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1、2.22.2 合金的结晶合金的结晶 合金结晶过程复杂合金结晶过程复杂, , 用合金相图来分析。用合金相图来分析。相图相图 表明合金系中各种合金相的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平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为简明示图，也称为平衡图平衡图或或状态图状态图。 平衡平衡 在一定条件下合金系中参与相在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和质量分数不再变化。变的各相的成分和质量分数不再变化。 合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，可以认为是平衡的结晶过程。过程，可以认为是平衡的结晶过程。 在常压下，二元合金的相状态决定于温度在常压下
2、，二元合金的相状态决定于温度和成分。二元合金相图用温度和成分。二元合金相图用温度成分坐标系的成分坐标系的平面图来表示。平面图来表示。铜镍二元合金相图铜镍二元合金相图 图中的每一点表图中的每一点表示一定成分的合金在示一定成分的合金在一定温度时的稳定相一定温度时的稳定相状态。状态。 2.2.1 2.2.1 二元合金的结晶二元合金的结晶 一、发生匀晶反应的合金的结晶 1. 1. 结晶过程结晶过程 匀晶反应：匀晶反应：L L固溶体固溶体 Cu-NiCu-Ni、Fe-CrFe-Cr、Au-AgAu-Ag合金具有匀晶相图。合金具有匀晶相图。Cu-Ni相图相图 aaaa1 1c c 线为线为液相线液相线,
3、, 该线以上合金处于液相该线以上合金处于液相; ; acac1 1c c线为线为固相线固相线, , 该线以下合金处于固相。该线以下合金处于固相。 单相区单相区 L L相：相：液相液相, , CuCu和和NiNi形成的液溶体形成的液溶体; 相：相：CuCu和和NiNi组成的组成的无限固溶体。无限固溶体。 双相区双相区: :L L+ + 相相区。区。匀晶结晶过程匀晶结晶过程 2. 2. 匀晶结晶特点匀晶结晶特点 (1) (1) 形核与长大形核与长大 与纯金属一样与纯金属一样, , 固溶体结晶固溶体结晶也包括也包括形核、形核、长大两个长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。过程。固溶体更趋向树枝状长大
4、。 (2) (2) 变温结晶变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进行固溶体结晶在一个温度区间内进行, , 变温结晶变温结晶。 (3) (3) 两相的成分确定两相的成分确定 在两相区内在两相区内, , 温度一定时温度一定时, , 两相的成分两相的成分( (即即L L相中相中NiNi的质量分数和的质量分数和相中相中NiNi的质量分数的质量分数) )确定。确定。 过温度过温度T T1 1作水平线作水平线, , 交液相线和固相线于交液相线和固相线于a a1 1、c c1 1。 a a1 1、c c1 1点在成分轴上点在成分轴上的投影点即为的投影点即为L L相和相和相相中中NiNi的的质量分数。质量分数
5、。 随着温度的下降随着温度的下降, , 液相成分沿液相线变液相成分沿液相线变化化, , 固相成分沿固相固相成分沿固相线变化。线变化。匀晶结晶匀晶结晶 (4) (4) 两相的质量比一定两相的质量比一定 在两相区，温度一定在两相区，温度一定时时, , 两相的质量符合两相的质量符合杠杆定律。杠杆定律。 在在T T1 1温度时温度时： Q QL L: L : L 相的质量相的质量; ; Q Q:相的质量相的质量; ; a a1 1b b1 1、b b1 1c c1 1 为线段长度。为线段长度。 液相的质量分数液相的质量分数: : 相的质量分数相的质量分数: :老师提示老师提示 杠杆的两个端点为给定温度
6、时两相的成杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点分点, ,支点为合金的成分点。支点为合金的成分点。 杠杆定律只适用于相图中的两相区；杠杆定律只适用于相图中的两相区； 杠杆定律只能在平衡状态下使用。杠杆定律只能在平衡状态下使用。 (5) (5) 容易产生枝晶偏析容易产生枝晶偏析 固溶体结晶时成分变化。固溶体结晶时成分变化。 慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。 枝晶偏析：枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。在一个晶粒内化学成分分布不均匀。Cu-Ni合金合金枝晶偏析示
7、意图枝晶偏析示意图 对材料的机械性能、抗腐对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。蚀性能、工艺性能都不利。 扩散退火：扩散退火：把合金加热到把合金加热到低于固相线低于固相线100 100 左右左右, , 长时长时间保温间保温, , 原子充分扩散原子充分扩散, , 获得获得成分均匀的固溶体。成分均匀的固溶体。 二、发生共晶反应的合金的结晶 PbPb- -SnSn、Al-SiAl-Si、Ag-CuAg-Cu合金具有共晶相图。合金具有共晶相图。 PbPb- -SnSn合金相图中有三个单相区合金相图中有三个单相区: : L L：PbPb与与SnSn形成的液溶体形成的液溶体 ：SnSn溶于溶于Pb
