第二章材料的组织结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,纯金属的晶体结构与结晶,2.2,合金的晶体结构与结晶,2.3,合金的结晶,二元合金相图（补充）,2.4,铁碳合金的结构与相图,第,2,章 材料的组织结构,1.,了解材料的晶体结构的结构特点；,2.,了解金属的结晶过程；,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,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,：蜂蜡、玻璃 等。,晶体,金刚石、,NaCl,、冰,等。,非晶体,原子无规则堆积，也称为,“,过冷液体,”,。,液体,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,非晶体,有确定的熔点,熔点,晶体,非晶体,时间,温度,晶体和非晶体的熔化曲线,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,X,Y,Z,晶体具有规则的几何外形和各向异性的特性，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。,2.1,纯金属的晶体结构与结晶,2.1.1,金属材料的结构特点,2.1.2,金属的结晶过程,原子（离子）的刚球模型,原子中心位置,晶体结构：,晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式,.,2.1.1,晶体结构的基本概念,晶胞,点阵（晶格）模型,晶格,这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何构架。,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,晶胞的三个棱边的长度,a,b,c,三种典型的金属晶体结构（重点）,（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,、,Cr,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,晶体缺陷类型（重点）,（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，另外一个方向上尺寸很大，,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,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,（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，使点阵中形成空结点，称为,空位,。,在一定条件下，某些原子挤进晶体内部的间隙位置而形成,间隙原子,。,间隙原子可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,如果外来原子取代了原来节点上原子的位置，这种原子称为置换原子。,（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。,多余半原子面,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/V,（,cm,-2,）,式中,L,为位错线的总长度，,V,是晶体的体积。,金属的塑性变形主要是由位错运动引起的。因此，阻碍位错运动是,强化金属,的主要途径。,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,晶粒（单晶体）,晶界,晶界,晶粒与晶粒之间的交界面称为晶界。,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。,多晶体,：由许多位向不同的,晶粒,构成的晶体。,晶粒（单晶体）,多晶体示意图,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大，塑性越好。,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。,2.1.2,金属的结晶过程,液体-固体（晶体 或 非晶体）,液体-晶体,1.,概述,液体,晶体,结晶,从内部结构看,熔点,晶体,非晶体,时间,温度,晶体和非晶体的凝固曲线,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（重点）,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，然后插入热电偶以测量温度，随后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,t,T,T,0,T,n,理论结晶温度,开始结晶温度,T,过冷度,T=,T,0,-,T,n,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度,（,克服界面能）,纯金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度（平衡温度），这种现象称为,过冷,。,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。,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（了解）,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。,（液态金属绝对纯净，是一种理想的情况）,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。,自发形核,非自发形核,晶粒,晶界,（2）晶粒的长大,两种长大方式,平面生长,与,树枝状生长,。,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（重点）,晶粒度,表示晶粒大小，分8级,。,晶粒度,1,2,3,4,5,6,7,8,单位面积晶粒数,（个/,mm,2,）,16,32,64,128,256,512,1024,2048,晶粒平均直径,（,m,）,250,177,125,88,62,44,31,22,细晶强化,晶粒细化使金属机械性能提高的现象,细晶强化,-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.,振动和搅拌,（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,降低、,G,降低,（2）变质处理,在液体金属中加入,变质剂,(孕育剂)，促进形核，抑制长大，从而达到细化晶粒和改善组织形态的目的。,变质剂的作用,：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。如在铝合金液体中加入钛、锆、硼细化晶粒。,（3）振动和搅拌,振动的作用,：使树枝晶破碎，结晶核心增多，晶核数增加，晶粒细化。,机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。,概念,固溶体,金属化合物,2.2,合金的晶体结构与结晶,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,Al,2,O,3,、,SiO,2,、,ZrO,等。,1.,概念,材料可以由单一组元组成，如纯金属、,Al,2,O,3,晶体等，也可以由多种组元组成，如,Al-Cu-Mg,金属材料、,MgO,-Al,2,O,3,-SiO,2,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,。,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,。,亚共析钢,x,400,过共析钢,x,400,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,。,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,Z,X,Y,间隙原子,间隙固溶体,置换固溶体,置换原子,Y,X,Z,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),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,置换固溶体,间隙固溶体,溶质原子与溶剂原子直径之比应小于,0,59,方可。