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1、2.金属材料组织和性能的控制,单元5,1,第二章 金属材料组织和性能的控制,2.1 纯金属的结晶,凝固：液态L固态S S可以是非晶体。,结晶：一种原子排列状态过渡为另一种原子 规则排列状态（晶态）的转变过程。,一次结晶：LS晶态,二次结晶：SS晶态,一、纯金属结晶的条件,1 纯金属冷却曲线,液态金属在结晶时的温度时间曲线,过冷度理论结晶温度 和实际结晶温 度之差。,2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶,单元5,2,T = T0Tn,冷速越快，过冷度越大,过冷指液态金属实际 冷却到结晶温度 以下而暂不结晶 的现象。,2 纯金属结晶的条件,F,T,T,F,F固,F液,F=,F固,F液
2、0,结晶驱动力,自然界的自发过程进行的 热力学条件都是F0,只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力F大于 建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。,自由能,温度,2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶,单元5,3,3、纯金属的结晶过程,2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶,单元5,4,.形核自发形核 非自发形核,.长大平面长大,树枝状长大,结晶过程,2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶,单元5,5,2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶,单元5,6,二、同素异构转变,-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc),13
3、94,912,1394,1538,912,-Fe,-Fe(fcc）,a-Fe,T,时间,770,居里点,以纯铁为例,-Fe(fcc) a-Fe(bcc),铁的体积会膨胀1,2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶,单元5,7,纯铁同素异构转变,2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶,单元5,8,三、晶粒尺寸的控制,（1）晶粒度,单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示,（2）过冷度对形核一长大的影响,过冷度T提高，N提高、G提高 过冷T太高，N降低、G降低,（3）控制晶粒度的因素,提高过冷度,变质处理,在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非 自发晶核的核心，以细
4、化晶粒和改善组织。,振动，搅拌等,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,1,一、合金相图类型,相图是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，也称为平衡图或状态图。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各项的成分和相对质量不在变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。,（一）二元合金的结晶,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,2,根据结晶过程中出现的不同类型的结晶反应，可把二元合金的结晶过程分为下列几种类型。,1. 发生匀晶反应的合金的结晶 2. 发生共晶反应的合金的结晶 如Pb-Sn合金相图 3. 发生包
5、晶反应的合金的结晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相图,4发生共析反应的合金的结晶,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,3,发生匀晶反应的合金的结晶 Cu-Ni相图为典型的匀晶相图，合金发生匀晶反应 ：L,从液相中逐渐结晶出固溶体。,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,4,2. 发生共晶反应的合金的结晶 如Pb-Sn合金相图 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。,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,5,3. 发生包晶反应的合金的结晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-S
6、b合晶具有包晶相图,包晶反应：c+ Ld 一种固相和液相结晶出另外一种固相，发生包晶反应时三相共存，他们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,6,4发生共析反应的合金的结晶 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,7,（二）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,固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质的溶入量越多，晶格越大，合金的强度、硬度越高，电阻越大。合金的某些性能可按组成相性能依质量分数的关系叠加的办法求出。 例如硬度：HB
7、=HB()+HB() 对组织较敏感的某些性能如强度等，与组成相或组织成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高。但形成化合物时，则在性能-成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,8,2.合金的工艺性能与相图的关系,合金的铸造性能与相图的关系： 纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍为结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸
8、造合金常选共晶或接近共晶的成分。,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元6,9,合金的锻造性能与相图的关系： 合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时更是如此，因为他们都很脆。,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元7,1,二、 铁碳合金组织,（一）、Fe-Fe3C相图的组元,1Fe组元,性能特点强度低、硬度低、韧性、塑性好,2Fe3C （ Cem， Cm）,性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,抗拉强度b=180230MPa,延伸率=30 50
9、,断面收缩率=70 80,ak=1.6 102 10 J/,6,6,硬度 50HB80HB,抗拉强度b=30MPa,硬度 800HB,=0,=0,ak=0,（二）、Fe-Fe3C相图中的相和组织,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元7,2,1液相L,2相 高温铁素体 （C固溶到 Fe中的间隙式固溶体）,3相 铁素体F （C固溶到 -Fe中的间隙式固溶体）,强度、硬度低、塑性好 （室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）,4相、A奥氏体 （C固溶到-Fe中的间隙式固溶体） 强度低，易塑性变形,5Fe3C,性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,2.金
10、属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元7,3,6珠光体 P （铁素体和渗碳体的共析混合物）,抗拉强度b=770MPa,延伸率= 20 35,断面收缩率=40 60,ak=3 104 10 J/,5,5,硬度 180HB,A0.77 F0.0218+Fe3C 或A0.77 P0.77,727,727,7莱氏体,高温莱氏体 Le（奥氏体和渗碳体的共晶混合物）,L4.3,1148,Le4.3,低温莱氏体 Le,硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元7,4,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元7,5,（三）、分析Fe-Fe3C相
11、图,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元7,9,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元7,10,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,1,（三）、分析Fe-Fe3C相图,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,2,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,3,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,4,基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类 1工业纯铁，C%=0.0218% 2钢 0.0218%C%= 2.11% 亚共析钢 0.0218%C%0.77% 共析钢 0.77% 过共析钢 0.
12、77%C%= 2.11% 3白口铸铁2.11%C%6.69% 亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3% 共晶白口铸铁 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3 %C%6.69%,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,5,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,6,（四）、Fe-C合金的成分-组织-性能关系,1.含碳量相相对量 C%F%，Fe3C%,含碳量组织 FF+PPdP+Fe3CII P+Fe3CII+LeLe -Le+Fe3CIIFe3C,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,7,F F+P P P+Fe3CII P+Fe3CII+Le L
13、e Le+Fe3CII Fe3C,2.含碳量组织,HB：取决于相及相对量,3.含碳量性能,C%HB,强度：C%,0.9%,塑性、韧性：C%塑性、韧性,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,8,铁碳合金相图的建立,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,9,铁碳合金加热冷却转变,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,10,（六）、Fe-Fe3C相图的应用,1、在钢铁选材方面的应用,2、在铸造工艺方面的应用,3、在热锻、热轧工艺方面的应用,4、在热处理工艺方面的应用,2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶,单元8,11,铁碳合金相
14、图练习题,一、 名词解释,相图 铁素体 奥氏体 珠光体 渗碳体,二、间答题,1、合金结晶有哪些类型？各自的结晶特征？,2、按铁碳相图，铁碳合金如何分类？其中三种钢室温组织 是什么？,3、含碳量为0.4、0.77、1.2、三种钢在700 770、 900时分别各为何组织？,4、计算一下50钢和T10钢在室温下 HBS、 、 数值？,b,5、随钢中含碳量增加，其机械性能如何变化？其原因？,2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工,单元9,1,一、金属材料的塑性变形,1、单晶体的塑性变形,单晶体塑性变形的基本方式滑移和孪生,（1）滑移,在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定 晶
15、面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动,滑移的特点：, 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。, 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿 滑移面作整体的滑动。,2.3 金属的塑性加工,2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工,单元9,2,2.金属材料组织和性能的控制 2.3 金属的塑性加工,单元9,3, 滑移造成的晶体总变性量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。, 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。,滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目，材料塑性； 滑移方向，材料塑性。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个， FCC的滑移方向多于BCC， 金属塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。, 滑移时晶体伴随有转动。,金属材料塑性变形的实质：,金属塑性变形实质上是以滑移和