8、Pb中的有限固溶体中的有限固溶体 ：PbPb溶于溶于SnSn中的有限固溶体中的有限固溶体 三个双相区：三个双相区：L+L+、L L+、+ 一条一条L+L+三相共三相共存线存线( (水平线水平线cdecde ) )。 这种相图称这种相图称共晶相图共晶相图。Pb-Sn合金相图合金相图 d d点为点为共晶点共晶点, , 表示表示d d点成分点成分( (共晶成分共晶成分) )的液相的液相合金冷却到合金冷却到d d点温度点温度( (共晶温度共晶温度) )时时, , 共同结晶出共同结晶出c c点点成分的成分的相和相和e e 点成分的点成分的相。相。 L Ld d(c c+e e) ) 共晶反应：共晶反应：
9、一种液相在恒温下同时结晶出两种一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相固相的反应，生成的两相混合物叫混合物叫共晶体共晶体。 发生共晶反应时三发生共晶反应时三相共存相共存, , 三相各自成分三相各自成分确定确定, , 恒温进行。恒温进行。 Pb-Sn合金相图合金相图 水平线水平线cdecde为共晶反应线为共晶反应线, , 成分在成分在cece之间的合之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。金平衡结晶时都会发生共晶反应。 cfcf线线为为SnSn在在PbPb中的溶解度线中的溶解度线( (相的固溶线相的固溶线) )。SnSn含量大于含量大于f f点的合金从高温冷却到室温时点的合金从高温冷却
10、到室温时, , 从从相中析出相中析出相，叫二次相，叫二次：IIII。 egeg线线为为PbPb在在SnSn中中溶解度线。溶解度线。SnSn含量小含量小g g点的合金点的合金, , 冷却过程冷却过程中同样发生二次结晶中同样发生二次结晶, , 析出二次析出二次。 1. 1. 合金合金I I的平衡结晶过程的平衡结晶过程 合金室温组织为合金室温组织为+IIII 。 其组成相是：其组成相是：f f点成分的点成分的相相 g g点成分的点成分的相相。 运用杠杆定律运用杠杆定律, , 两相的质量分数为：两相的质量分数为： 组织组成物可以是单相组织组成物可以是单相, , 或是两相混合物。或是两相混合物。组织组成
11、物组织组成物 合金组织中那些具合金组织中那些具有确定本质有确定本质, , 一定形成机制的特一定形成机制的特殊形态的组成部分殊形态的组成部分。 合金合金I I的的室温组织为室温组织为+IIII 组织由组织由和和II II 二部分组成二部分组成, , 和和IIII为组织组成物。为组织组成物。 组织组成物组织组成物和和IIII 都都为单相组成为单相组成, , 所所以组织组成物以组织组成物、IIII的质量分数与组成相的质量分数与组成相、的质量分数相等。的质量分数相等。 2. 2. 合金合金II(II(共晶合金共晶合金) )的结晶过程的结晶过程 合金的室温组织：合金的室温组织：共晶体共晶体( (+)+)
12、 组织组成物：组织组成物：( (+)+) 组成相：组成相：和和相相共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态 3. 3. 合金合金(亚共晶合金亚共晶合金) )的结晶过程的结晶过程 合金室温组织：合金室温组织：初生初生+二次二次+(+)+(+) 组织组成物：组织组成物：、二次二次、(+)(+) 组成相：组成相：、 组成相组成相的质量分数为：的质量分数为： 过共晶合金过共晶合金( (合金合金)： 位于共晶点右边位于共晶点右边, , 成分在成分在 dede之间的合金。之间的合金。 练习：练习：分析过共晶合金的结晶过程。分析过共晶合金的结晶过程。过共晶合金过共晶合金室温组织为室温组织为: : 初生初生+二次
13、二次+(+)+(+)亚共晶合金组织亚共晶合金组织过共晶合金组织过共晶合金组织 亚共晶合金和过共晶合金组织亚共晶合金和过共晶合金组织初生初生+二次二次+(+)+(+)初生初生+二次二次+(+)+(+) 三、发生包晶反应的合金的结晶 Pt-AgPt-Ag、Ag-Ag-SnSn、SnSn- -SbSb合金具有包晶相图。合金具有包晶相图。Pt-Ag合金相图合金相图 Pt-AgPt-Ag合金相图中合金相图中存在三种相存在三种相: : L L相相: :PtPt与与AgAg形成形成的的液溶体液溶体 相相: :AgAg溶于溶于PtPt中的中的有限固溶体有限固溶体 相相: :PtPt溶于溶于AgAg中中的的有限
14、固溶体有限固溶体 e e点点为包晶点。为包晶点。 e e点成分的合金冷却到点成分的合金冷却到 e e点温度点温度( (包晶温度包晶温度) )时发生时发生包晶反应：包晶反应： L+L+ 。 反应时三相共存反应时三相共存, , 它它们的成分确定们的成分确定, , 恒温进行。恒温进行。 水平线水平线cedced 为包晶反为包晶反应线。应线。 cfcf为为AgAg在在中的溶解中的溶解度线度线, , egeg为为PtPt在在中的溶解中的溶解度线。度线。 2 222点点 c c点成分的点成分的相与相与d d点成分的点成分的L L相发生包晶反应：相发生包晶反应：L+L+ 反应结束反应结束, , L L相与相
