工程材料-第2章课件

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1、工程材料,授课教师：李 英,第2章 金属材料的组织 与性能控制,重点： (1)基本概念 (2)各种组织的名称、形态、性能特点 (3)杠杆定律 (4)铁碳相图、典型铁碳合金的结晶过程 (5)金属的属性加工 (6)钢的热处理 (7)钢的合金化,2.1纯金属的结晶(crystallization),一次结晶：金属从液体转变为固态(晶态) 的过程。 二次结晶（重结晶）：金属从一种固体晶态转变为另 一种固体晶态的过程。,广义上讲 结晶过程：金属从一种原子排列状态转变为另 一种原子排列状态(晶态)的过程。,1.纯金属结晶的条件,2.1.1纯金属的结晶条件,图 纯铜的冷却曲线,冷却曲线：液体金属在结晶时时间

2、-温度的曲线。,de段正在结晶 ef段表示金属全部转为固态晶体后，晶体逐渐冷却。,条件2： (自由能差)FA (建立同液体相隔的晶体 界面而消耗的能量),图 金属在聚集状态时自由能 与温度的关系的示意图,条件1：存在一定的过冷度(degree of supercooling),在恒温条件下，只有那些引起体系自由能降低的过程才能自发进行。,自由能:free energy,包括生核(nucleation)与长大(growth)两个过程。,2.纯金属结晶的过程,自发生核,在液态下，金属中存在有大量尺寸不同的短程有序的原子集团。在高于结晶温度时，它们是不稳定的，但是当温度降低到结晶温度下，并且过冷度达

3、到一定的大小后，液体进行结晶的条件具备了，液体中那些超过一定大小(大于临界晶核尺寸)的短程有序原子集团开始变得稳定，不再消失。,这种从液体结构内部由金属本身原子长出的结晶核心叫做自发晶核。,非自发生核,实际金属往往是不纯净的，内部总含有这样或那样的外来杂质。杂质的存在常常能够促进晶核在其表面上的形成。,这种依附于杂质而生成的晶核叫做非自发晶核。,图 晶体平面长大示意图,在冷却速度较小的情况下，较纯金属的晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大，进行平面长大。 晶体的长大应服从表面能最小的原则。 晶体沿不同方向长大的速度是不一样的，即不同晶面的垂直长大速度不同，以沿原子最密面的垂直方向的长大速度最

4、慢，而非密排面的长大速度较快。 平面长大的结果，晶体获得表面的原子最密面的规则形状。,平面长大,图 晶体树枝长大示意图,树枝长大,当冷却速度较大，特别存在杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形式长大。 一次晶轴、二次晶轴、三次,原因：晶核长大过程中有潜热放出，晶核尖角处的散热较快，因而长大较快，成为伸入到液体中去的晶枝，同时尖角处的缺陷较多，从液体中转移来的原子容易在这些地方固定，有利于晶体的长大而获得树枝晶。,2.1.2同素异构转变(二次结晶或重结晶),同素异构转变(allotropic transformation)： 金属在固态下随

5、温度改变从一种晶格转变为另一种晶格的过程。,-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀。,图 纯铁的冷却曲线,2.1.3细化铸态金属晶粒的措施,细晶强化：使晶粒细化，以提高金属机械性能的方法。,金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个 晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大，晶粒越细。,表 晶粒度(grain size),1.增大金属的过冷度,成核速率N：单位时间单位体积形成的晶核数。 长大速度G：单位时间晶核长大的长度。,TN,G 但N增大的速度比G快，结果使晶粒细化。,图 N、G与T的关系,2.变质处理,3.振动,4.搅拌,变质处

6、理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒，改善组织。,变质剂的作用：(1)增加晶核的数量 (2)阻碍晶核的长大,2.1.4铸锭的结构,细等轴晶区,柱状晶区,粗等轴晶区,2.铸锭的缺陷：缩孔、疏松、气孔,1.铸锭的结构,2.2合金的结晶,表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图,合金的结晶通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。,什么是相图？(phase diagram),相图的制作过程四步：,1. 配制一系列成分的合金 如：(1) 100%Ni+0%Cu (2) 80%Ni+20%Cu (3) 60%Ni+40%Cu (4) 40%Ni+60%Cu (5) 20Ni%

7、+80%Cu (6) 0%Ni+100%Cu,2.测出上述合金的冷却曲线,3.根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点,4.将这些临界点标在相图坐标系中的相应位置上，最后把各意义相同的临界点连起来。,相图的制作,P14,2.2.1 匀晶相图(uniform grain phase diagram),1. Cu-Ni合金的结晶过程,L,L+,纯金属为恒温结晶,2. 匀晶结晶的特点(5个特点),生核,长大,(3) 在两相区内，温度一定时，液相和固相的成分是确定的 。,确定相成分的方法： 过指定温度T1作水平线，分别交液相线和固相线于a1点、c1点,随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固

8、相线变化。,求a1点、c1点在成分轴上的投影点即为液相L和固相的成分。,到温度T2时，L相成分及相成分分别为a2、c2在成分轴上的投影。,2. 匀晶结晶的特点(5个特点),(4) 在两相区内，温度一定时，两相的质量比是确定的,2. 匀晶结晶的特点(5个特点),杠杆定律的证明,设合金的总量为Q合金，其中Ni的质量分数为b，在T1温度时，L中的质量分数为a，中的质量分数为c,T1,合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+ 中含Ni的质量,联合求解上述两式,合金中液相和固相在合金中所占的相对质量。,杠杆定律的理解,QL.ab=Q.bc,bc长度代表液相的质量，随着温度下降，液相越来越少，bc越来越