,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。,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，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力（,位错钉扎,，即溶质原子在位错附近偏聚），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相强化金属材料的方法。,与固溶体相比硬度高，塑性、韧性低得多，因此常用来做合金的,强化相,。,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,细晶强化,：,晶粒细化使金属机械性能提高的现象,固溶强化：这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象,第二相强化：以金属化合物作为强化相强化金属材料的方法,总结金属强化方式,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,2.3,合金的结晶,二元合金相图,（补充）,相图,（平衡图、状态图）,平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,1.,二元相图的表示方法及建立,成分：,w,Ni,=40%,，,w,Cu,=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,w,Ni,=60%,，,w,Cu,=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,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，然后插入热电偶以测量温度，随后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,。,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，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,w,Ni,(%),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,、,Mo-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,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,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,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,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。,t,1,t,3,t,2,L,1,L,2,L,3,1,2,3,两组元,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。,生成的两相混合物叫共晶体。,简单共晶相图,L,A+B,A,B,L+A,L+B,w,B,%,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,固溶线,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。,CF,为,B,在,A,中的溶解度曲线,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,Le,c,+,d,相是,Sn,溶于,Pb,中的固溶体,相是,Pb,溶于,Sn,中的固溶体。,相图中的,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,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,t,c,d,e,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。,X,1,合金结晶过程分析,c,e,f,g,X,1,T,C,t,L,L,L,L,+,冷却曲线,+,1,2,3,4,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,183,c,d,e,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,固溶体以,表示，以区别于从液体中直接结晶出来的,固溶体（,）。,X,1,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。,X,2,合金结晶过程分析（,亚共晶合金,）,X,2,T,C,t,L,L,+,(+),+,+,1,2,(+),+,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,183,c,d,e,L,+,(+),+,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,t,e,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,X,3,合金结晶过程分析,（,共晶合金,）,X,3,T,C,t,L,(+),L,(+),L,L,(+),共晶体,冷却曲线,(+),Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,183,c,d,e,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。,2.4,铁碳合金的结构与相图,2.4.1,铁碳合金的基本组元与基本相,2.4.2 Fe-Fe,3,C,相图分析,2.4.3,典型合金的结晶过程及组织,2.4.4,含碳量与铁碳合金组织及性能的关系,2.4.5,铁碳合金相图的应用,相图,：表示合金系中各合金在极其缓慢的冷却条件下结晶过程的简明图解，又称为状态图或平衡图。,合金系,：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。,合金相图,：在平衡条件下合金的成分、温度与相和组织状态之间关系的图形。,组元,：相图中，组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质，可以是组成合金的,元素,，也可以是稳定的,化合物,。,碳钢,：含碳量为,0.0218%2.11%,的铁碳合金；,铸铁,：含碳量大于,2.11%,的铁碳合金。,1,纯铁的同素异构转变,这种同一元素在不同条件下其晶格类型发生变化的现象。,纯铁的同素异构转变,-,Fe(bcc,),-,Fe(fcc,),-,Fe(bcc,),1394,C,912,C,-,Fe，fcc,-,Fe，bcc,912,C,2.4.1,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-Fe,3,C,相图的组元,Fe,-Fe(bcc,)、,-Fe(fcc,),和,Fe(bcc),强度、硬度低，韧性、塑性好。,Fe,3,C,熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,(2),Fe-Fe,3,C,相图的相,液相,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）,碳在,Fe,中的固溶体，最大溶碳量为,1495,时的,0.09%,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,w,C,2.11,（于,1148,）,力学性能：,b,=250 350MPa,=4045%,HB=160200,强度低，塑性好,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,w,C,0.0218,（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=80,Fe,3,C（,Cem,，Cm，,渗碳体）,铁与碳形成的间隙化合物,Fe,3,C,，含碳量为,6.69%,。