15、与相正好全部反应耗尽相正好全部反应耗尽, , 形成形成e e点成分的点成分的固溶体。固溶体。 223 3点点 中析出二次中析出二次 。合金合金I I的结晶过程的结晶过程室温组织室温组织+二次二次组成相组成相 、 四、发生共析反应的合金的结晶 共析相图形状与共晶相图相似。共析相图形状与共晶相图相似。共析相图共析相图 d d 点成分点成分( (共析成分共析成分) )合金合金从液相经过匀晶反应生成从液相经过匀晶反应生成相相, , 冷却到冷却到d d 点温度点温度( (共析温度共析温度) )时时, , 恒温发生恒温发生共析反应共析反应: :(+)(+) 一种固相转变成完全不同一种固相转变成完全不同的两
16、种固相的两种固相. . 共析反应产物两相混合物共析反应产物两相混合物称为称为共析体。共析体。 共析相图中各种成分合共析相图中各种成分合金的结晶过程与共晶相图类金的结晶过程与共晶相图类似。似。 共析反应在固态下进行共析反应在固态下进行, , 共析产物比共晶产物要细密。共析产物比共晶产物要细密。 五、含有稳定化合物的合金的结晶 稳定化合物稳定化合物: :具有一定的化学成分、固定的具有一定的化学成分、固定的熔点熔点, , 熔化前不分解熔化前不分解, , 也不发生其它化学反应。也不发生其它化学反应。 如如: :Mg-SiMg-Si合金能形成稳定化合物合金能形成稳定化合物MgMg2 2SiSi。 Mg-
17、Si Mg-Si合金相图属于含有稳定化合物的相图合金相图属于含有稳定化合物的相图 把稳定化合物看成把稳定化合物看成独立的组元独立的组元, , 相图分成相图分成几个简单相图。几个简单相图。 Mg-SiMg-Si相图可分为相图可分为Mg-MgMg-Mg2 2SiSi和和MgMg2 2Si-SiSi-Si两两个相图分析。个相图分析。含有稳定化合物的相图含有稳定化合物的相图2.2.2 2.2.2 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系 合金的性能取决于它的成分和组织。合金的性能取决于它的成分和组织。 相图则可反映不同成分的合金在室温相图则可反映不同成分的合金在室温时的平衡组织。时的平衡组织。 因
18、此因此, , 具有平衡组织的合金的性能与具有平衡组织的合金的性能与相图之间存在着一定的对应关系。相图之间存在着一定的对应关系。 固溶体性能固溶体性能 溶质的溶入量越多，晶溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。硬度越高，电阻越大。 当溶质原子含量大约为当溶质原子含量大约为50%50%时，晶格畸变最大，性时，晶格畸变最大，性能达到极大值。能达到极大值。 性能与成分的关系曲线性能与成分的关系曲线具有透镜状。具有透镜状。合金的使用性能与相图合金的使用性能与相图的关系示意图的关系示意图 一、合金的使用性能与相图的关系 两相组织合金的性能两相组织合金的
19、性能 性能与成分呈直线关系性能与成分呈直线关系变化。变化。 组成相或组织组成物越组成相或组织组成物越细密，强度越高细密，强度越高( (图中虚线图中虚线) )。 形成化合物时，性能形成化合物时，性能- -成成分曲线在化合物成分处出现分曲线在化合物成分处出现极大值或极小值。极大值或极小值。 二、合金的工艺性能与相图的关系 合金的铸造性能合金的铸造性能 纯金属和共晶成分的合金的流动性最好，纯金属和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。缩孔集中，铸造性能好。 液、固相线温度间隔大液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性时，形成枝晶偏析的倾向性大大, ,阻碍未结晶液体的流动，阻碍未结晶液
20、体的流动，增多分散缩孔。增多分散缩孔。 铸造合金常选共晶或接铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。近共晶的成分。合金的铸造性能合金的铸造性能与相图的关系示意图与相图的关系示意图 合金的锻造性合金的锻造性 单相合单相合金的锻造性能好金的锻造性能好。变形抗力小，。变形抗力小，变形均匀，不易开裂，变形能力大。变形均匀，不易开裂，变形能力大。 双相组织的合金变形能力差些。双相组织的合金变形能力差些。 组织中存在有较多的化合物相（很脆）组织中存在有较多的化合物相（很脆）时，合金变形能力差。时，合金变形能力差。2.2.3 2.2.3 铁碳合金的结晶铁碳合金的结晶 一、铁碳相图 老师提示：老师提示：重点内容重点
21、内容 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。也具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物，如铁和碳可以形成一系列化合物，如FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC等。等。 有实用意义的是有实用意义的是Fe-FeFe-Fe3 3C C部分，称为部分，称为 Fe-Fe-FeFe3 3C C相图相图。 此时相图的组元为此时相图的组元为FeFe和和FeFe3 3C C。Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图 A A：15381538、0 %0
