3 K

4

Fe3C

?

2点以下, Fe3CⅠ成分重量不再 发生变化, Le变化同共晶合金, 其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。

? ?

㈧ 组织组成物在铁碳合金相图上的标注
组织组成物与相 组成物标注区别 主要在?+ Fe3C和
?

?+Fe3C两个相区.

? + Fe3C

?+ Fe3C相区中有
四个组织组成物
? + Fe3C

区,?+Fe3C相区
中有七个组织组 成物区。

A
?

L+ ?

H

B J
L+A A

L

温N 度

A+ ?

D C A+ Fe3C
Le A+ Fe3CⅡ+Le Le+ Fe3CⅠ

E
S
P
A+ Fe3CⅡ

L+ Fe3C

F

G
F A+F

P Q Fe
P+F
P+ Fe3CⅡ

K

F+ Fe3C
Le’ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’+ Fe3CⅠ

F+ Fe3CⅢ

C%

Fe3C

?
? ?

㈨ 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
⒈ 含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为:
钢 铁 分 类
钢 工 业 共析钢 纯 铁 亚共析钢 过共析钢 0.77 2.11
二次渗碳体

白 口 铸 铁
共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁

含碳量% 0 0.0218

4.3

6.69
一次渗碳体

组织组 成物相 对量% 相组成 物相对 量%

100
铁素体 珠光体

莱氏体

0
三次渗碳体

100

?
Fe3C

0

? ?

⒉ 含碳量对力学性能的影响 亚共析钢随含碳量增加,P 量增加,钢的强度、硬度 升高,塑性、韧性下降。

?

0.77%C时,组织为100% P, 钢的性能即P的性能。

?

>0.9%C,Fe3CⅡ为晶界
连续网状,强度下降, 但

硬度仍上升。
?

>2.11%C,组织中有以

Fe3C为基的Le’,合金太
脆.

?

⒊ 含碳量对工艺性能的影响

?
?

① 切削性能: 中碳钢合适
② 可锻性能: 低碳钢好
铣 车 刨 钻

?
?

③ 焊接性能: 低碳钢好
④ 铸造性能: 共晶合金好

?

⑤ 热处理性能: 第六章介绍
铸 造



切削加工的基本形式
模锻

焊 缝 组 织

第四节 凝固组织及其控制
? ? ?

一、结晶后的晶粒大小及其控制

1、晶粒度
表示晶粒大小的尺度叫晶 粒度。可用晶粒的平均面 积或平均直径表示。 工业生产上采用晶粒度等 级来表示晶粒大小。 标准晶粒度共分八级,一级最粗,八级最细。通过

?

?

100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。

? ? ?

2、决定晶粒度的因素
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。
过冷度对N、G的影响

?

单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。

?

N/G比值越大,晶粒越细小. 因此,凡是促进形核、抑制 长大的因素,都能细化晶粒.

3、控制晶粒度的方法
?

⑴ 控制过冷度: 随过冷 度增加,N/G值增加,晶 粒变细。 ⑵ 变质处理: 又称孕育 处理。即有意向液态金属 内加入非均匀形核物质从

?

而细化晶粒的方法。所加
入的非均匀形核物质叫变

质剂(或称孕育剂)。

Al-Si合金组织

缓冷

快冷

未变质

变质

铸铁变质处理前 后的组织

变质处理前

变质处理使组织 细化。变质剂为 硅铁或硅钙合金。
变质处理后

?

⑶ 振动、搅拌等:对正在结晶的金属进行振动或 搅动,一方面可靠外部输入的能量来促进形核, 另一方面也可使成长中的 枝晶破碎,使晶核数目显 著增加。

电磁搅拌细化晶粒示意图

超声振动细化晶粒示意图

气轮机转子的宏观组织(纵截面)
细晶的熔模铸件(上)

普通铸件(下)

4、晶粒大小对金属性能的影响
?

常温下,晶粒越细,晶界面积 越大,因而金属的强度、硬度 越高,同时塑性、韧性也越好, 即细晶强化。 高温下,晶界呈粘滞状态,在 外力作用下易产生滑动,因而
?s= ?i+Kd-1/2
晶粒大小与金属强度的关系

?

细晶粒无益。但晶粒太粗易产
生应力集中。因而高温下晶粒

过大、过小都不好。

单晶叶片

多晶铁的拉伸变形

室温

高温

二、铸锭(件)组织与缺陷
?

在实际生产中,液态金属被 浇注到锭模中便得到铸锭, 而注入到铸型模具中成型则 得到铸件。

?

铸锭(件)的组织及其存在的 缺陷对其加工和使用性能有 着直接的影响。

? ?

1、铸锭(件)的组织 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:

?

⑴ 表层细晶区:浇注时, 由于冷模壁产生很大的过 冷度及非均匀形核作用, 使表面形成一层很细的等 轴晶粒区。

?

⑵ 柱状晶区:由于模壁温度升高,结晶放出潜热, 使细晶区前沿液体的过冷度减小,形核困难。加上

模壁的定向散热,使已有的晶体沿着与散热相反的
方向生长而形成柱状晶区。

?

⑶中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出,散 热速度不断减慢,导致柱状晶生长停止,当心部液

体全部冷至实际结晶温度T1以下时,在杂质作用下
以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。

? ?

2、铸造缺陷
铸造缺陷的类型 较多,常见的有 缩孔、气孔、疏 松、偏析、夹渣、

缩孔

白点等,它们对
性能是有害的.
?

⑴ 缩孔:缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补
缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加

冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除.

?

⑵偏析:合金中各部分化 学成分不均匀的现象称为 偏析。铸锭(件)在结晶时, 由于各部位结晶先后顺序 不同,合金中的低熔点元

素偏聚于最终结晶区,造
成宏观上的成分不均匀,

称宏观偏析。适当控制浇
注温度和结晶速度可减轻 宏观偏析。
硫在钢锭中偏析的模拟结果

?

⑶气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成 的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡. 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合,张开的气 孔需要切除。铸件中出现气

孔则只能报废。
铸件中的气孔

缩 松


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