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1、第二章 金属材料组织和性能的控制,第一节 纯金属的结晶第二节 合金的结晶第三节 金属的塑性加工第四节 钢的热处理第五节 钢的合金化第六节 表面技术,第一节 纯金属的结晶,结晶的条件：必须过冷 过冷度 T=T0-Tn,过程：生核和长大,非自发形核和树枝状长大为主,同素异构转变,细化晶粒的措施,增加过冷度、变质处理、振动、电磁搅拌,第二章 金属材料组织和性能的控制,第一节 纯金属的结晶第二节 合金的结晶第三节 金属的塑性加工第四节 钢的热处理第五节 钢的合金化第六节 表面技术,第二节 合金的结晶,2.2.1 二元合金的结晶2.2.2 合金的性能与相图的关系2.2.3 铁碳合金的结晶,第二节 合金的
2、结晶,纯金属：冷却曲线，状态（相）温度、时间,合金：相图，状态（相）温度、成分,图2-11Cu-Ni合金相图,相图（状态图、平衡图）：表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解。,图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态,液相线： 结晶开始点的连线固相线： 结晶终了点的连线,三个区：L、L+、 ,相图的建立(热分析法):,铅-锡合金共晶相图,铂-银合金包晶相图,共析相图,A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,含有稳定化合物的相图,杠杆定律,1,2,a,b,a1,b1,c1,T1,T2,1. 在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。,2
3、. 随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。,杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Q=b1c1/a1b1,杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL/QH=b1c1/a1c1Q/QH=a1b1/a1c1=1- QL/QH,杠杆定律的适用范围：（1）只适用于相图中的两相区；（2）只能在平衡状态下使用（3）支点为合金的成分点，两个端点为给定温度时两相的成分,例：将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后慢冷至如图温度T1,求此时:1)两相的成分;2)两相的重量比;3)两相的相对重量;4)两相的重量。,L, 50%Ni; ,
4、 80%Ni,一、匀晶相图,1、相图分析,两条线： 液相线：aa1c 固相线：ac1c 三个区： 单相区：L(液溶体)、 (无限固溶体) 双相区： L+,2.2.1 二元合金的结晶,图2-11Cu-Ni合金相图,2、结晶过程分析 冷却曲线、结晶过程示意图,均晶反应：L,1）生核和长大 趋于树枝状长大；2）变温结晶 结晶在一个温度范围内进行；3）温度一定，两相的成分确定；4）两相的质量比符合杠杆定律5）快冷时易出现枝晶偏析。,3、匀晶结晶的特点,枝晶偏析,定义：一个晶粒内化学成分的分布不均现象。,图2-14Cu-Ni合金枝晶偏析示意图,消除方法：扩散退火（约固相线以下100）,原因：固溶体结晶时
5、成分是变化的冷却较快，原子扩散不充分,二、共晶相图,共晶反应：一定成分的液相在恒温下同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程。,共晶体（ + ）两相（ 、）的混合物,图2-15 Pb-Sn共晶相图,1. 相图分析,adb 液相线acdeb 固相线cf Sn在Pb溶解度线eg Pb在Sn溶解度线cde 三相共存、共晶线,区: 单相区：L、(Sn在Pb中的固溶体)、 (Pb在Sn中的固溶体) 两相区： L+、 L+、 + 三相共存区：cde(三相共存水平线、共晶线),点：d(共晶点),cde上合金均共晶反应d 点合金称为共晶合金cd段亚共晶合金de段过共晶合金,图2-15 Pb-Sn共晶相图,cf相
6、的固溶线。T降低，溶解度下降。 。 二次结晶；次生相或二次相 eg相的固溶线。冷却。,2、典型合金的结晶,0点，液态合金1点，匀晶结晶2 点，完全结晶成固溶体3点，冷却， 相不变4点， Sn 在 中溶解度沿 cf 线降低 ， ， 相和相的成分分别沿cf 、eg变化。,合金的结晶过程,图2-15 Pb-Sn共晶相图,二次结晶；次生相或二次相（ ）,室温组织：+ ，由和两相组成，两相的质量分数为：,图2-15 Pb-Sn共晶相图,组织组成物：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。,合金II的结晶过程,图2-15 Pb-Sn共晶相图,组织：（+）组成相：、,图2-18共晶合金