22、%C C：11481148、4.30 %4.30 %E E：11481148、2.11 %2.11 %F F：11481148、6.69 % 6.69 % G G：912 912 、0 %0 %J J：14951495、0.17 %0.17 %N N：13941394、0 %0 %P P：727 727 、0.02 %0.02 %S S：727 727 、0.77 %0.77 %Q Q：600 600 、0.0057 %0.0057 %重要点温度、碳质量分数重要点温度、碳质量分数 1. 1. 铁碳合金的组元铁碳合金的组元 (1) (1) FeFe 铁是过渡族元素铁是过渡族元素, , 熔点为熔点
23、为15381538。 密度是密度是7.877.87g/cmg/cm3 3。 纯铁从液态结晶为固态后纯铁从液态结晶为固态后, , 继续冷却到继续冷却到13941394及及912912时时, , 先后发生两次同素异构转变。先后发生两次同素异构转变。 纯铁的机械性能：纯铁的机械性能：强度低、硬度低、塑性好。强度低、硬度低、塑性好。 抗拉强度抗拉强度 b b 180180 MPa MPa230230 MPa MPa 屈服强度屈服强度 0.2 0.2 100100 MPa MPa170170 MPa MPa 延伸率延伸率 30%30%50% 50% 断面收缩率断面收缩率 70%70%80% 80% 冲击
24、韧度冲击韧度 a ak k 1.6101.6106 6 J/mJ/m2 22102106 6 J/m J/m2 2 硬度硬度 50 50 HBHB80 HB 80 HB (2) (2) FeFe3 3C C Fe Fe3 3C C是是FeFe与与C C的一种具有复杂结构的间隙化合物的一种具有复杂结构的间隙化合物, , 通常称为渗碳体通常称为渗碳体, , 用用CmCm表示。表示。 渗碳体的机械性能特点渗碳体的机械性能特点是硬而脆。是硬而脆。 800 HB 800 HB 0 00 00 030 30 MPaMPa硬度硬度冲击冲击韧度韧度a ak k 断面断面收缩率收缩率 延伸率延伸率抗拉强度抗拉强
25、度极限极限 b b 2. 2. 铁碳合金中的相铁碳合金中的相 (1) (1) 液相液相LL 液相液相L L是铁与碳的是铁与碳的液溶体液溶体。(2) (2) 相相 相又称相又称高温铁素体高温铁素体, , 是碳在是碳在- -FeFe中的间隙固溶中的间隙固溶体体, ,呈体心立方晶格呈体心立方晶格, , 在在13941394以上存在。以上存在。F F或或表示表示, , 是碳在是碳在- -FeFe中的间隙固溶体中的间隙固溶体, , 体心立方体心立方晶格，碳的固溶度极小晶格，碳的固溶度极小, , 室温时约为室温时约为0.0008%0.0008%。在。在727 727 时溶碳量最大（时溶碳量最大（0.021
26、8%0.0218%）。）。 铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。机械性铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。机械性能与纯铁大致相同。能与纯铁大致相同。(3) (3) 相相 相也称相也称铁素体铁素体, , 用用 相常称相常称奥氏体奥氏体, , 用符号用符号A A或或表示表示, , 是碳在是碳在-Fe -Fe 中的间隙固溶体中的间隙固溶体, , 面心立方晶格，碳的固溶度面心立方晶格，碳的固溶度较大较大, , 在在1148 1148 时溶碳量最大达时溶碳量最大达2.11%2.11%。 奥氏体的强度较低奥氏体的强度较低, , 硬度不高硬度不高, , 易于塑性变形。易于塑性变形。 (4) (4) 相相 (
27、5) (5) FeFe3 3C C相相 FeFe3 3C C相是相是FeFe与与C C的一种具有复杂结构的间隙化合的一种具有复杂结构的间隙化合物物, , 性能特点性能特点是硬而脆。是硬而脆。 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态粒状等形态, , 对铁碳合金的机械性能有很大影响。对铁碳合金的机械性能有很大影响。 3. 3. 相图中重要的点和线相图中重要的点和线 (1) (1) 重要的点重要的点 J J点（包晶点）点（包晶点） C C点（共晶点）点（共晶点） 共晶反应在恒温下进行共晶反应在恒温下进行, , 反应过程中反应过程中L L、A A
28、、FeFe3 3C C三相共存，三相成分一定。三相共存，三相成分一定。 共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的混和物混和物, , 称称莱氏体莱氏体（LeLe）。）。 其其中的渗碳体称共晶渗碳体。中的渗碳体称共晶渗碳体。 显显微镜下莱氏体形态：微镜下莱氏体形态： 块状或粒状块状或粒状A(727A(727时转变成珠光时转变成珠光体体) )分布在渗碳体基体上。分布在渗碳体基体上。 S S点（共析点）点（共析点） 共析反应在恒温下进行共析反应在恒温下进行, , 反应过程中反应过程中, , A A、F F、FeFe3 3C C三相共存三相共存，三相成分一定。，三相成分一定。 共析反
