工程材料及应用第2章金属材料的凝固与结晶

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1、第2章金属材料的凝固与结晶 第第2章章金属材料的凝固与结晶金属材料的凝固与结晶 2.1纯金属的凝固纯金属的凝固 2.2合金的凝固合金的凝固 2.3典型材料相图典型材料相图 第2章金属材料的凝固与结晶 2.12.1纯金属的凝固纯金属的凝固 2.1.12.1.1凝固的基本概念凝固的基本概念1.1.晶体的凝固晶体的凝固若凝固后的固态物质是晶体，则在生产上将晶体的凝固称做结晶。金属熔液凝固后一般都以晶体状态存在，即内部原子呈规则排列，其凝固过程就是结晶过程。工程上使用的金属材料通常都要经历液态和固态的加工过程。例如机器零件用钢，要经过冶炼、浇注、轧制、锻造、机加工和热处理等工艺过程。目前，金属材料的生

2、产和制备通常要经过冶炼和铸造过程，即要经过由液态转变为固态的结晶过程。液态金属经过结晶得到的组织称为铸态组织。金属在焊接时，焊缝中的金属也要发生结晶。金属结晶后所形成的组织，包括各种相的形状、大小和分布等，将极大地影响到金属的各种性能。对于铸件和焊接件来说，结晶过程就基本上决定了其使用性能与使用寿命。而对于尚需进一步加工的铸锭来说，结晶过程既直接影响它的轧制和锻压工艺性能，又不同程度地影响其制成品的使用性能。因此，研究和控制金属的结晶过程就显得尤其重要。 第2章金属材料的凝固与结晶 早期，由于液体的易流动性和无定形等宏观特性，人们往往认为液体金属的结构与气体相似。认为在液态下原子间的相互作用很

3、弱，原子的运动毫无规则，且呈现混乱的排列。但是近代研究表明，液态金属，特别是在接近凝固点时，原子间的距离、原子间的作用力和原子的运动状态并不与气体相似，而与固体金属比较相近。并且证明，在液态金属内部，在短距离的小范围内，原子作近似于固态结构的规则排列，即存在短程有序的原子集团，如图21所示。这种原子集团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。液态金属的这种结构不稳定现象称为结构起伏。当这种短程规则排列的原子小集团达到一定尺寸时，有可能成为结晶核心。所以金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上就是原子由短程有序状态过渡为长程有序（晶体）状态的过程。因此，从广义上讲，物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态)过

4、渡为另一种原子规则排列状态(晶态)的转变过程称为结晶。为区别起见，我们将一般意义上的“结晶”，即物质从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而物质从一种固体晶态过渡为另一种固体晶态的转变过程称为二次结晶。 第2章金属材料的凝固与结晶 图21液态金属结构的示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 2.2.非晶体的凝固非晶体的凝固若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固，玻璃、部分高聚物就是非晶体，或称为非晶态。相对晶态而言，非晶态是物质的另一种结构状态，是一种长程无序、短程有序的混合结构。总体上讲，这种结构中有的原子排列无规则，但并非完全无序，邻近原子排列又有一定的规律。因

5、此，非晶固态物质(非晶体)表现出各向同性。非晶体的凝固与晶体的结晶虽都是由液态转化为固态，但本质上又有区别。 第2章金属材料的凝固与结晶 非晶体的凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大而完成的，即非晶固态可以看做是粘滞系数很大的“熔体”，需在一个温度范围内逐渐完成凝固。从能量观点看，若熔体在凝固时能较完全地释放内能，它将转变为晶体，若部分释放内能，则转化为非晶体，故非晶体处于亚稳状态。凝固是指物质由液态冷却转变为固态的过程。根据凝固过程的条件不同，凝固后的固体可能是晶体或非晶体。了解材料凝固过程及一般规律，对于控制材料内部组织机构、减少铸件缺陷、提高材料性能等都有十分重要的意义。 第2章金属材料的