9、短。 ab长度代表固相的质量，随着温度下降，固相越来越多，ab越来越长。,T1,ac长度代表合金的质量。,将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后慢冷至如图所示的温度T1，求此时 (1) 两相的成分； (2) 两相的质量比； (3) 两相的相对质量； (4) 两相的质量。,两相的成分，T1温度时： 液相：含Cu 50% Ni 50%,合金质量： Q合金=20+30=50kg 合金的成分：含Cu:20/50=40% 含Ni:30/50=60%,例题(应用),固相：含Cu 20% Ni 80%,(2）两相的质量比,(3）两相的相对质量,(4）两相的质量,(5) 固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原

10、子的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体 。,枝晶偏析：一个晶粒内化学成分不均匀的现象。,2. 匀晶结晶的特点,组织组成物：指合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或两相混合物。,亚共析钢：( 铁素体)F+（珠光体）P,在显微镜下，白色为F和黑色为P,F,P,相图的种类,相图的种类,(1)匀晶相图,(2)共晶相图,(3)包晶相图,(4)共析相图,(5)含有稳定化合物的合金的结晶相图,(2)共晶相图(eutectic phase diagram),Pb-Sn(铅-锡)合金相图,一种液相,固相1,固相2,恒温,共晶反应,(3)包晶相图(perite

11、ctic phase diagram),Pt-Ag（铂-银）合金相图,一种液相 + 固相,另一种固相,恒温,包晶反应,(4)共析相图(eutectoid phase diagram),共析相图,一种固相,固相1,固相2,恒温,共析反应,(5)含有稳定化合物的合金的结晶相图,Mg-Si合金相图,2.2.2 合金的性能与相图的关系,合金的使用性能与相 图的关系,合金的工艺性能与相图的关系,图 合金的使用性能与相图的关系,图 合金的工艺性能与相图的关系,2.2.3 铁碳合金,1.铁碳相图,图 铁碳合金的各种化合物,图 铁碳相图(铁碳平衡相图) (iron-carbon equilibrium pha

12、se diagram),图 标注组织的铁碳相图,(1)铁碳合金中的组元,(2)铁碳合金中的相(5种）,相(铁素体，用符号F或表示),碳在 -Fe铁中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。 室温时碳质量分数为：0.0008% 600时碳质量分数为：0.0057% 727时溶碳量最大，碳质量分数为：0.0218% 机械性能：强度低、硬度低、塑性好,(3)相图中重要的点（J、S 、C ）,J为包晶点、S为共析点、C为共晶点,珠光体P：共析反应的产物，是铁素体与渗碳体的共析混合物,珠光体机械性能：强度较高、塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,P中的渗碳体为共析渗碳体，呈窄条状。,Le中的渗碳体为共晶渗碳

13、体，块状。,莱氏体Le：共晶反应的产物，是奥氏体与渗碳体的共晶体混合物,(4)相图中重要的线,ABCD:液相线,AHJECF:固相线,(4)相图中重要的线,HJB:包晶反应线： w(C)=0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。,ECF:共晶反应线： w(C)=2.11%6.69%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共晶反应。,PSK:共析反应线，A1线： w(C)=0.0218%6.69%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共析反应。,(4)相图中重要的线,ES:碳在A中的固溶线，Acm线： E点1148时 A中的溶碳量：2.11% S点727 A中的溶碳量： 0.77% 从1

14、148冷到727 ，将从A中析出Fe3C(析出的渗碳体称二次渗碳体， Fe3C),GS:A中析出F的临界线，A3线,1点： 组织：全部是奥氏体A() A中的碳质量分数W(c)=0.4%,2点：bc长度表示F ab长度表示A F中的碳质量分数为： A中的碳质量分数为：,0.4,假设合金成分： W(c)=0.4%,3点： F中的碳质量分数为：0.0218% A中的碳质量分数为：0.77%,1,3,2,(4)相图中重要的线,P点727时 F中的溶碳量：0.0218% 室温时F中的溶碳量： 0.0008% 从727冷到室温，将从F中析出Fe3C(析出的渗碳体称三次渗碳体， Fe3C),PQ:碳在F中的

15、固溶线,图 铁碳相图,5个单相区： L Fe3C,7个双相区： L + L + L +Fe3C + +Fe3C + +Fe3C,3条三相线： 包晶反应线HJB: L+A 共晶反应线ECF: L+A+Fe3C 共析反应线PSK: A+ F+Fe3C,F、Fe3C、P机械性能比较,2.典型铁碳合金的平衡结晶过程,根据Fe-C相图，铁碳合金可分为三类：,工业纯铁w(C)0.0218%,钢0.0218% w(C) 2.11%,白口铸铁2.11% w(C) 6.69%,亚共析钢0.0218% w(C) 0.77% 共析钢w(C) =0.77% 过共析钢0.77% w(C) 2.11%,亚共晶白口铸铁2.

16、11% w(C) 4.3% 共晶白口铸铁w(C) =4.3% 过共晶白口铸铁4.3% w(C) 6.69%,工业纯铁的平衡结晶过程,L,纯铁：显微组织：F,F,共析钢的平衡结晶过程,L,共析钢：（珠光体）P,在显微镜下，珠光体的形态呈层片状。,P,QF,QFe3C,0.0008,0.77,6.69,例：共析钢室温组织是珠光体P,而组成相为 铁素体和渗碳体，求它们的质量分数：,S,亚共析钢的平衡结晶过程,L,亚共析钢：( 铁素体)F+（珠光体）P,在显微镜下，白色为F和黑色为P,F,P,例：45钢室温组织是F+P，组成相是F和Fe3C 1.求45钢从液态冷却到727共析反应结束后的F和P的质量分数。,2.求室温下F和Fe3C的质量分数：,例：用显微镜观察某亚共析钢，若估计其中的珠光体含