29、应的产物是铁素体与渗碳体的共析混共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物合物, , 称称珠光体珠光体, , 以符号以符号P P表示。表示。 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 珠光体形态：珠光体形态：显微镜下珠光体的形态呈层显微镜下珠光体的形态呈层片状。相间分布渗碳体片与铁素体片。片状。相间分布渗碳体片与铁素体片。 珠光体性能：珠光体性能：强度较高强度较高, , 塑性、韧性和硬塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。度介于渗碳体和铁素体之间。珠光体机械性能珠光体机械性能抗拉强度极限抗拉强度极限/ /b b 冲击韧性冲击韧性a ak k 延伸率延伸率硬度硬度770 7
30、70 MPa MPa 3103105 5 J/m J/m2 2 4104105 5 J/mJ/m2 2 20%20%35%35%180 HB 180 HB E E点点 11481148，2.11%2.11%C C 碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 P P点点 727727，0.0218%0.0218%C C 碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 B B点点 1495,0.53 %1495,0.53 %C C包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分 水平线水平线HJBHJB : :包晶反应包晶反应线线 发生包晶反应。发生包晶反应。 水平线水平线ECFECF :
31、 :共晶反应线共晶反应线 发生共晶反应。发生共晶反应。 水平线水平线PSK PSK : :共析反应共析反应线线 发生共析反应。亦称发生共析反应。亦称A A1 1线。线。(2) (2) Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中重要的线相图中重要的线 GSGS线线 A A中开始析出中开始析出F F临界温度线临界温度线, , 称称A A3 3线。线。 ESES线线 碳在碳在A A中的固溶线，叫中的固溶线，叫A Acmcm线。从线。从A A中析中析出出FeFe3 3C C，叫二次渗碳体叫二次渗碳体( (FeFe3 3C CIIII) )。亦是亦是A A中开始析出中开始析出FeFe3 3C CIIII的临
32、界温度线。的临界温度线。 PQPQ线线 是碳在是碳在F F中固溶线。是中固溶线。是F F中开始析出中开始析出FeFe3 3C CIIIIII的临界温度线。的临界温度线。 FeFe3 3C CIIIIII数量极少数量极少, , 往往予以忽略。往往予以忽略。 二、典型铁碳合金的平衡结晶过程 根据根据Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图, , 铁碳合金可分为铁碳合金可分为3 3类类7 7种：种： (1)(1)工业纯铁工业纯铁 w w(C)0.0218% (C)0.0218% (2)(2)钢钢 0.0218% 0.0218% w w(C)2.11%(C)2.11% 亚共析钢亚共析钢 0.0218%
33、 0.0218%w w(C)0.77%(C)0.77% 共析钢共析钢 w w(C) = 0.77%(C) = 0.77% 过共析钢过共析钢 0.77% 0.77%w w(C)2.11% (C)2.11% (3)(3)白口铸铁白口铸铁 2.11% 2.11%w w(C)6.69% (C)6.69% 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11% 2.11% w w(C)4.3%(C)4.3% 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 w w(C) = 4.3%(C) = 4.3% 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4.3% 4.3% w w(C)6.69% (C)6.69% 几种碳钢的钢号和碳质量分数几种碳钢的钢号和碳质
34、量分数 类型类型亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢钢号钢号204560T8T10T12碳质量分数碳质量分数/%0.200.450.600.801.001.20典型铁碳合金在典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置相图中的位置 1. 1. 工业纯铁平衡结晶过程工业纯铁平衡结晶过程 碳质量分数碳质量分数0.01%0.01%1 1点以上点以上 液相液相L L1 12 2点点 L+ L+ 2 23 3点点 3 34 4点点 +A+A4 45 5点点 A A5 56 6点点 A+FA+F6 67 7点点 F F7 78 8点点 F F晶界晶界析出析出FeFe3 3C CIIIIII 室温平衡组