7、组织的形态,合金III的结晶过程,亚共晶合金室温组织为 + +（ + ），其组成相为 + ,图2-15 Pb-Sn共晶相图,过共晶合金室温组织为 + +（ + ），其组成相为 + ,图2-20亚共晶合金组织 图2-21过共晶合金组织,标注了组织组成物的相图,三、包晶相图,三相共存、成分确定、反应在恒温下进行,包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相和一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程,相图分析,点 e 包晶点,合金的结晶过程（包晶成分）,组织： + 组成相： 、,合金的结晶过程,组织： + + + 组成相： 、,四、共析相图,共析体：由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的
8、固相混合物。与共晶相似, 产物更细密,L （均晶反应）,到d 点，恒温发生共析反应:,d (c+e),图2-24 共析相图,五、含有稳定化合物的合金的相图,图2-25 含有稳定化合物的相图,把稳定化合物看作一个独立的组元，分割成几个简单相图,2、相接触法则：二元相图中，相邻相区的相数相差一个（点接触除外）。,3、找出三相共存水平线及与其相接触的（以点接触）三个单相区，从三个单相区与水平线的配置位置，可确定三相平衡转变的性质。,1、首先看相图中是否存在稳定化合物， 独立组元，分解,分析相图的一些原则：,常见三相等温水平线上的反应,第二节 合金的结晶,2.2.1 二元合金的结晶2.2.2 合金的性
9、能与相图的关系2.2.3 铁碳合金的结晶,匀晶相图,L,共晶相图,包晶相图,共析相图,A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,含有稳定化合物的相图,第二节 合金的结晶,2.2.1 二元合金的结晶2.2.2 合金的性能与相图的关系2.2.3 铁碳合金的结晶,2.2.2 合金的性能与相图的关系,1. 合金的使用性能与相图的关系,图2-26 合金的使用性能与相图的关系,2. 合金的工艺性能与相图的关系,图2-27 合金的铸造性能与相图的关系,共晶合金铸造性能最好,作业：（P15，4、5、7）,4. 图2-2为Pb-Sn相图，1）用冷却曲线表示96%Pb的Pb-Sn合金的平衡
10、结晶过程，画出室温平衡组织示意图，标上各组织组成物。,2）计算该合金室温组织中组成相的相对重量。3）计算该合金室温组织中组织组成物的相对重量。4）指出该合金系室温组织中含最多的合金成分。5）指出该合金系室温组织中共晶体最多和最少的合金的成分或成分范围。,5. 合金相图如图2-3所示：1）标上(1)-(3)区域中存在的相。2）标上(4)、(5)区域中的组织。3）相图中包括哪几种转变？写出它们的反应式。,1）L+，+，+2）+II+（+） +II,3）匀晶：共析：二次结晶：，,一个二元共晶反应如下：L(75%B)(15%B)+(95%B),（1）含50%B的合金凝固后求：1）初晶与共晶体（+）的重
11、量百分数；2）相与相的重量百分数；（2）若共晶反应后初晶和（+）共晶各占一半，求该合金的成分。,第二节 合金的结晶,2.2.1 二元合金的结晶2.2.2 合金的性能与相图的关系2.2.3 铁碳合金的结晶,2.2.3 铁碳合金的结晶,一、铁碳相图,铁和碳Fe3C、 Fe2C、 FeC(C) Fe3C成分（6.69%），太脆 Fe- Fe3C相图,结晶, Fe 熔点1538，密度7.87g/cm3。 强度低、硬度低、塑性好： b 180230 MPa 30%50% 0.2 100170 MPa 70%80% k 1.61062106J/m2 硬度（HB） 5080, Fe3C 具有复杂结构的间隙化
12、合物，渗碳体，用Cm表示。 硬而脆： b 30 MPa 0 硬度（HB） 800 k 0 0,1.铁碳合金的组元,组成合金的独立的、最基本的单元,2.铁碳合金中的相, 液相L 铁与碳的液溶体。 相 高温铁素体，碳在-Fe中的间隙固溶体，BCC，1495最大，0.09%。 相 铁素体，F或，碳在-Fe中的间隙固溶体，BCC。室温0.0008%，727最大，0.0218%。强度低、硬度低、塑性好。 相 奥氏体，A或，碳在-Fe中的间隙固溶体，FCC。1148，2.11%。强度较低，硬度不高，易于塑性变形。 Fe3C相 渗碳体，化合物相，有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响
13、。,成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分,3. 相图中点、线、区及意义,(1) 点 A 1538 0 纯铁的熔点 D 1227 6.69 Fe3C的熔点 N 1394 0 G 912 0 J 1495 0.17 包晶点 H 1495 0.09 C 在-Fe中最 大溶解度 B 1495 0.53 包晶转变时液 态合金的成分 E 1148 2.11 C 在-Fe 中的 最大溶解度 C 1148 4.3 共晶点 P 727 0.0218 C 在-Fe中的 最大溶解度 S 727 0.77 共析点,(2) 线： 液相线 ABCD 固相线 AHJECF 包晶转变线 HJB 共晶转变线 ECF 共析转变线 PSK,(3) 区： 五个单相区 L、Fe3C,