,强化相,铁碳合金相图,A,E,S,P,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,F,Ld,2.4.2 Fe-Fe,3,C,相图分析,1.,相图中重要的点和线,符号,温度,（）,C,（）,物理意义,符号,温度,（）,C,（）,物理意义,A,1538,0,纯铁熔点,G,912,0,-F,e,-Fe,同素异构转变点,C,1148,4.30,共晶点,S,727,0.77,共析点,D,1227,6.69,渗碳体熔点,P,727,0.0218,碳在,-F,e,中的最大溶解度,E,1148,2.11,碳在,-Fe,中的最大溶解度,Q,室温,0.0008,室温下碳在,-F,e,中的溶解度,(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,L,d,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,L,d,表示。,凡是含碳量,w,C,2.116.69,范围内的合金，都要进行共晶转变。,蜂窝状，以,Fe,3,C,为基，性能硬而脆,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,w,C,0.0218,的铁碳量的铁碳合金都将发生共析转变。,P,两相呈片层相间分布，性能介于两相之间,（,2,）状态图上线的意义,A,E,S,P,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,Ld,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,F,AECF,线,固相线,ACD,线,液相线,A,L,+,Fe,3,C,L+,F,+A,ES,线（,Acm,线,）,C,在,-Fe,中的溶解度曲线。析出二次,Fe,3,C,GS,线（,A,3,线,）,AF,转变线,PSK,线（,A,1,线,）,共析线,（1）单相区：,L、F、A、Fe,3,C,（2）,两相区：,L+A、L+Fe,3,C、A+F、F+Fe,3,C,（3）,三相区：,L+A+Fe,3,C、A+F+Fe,3,C,F+Fe,3,C,P,ECF,共晶线,A+Fe,3,C,C,1227,GP,线,冷却时,F,析出终了线,PQ,线,碳在,-Fe,中的溶解度曲线，析出三次,Fe,3,C,A,E,S,P,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,Ld,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,F,A,L,+,Fe,3,C,L,+,Fe,3,C,F,+A,A+,A+Ld,Ld+,Fe,3,C,F+Fe,3,C,P,由液相直接析出的渗碳体，呈规则的长条状,Fe,3,C,Fe,3,C,从奥氏体中析出的渗碳体，沿奥氏体晶界呈网状分布,Fe,3,C,从铁素体中析出的渗碳体，沿铁素体晶界以不连续网状或片状分布,共晶渗碳体,-,在,Ld,中为连续的,基体,，比较粗大，有时呈鱼骨状,共析渗碳体,与,F,呈交替层片状,渗碳体,2.4.3,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%,类型,亚共析钢,共析钢,过共析钢,钢号,20,45,60,T8,T10,T12,碳质量分数,0.20,0.45,0.60,0.80,1.00,1.20,几种常见碳钢,E,S,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,A,P,Ld,F,A,L,+,Fe,3,C,L,+,Fe,3,C,F+A,1,2,3,(1)工业纯铁,(,C%0.0218%),结晶过程,4,5,LL+A,A F+A F F+,Fe,3,C,1,2,3,4,5,F+,Fe,3,C,工业纯铁的金相组织,室温组织：,F+,Fe,3,C,E,S,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,A,P,Ld,F,A,L,+,Fe,3,C,L,+,Fe,3,C,F+A,1,1,2,3,2,3,1,L,A,A,L+,P,(2)共析钢(,C%=,0.77%,),结晶过程,(,F,+,共析,Fe,3,C,),珠光体,强度较高，塑性、韧性和硬度介于,Fe,3,C,和,F,之间。,共析钢室温组织为,P，,组成相为,F,（88%）,和,Fe,3,C,（12%）,。,E,S,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,A,P,Ld,F,A,L,+,Fe,3,C,L,+,Fe,3,C,F+A,1,1,2,3,4,F+P,(3)亚共析钢,(,C%,=,0.4%,),结晶过程,1,L,A,A,L+,A+,P+F,4,3,2,F,F,P,E,S,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,A,P,Ld,F,A,L,+,Fe,3,C,L,+,Fe,3,C,F+A,1,2,3,4,P+Fe,3,C,(4)过共析钢,(,C%,=,1.2%,),结晶过程,4,1,L,L+,A+,P+Fe,3,C,2,3,A,A,Fe,3,C,A+Fe,3,C,网状渗碳体,E,S,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,A,P,Ld,F,A,L,+,Fe,3,C,L,+,Fe,3,C,F+A,1,2,Ld,(5)共晶白口铁,(,C%,=,4.3%,),结晶过程,1,L,2,Ld,Ld,室温组织:（低温）,莱氏体,Ld,（,P,+,Fe,3,C,II,+,共晶,Fe,3,C,）,5,00,莱氏体,Ld,的性能：,硬而脆,E,S,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,A,P,Ld,F,A,L,+,Fe,3,C,L,+,Fe,3,C,F+A,P+Fe,3,C,+Ld,1,2,3,()亚共晶白口铁,(,C%,=,3%,),结晶过程,1,L,A+,L+,Ld,P+Fe,3,C,+Ld,A+Fe,3,C,4,2,A,3,A+Fe,3,C,+Ld,+Ld,室温组织:,Ld,+,P,+,Fe,3,C,II,E,S,Q,G,K,D,4.3,2.11,0.77,0.02,C%,1148,1538,727,P,L,A,F,温度,912,C,Fe,3,C,6.69,A,P,Ld,F,A,L,+,Fe,3,C,L,+,Fe,3,C,F+A,1,1,3,2,Fe,3,C,+Ld,Fe,3,C,+Ld,(,7),过共晶白口铁,(,C%,=,5%),结晶过程,3,1,L,2,L+,Fe,3,C,Fe,3,C,+,Fe,3,C,+Ld,Ld,室温组织:,Ld,+,Fe,3,C,I,标注了组织组成物的相图,工业纯铁,共析钢,亚共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,2.4.4,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,F F+P P P+Fe,3,C P+Fe,3,C+Ld,Ld,Ld,+Fe,3,C,C%,0,0.77,2.11,4.3,6.69,0.02,F,P,Ld,Fe,3,C,Fe,3,C,含碳量与相的相对量,关系,：,C,%F,%，Fe,3,C,%,含碳量与性能,关系,HB：,取决于相及相对量,强度：,C%=0.9-1.0%,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。,渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。,对,可锻性,而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。,对,切削加工性,来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在,HB200,左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。,2.,铁碳合金含碳量与工艺性能的关系,对,铸造性,来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。,对,焊接性,来说，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。,对热处理性来说，碳的影响更为明显，将在第三章介绍。,2.4.5,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、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,