35、织为室温平衡组织为 F+ FeF+ Fe3 3C CIIIIII纯铁的室温平衡组织纯铁的室温平衡组织 F F呈白色块状呈白色块状; ; FeFe3 3C CIIIIII量极少量极少, , 呈小白片呈小白片状分布于状分布于F F晶界处。晶界处。 若忽略若忽略FeFe3 3C CIIIIII, , 则组织全为则组织全为F F。室温平衡组织室温平衡组织: : F+ FeF+ Fe3 3C CIIIIII2.2.共析钢平衡结晶过程共析钢平衡结晶过程 老师提示：老师提示：重点重点内容内容碳质量分数为碳质量分数为0.77% 0.77% 12点点L+A23点点A33点点AP34点点P共析钢的室温共析钢的室温
36、平衡组织为平衡组织为: P P 共析钢的室温组织共析钢的室温组织 共析钢的共析钢的室温组织组成物室温组织组成物全部是全部是P P。 组成相组成相为为F F和和FeFe3 3C C, , 它们的质量分数为：它们的质量分数为： P P( (层片状层片状) ) 3. 3.亚共析钢平衡结晶过程亚共析钢平衡结晶过程 以碳质量分数为以碳质量分数为0.4%0.4%的铁碳合金为例的铁碳合金为例1 12 2点点 L+L+。2 222点点 L+L+A A 反应结束还有反应结束还有L L223 3点点 L+AL+A3 34 4点点 A A4 45 5点点 A+FA+F5 555点点 A AP P F F不变化不变化
37、 556 6点点 P+FP+F4040钢的室温平衡组织钢的室温平衡组织 F F呈白色块状呈白色块状; ; P P呈层片状呈层片状, , 放大倍数不高时放大倍数不高时呈黑色块状。呈黑色块状。 碳质量分数大于碳质量分数大于0.6%0.6%的亚共析钢的亚共析钢, , 室温平衡室温平衡组织中的组织中的F F呈白色网状呈白色网状, , 包围在包围在P P周围。周围。 含含0.4%0.4%C C的亚共析钢的亚共析钢组织组成物组织组成物为为F F和和P P。 室温平衡组织室温平衡组织: : F+PF+P含含0.4%0.4%C C的亚共析钢的亚共析钢组织组成物组织组成物为为F F和和P P。钢的钢的组成相组成
38、相为为F F和和FeFe3 3C C：亚共析钢的碳质量分数估算亚共析钢的碳质量分数估算 如果忽略如果忽略F F中的碳含量，则中的碳含量，则P P的质量分数为：的质量分数为： w w(P)=(P)=w w(C)/0.77%(C)/0.77% 亚共析钢的碳质量分数估算：亚共析钢的碳质量分数估算： w w(C)=(C)=w w(P)0.77% (P)0.77% 式中式中, , w w(C)(C)表示钢的碳质量分数表示钢的碳质量分数, , w w(P)(P)表示钢中表示钢中P P的质量分数。的质量分数。 由于由于P P和和F F的密度相近的密度相近, , 钢中钢中P P和和F F的质的质量分数可用显微
39、镜下观察到的量分数可用显微镜下观察到的P P和和F F的面积的面积百分数来估算。百分数来估算。 4. 4.过共析钢平衡结晶过程过共析钢平衡结晶过程 碳质量分数为碳质量分数为1.2%1.2%1 12 2点点 L+AL+A2 23 3点点 A A3 34 4点点 AFeAFe3 3C CIIII, , Fe Fe3 3C CIIII呈网状分布呈网状分布 在在A A晶界上。晶界上。4 444点点 APAP ， Fe Fe3 3C CIIII不变化。不变化。445 5点点 P+FeP+Fe3 3C CIIIIT12T12钢的室温平衡组织钢的室温平衡组织 FeFe3 3C CIIII呈网状分布在层片状呈
40、网状分布在层片状P P周围。周围。 含含1.2%1.2%C C的过共析钢的的过共析钢的组成相组成相为为F F和和FeFe3 3C C 组织组成物组织组成物为为FeFe3 3C CIIII和和P P： P+Fe P+Fe3 3C CIIII 此时的莱氏体由此时的莱氏体由A+ FeA+ Fe3 3C CIIII+ Fe+ Fe3 3C C组成。组成。2 22 2 点点A AP P，高温莱氏体高温莱氏体LeLe转变成低温莱氏体转变成低温莱氏体Le(P+ FeLe(P+ Fe3 3C CIIII+ Fe+ Fe3 3C)C)。223 3点点LeLe5.5.共晶白口铸铁共晶白口铸铁平衡结晶过程平衡结晶过
41、程1 111点点 L LLeLe即即L L(A+Fe(A+Fe3 3C)C)。112 2点点 LeLe中的中的A A析出析出FeFe3 3C CIIII。共晶白口铸铁的共晶白口铸铁的室温平衡组织室温平衡组织 LeLe由黑色条状或粒状由黑色条状或粒状P P和白色和白色FeFe3 3C C基体组基体组成。成。 共晶白口铸铁的共晶白口铸铁的组织组成物：组织组成物：全为全为LeLe, , 组成相：组成相：F F和和FeFe3 3C C。室温平衡组织室温平衡组织: : LeLe223 3点点 A A晶界析出晶界析出FeFe3 3C CIIII 组织为组织为 A+FeA+Fe3 3C CIIII+Le+L
42、e3 333点点 AP; AP; 高温莱氏体高温莱氏体LeLe转变为低温莱氏体转变为低温莱氏体LeLe。334 4点点 P+FeP+Fe3 3C CIIII+Le+Le 6. 6.亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁平衡结晶过程平衡结晶过程 w w（C C）3%3%1 12 2点点 L+AL+A。2 222点点 LLe, LLe, 共晶反应结束共晶反应结束 时时: :A+LeA+Le 网状网状FeFe3 3C CIIII分布在粗大块状分布在粗大块状P P的周围的周围, , LeLe由由条状或粒状条状或粒状P P和和FeFe3 3C C基体组成。基体组成。 亚共晶白口铸铁的亚共晶白口铸铁的组成相组成相为
43、为F F和和FeFe3 3C C; ; 组织组成物组织组成物: :P P、FeFe3 3C CIIII、LeLe。 亚共晶白口铸铁的室温平衡亚共晶白口铸铁的室温平衡组织组织室温平衡组织室温平衡组织: : P+FeP+Fe3 3C CIIII+Le+Le 7. 7.过共晶白口过共晶白口铸铁平衡结晶过程铸铁平衡结晶过程 共析温度时高温莱氏体共析温度时高温莱氏体LeLe转变为低温转变为低温莱氏体莱氏体LeLe。 得到得到 FeFe3 3C CI I+Le+Le 合金先从合金先从L L中中结晶出结晶出FeFe3 3C CI I。 然后然后L L发生共发生共晶反应转变为晶反应转变为LeLe。 FeFe3
44、 3C CI I呈长条状呈长条状 LeLe由黑色条状或粒状由黑色条状或粒状P P和白色和白色FeFe3 3C C基体组成。基体组成。 过共晶白口铸铁的室温平衡组织过共晶白口铸铁的室温平衡组织室温平衡组织：室温平衡组织： FeFe3 3C CI I+Le+Le 三、铁碳合金的成分组织性能关系 1.1.碳含量与组成相的碳含量与组成相的质质量分数之间的关系量分数之间的关系 铁碳合金（除纯铁）在铁碳合金（除纯铁）在室温下的组织都由室温下的组织都由F F和和FeFe3 3C C两两相组成相组成, , 两相的质量分数由两相的质量分数由杠杆定律确定。杠杆定律确定。 随碳含量的增加随碳含量的增加, , F F
45、的的量逐渐变少量逐渐变少, , FeFe3 3C C的量则逐的量则逐渐增多。渐增多。 2. 2.碳含量与组织组成物碳含量与组织组成物的质量分数之间的关系的质量分数之间的关系 室温下室温下, , 随碳含量增大随碳含量增大, , 组织按下列顺序变化：组织按下列顺序变化： F F、F+PF+P、P P、P+FeP+Fe3 3C CIIII、 P+Fe P+Fe3 3C CIIII+Le+Le、LeLe、 Le+Fe Le+Fe3 3C CI I、FeFe3 3C C 组织组成物的质量分数组织组成物的质量分数用杠杆定律求出。用杠杆定律求出。 3. 3.铁碳合金的性能与碳含铁碳合金的性能与碳含量之间关系
46、量之间关系 （1 1）硬度）硬度 碳含量增加碳含量增加, , FeFe3 3C C增多增多, , F F减少减少, ,合金的硬度呈直线关系增合金的硬度呈直线关系增大大, , 由全部为由全部为F F的硬度约的硬度约80 80 HBHB增大到全部为增大到全部为FeFe3 3C C时的约时的约800 800 HBHB。 （2 2）强度强度 碳含量增加碳含量增加, , 亚共析钢强亚共析钢强度增加。超过共析成分后度增加。超过共析成分后, , FeFe3 3C CIIII沿晶界出现沿晶界出现, , 强度增高变强度增高变慢。到约慢。到约0.9%0.9%C C时时, , FeFe3 3C CIIII沿晶沿晶界
47、形成完整的网界形成完整的网, , 强度降低。强度降低。碳质量分数到碳质量分数到2.11%2.11%后出现后出现LeLe, , 强度降到很低。强度降到很低。 （3 3）塑性）塑性 铁碳合金中铁碳合金中FeFe3 3C C是极脆的是极脆的相。随碳含量的增大相。随碳含量的增大, , 合金的合金的塑性连续下降。到合金成为白塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时口铸铁时, , 塑性近于零值。塑性近于零值。亚共析钢的性能估算亚共析钢的性能估算 硬度硬度8080w w（F F）+180+180w w（P P） (HB) (HB) 或硬度或硬度8080w w（F F）+800+800w w（FeFe3 3C C）
48、 (HB) (HB) 强度强度( (b b)230)230w w（F F）+770+770w w（P P）( (MPaMPa) ) 延伸率延伸率( ( )50)50w w（F F）+20+20w w（P P）(%) (%) 式中的数字相应为式中的数字相应为F F、P P或或FeFe3 3C C的大概硬度、强的大概硬度、强度和延伸率度和延伸率; ; w w（F F）、）、w w（P P）、）、w w（FeFe3 3C C）为组织中为组织中F F、P P或或FeFe3 3C C的质量分数。的质量分数。 四、Fe- Fe3C相图的应用 在生产中具有巨大的实际意义在生产中具有巨大的实际意义, , 主要
49、应用主要应用: : 钢铁材料的选用钢铁材料的选用 加工工艺的制订加工工艺的制订 1. 1.在钢铁材料选用方面的应用在钢铁材料选用方面的应用 Fe- FeFe- Fe3 3C C相图所表明的成分相图所表明的成分- -组织组织- -性能的性能的规律规律, ,为钢铁材料的选用提供了根据。为钢铁材料的选用提供了根据。 纯铁纯铁 强度低强度低, , 不宜用做结构材料不宜用做结构材料, , 但由于其但由于其导磁率高导磁率高, , 矫顽力低矫顽力低, , 可作软磁材料使用可作软磁材料使用, , 例如做电磁铁的铁芯等。例如做电磁铁的铁芯等。 钢钢 建筑结构建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的和各种型钢需用塑性
50、、韧性好的材料材料, , 选用碳含量较低的钢材。选用碳含量较低的钢材。 机械零件机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的需要强度、塑性及韧性都较好的材料材料, , 应选用碳含量适中的中碳钢。应选用碳含量适中的中碳钢。 工具工具要用硬度高和耐磨性好的材料要用硬度高和耐磨性好的材料, , 则选则选碳含量高的钢种。碳含量高的钢种。 白口铸铁白口铸铁 硬度高、脆性大，不能切削加工，不能硬度高、脆性大，不能切削加工，不能锻造，但耐磨性好，铸造性能优良，适用于锻造，但耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。 如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球如
51、拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。磨机的磨球等。 2. 2.在铸造工艺方面的应用在铸造工艺方面的应用 根据根据Fe- FeFe- Fe3 3C C相图确定合金浇注温度。浇相图确定合金浇注温度。浇注温度一般在液相线以上注温度一般在液相线以上50 50 100 100 。 纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好, , 凝凝固温度区间最小固温度区间最小, , 流动性好流动性好, , 分散缩孔少分散缩孔少, , 可可以获得致密的铸件。以获得致密的铸件。 铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。 铸钢的碳质量分数在铸钢的碳质量分数在0.1
52、5-0.6%0.15-0.6%之间之间, , 钢钢的结晶温度区间较小的结晶温度区间较小, , 铸造性能较好。铸造性能较好。 3. 3.在热锻、热轧工艺方面的应用在热锻、热轧工艺方面的应用 钢处于奥氏体状态时强度较低钢处于奥氏体状态时强度较低, , 塑塑性较好性较好, , 因此锻造或轧制选在单相奥氏因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。体区进行。 一般始锻、始轧温度控制在固相线一般始锻、始轧温度控制在固相线以下以下100 100 200 200 范围内。范围内。 一般始锻温度为一般始锻温度为1150 1150 1250 1250 。 终锻温度为终锻温度为750 750 850 850 。 4. 4
53、.在热处理工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图对于制订热处理工艺有着相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。特别重要的意义。 热处理工艺如退火、正火、淬火的加热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都依据热温度都依据Fe- FeFe- Fe3 3C C相图确定。相图确定。 在热处理一节中详细阐述。在热处理一节中详细阐述。Fe- FeFe- Fe3 3C C相图的应用相图的应用老师提示老师提示 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图只反映铁碳二元合金中相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态相的平衡状态, , 如含有其它元素如含有其它元素, , 相图将相图将发生变
54、化。发生变化。 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图反映的是平衡条件下铁相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态碳合金中相的状态, , 若冷却或加热速度较若冷却或加热速度较快时快时, , 其组织转变就不能只用相图来分析。其组织转变就不能只用相图来分析。 本节小结本节小结合金相图合金相图 匀晶相图、共晶相图、包晶相图、匀晶相图、共晶相图、包晶相图、 共析相图、含有稳定化合物的相图共析相图、含有稳定化合物的相图二元合金二相区结晶规律二元合金二相区结晶规律 变温结晶变温结晶 两两相的成分确定相的成分确定 温温度一定时度一定时, , 两相的质量符合杠杆定律。两相的质量符合杠杆定律。铁碳合金铁碳合金的结晶的结晶 铁碳相图中的相：铁碳相图中的相：L L、FeFe3 3C C 铁碳合金铁碳合金的组织：的组织：F F、P+FP+F、P P、P+FeP+Fe3 3C CIIII、 P+Fe P+Fe3 3C CIIII+Le+Le、LeLe、FeFe3 3C CI I+Le +Le