6、凝固与结晶 2.1.22.1.2金属的结晶过程金属的结晶过程1.1.冷却曲线和过冷度冷却曲线和过冷度晶体的结晶过程可用热分析法测定，如图22 (a) 所示。将金属材料加热到熔化状态，然后缓慢冷却，记录下液体金属的冷却温度随时间的变化规律，做出金属材料的冷却曲线，如图22(b)所示。由图可见，在Tm温度以上，随着时间的延长，温度均匀下降。液态金属在理论结晶温度Tm时并不产生结晶，而需冷却到低于Tm的某一温度,即Tn时，液体开始结晶，由于释放出的结晶潜热弥补了热量的散失，使温度继续均匀下降。理论结晶温度Tm与平台温度Tn之差即为实际过冷度。液体要结晶就必须过冷，液体的冷却速度越大，过冷度越大，实际

7、结晶温度也就越低。 第2章金属材料的凝固与结晶 图22热分析装置及纯金属的冷却曲线（a)热分析装置；(b)纯金属的冷却曲线 第2章金属材料的凝固与结晶 2.2.金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件热力学定律指出，在等压条件下，一切自发过程都是朝着吉布斯自由能降低的方向进行，直到吉布斯自由能具有最低值为止。这个规律又称为最小自由能原理。吉布斯自由能G是物质中能够向外界释放或能对外做功的那一部分能量。一般来说，金属在积聚状态的自由能G随温度的升高而降低。由于液态金属中原子排列的规则性比晶体中的差，因此同一物质的液体和晶体在不同温度下吉布斯自由能的变化情况不同，如图23所示。在自由能温度的关系曲

8、线上，液态的自由能变化曲线比晶体的更陡，即液体降低得更快，两条曲线必然相交，其交点所对应的温度就是理论结晶温度或熔点Tm，此时液相与固相的吉布斯自由能相等。 第2章金属材料的凝固与结晶 当温度低于Tm时，GSGL ，金属的稳定状态是液态,晶体将熔化。因此，液态物质要结晶，就必须冷却到Tm以下的某一温度Tn才能结晶，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，记作T，T= Tm - Tn 。过冷度的大小除与金属的性质和纯度有关外，主要取决于结晶的冷却速度的大小。一般来说，冷却速度越大，过冷度越大，液态和固态间的自由能差越大，液体结晶的驱动力越大，结晶越容易进行。 第2章金属材

9、料的凝固与结晶 图23液体和晶体吉布斯自由能温度关系曲线 第2章金属材料的凝固与结晶 3.3.金属结晶过程的一般规律金属结晶过程的一般规律观察任何一种液体的结晶过程，都会发现结晶是一个晶核不断形成和长大的过程，这是结晶的普遍规律。图24为结晶过程的示意图。液体冷却到Tm温度以下，经过一段时间，首先在液体中某些部位形成一批稳定的原子集团作为晶核，接着，晶核长大，同时又有一些新的晶核出现。就这样不断形核，不断长大，直到液体完全消失，每一个晶核成长为一个晶粒，最后得到多晶体结构。 第2章金属材料的凝固与结晶 图24结晶过程示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 1）晶核的形成晶核的生成、存在有两种方式，

10、即自发形核和非自发形核。晶核可以由液体金属中短程有序的原子小集团形成，即在温度降低到结晶温度以下，并且达到一定的过冷度时，液体中那些超过一定尺寸的短程有序的原子集团开始变得稳定，不再消失，从而成为结晶核心并长大。能够自发长大的最小晶核称为临界晶核。这种从液态金属结构内部自发长出结晶核心的形核方式叫做自发形核。自发形核也叫均质形核。实际结晶温度越低，即过冷度越大，由金属液态向晶体转变的驱动力越大，能稳定存在的短程有序的原子集团的尺寸越小，则生成的自发形核越多。但过冷度过大或温度过低时，原子的扩散能力降低，形核的速率反而减小。 第2章金属材料的凝固与结晶 所谓非自发形核，是因为金属往往是不纯净的，

11、内部总含有这样或那样的杂质，杂质的存在常常能够促进晶核在其表面上形成。这种依附于杂质而生成晶核的方式叫做非自发形核，也叫异质形核。按照形核时能量有利的条件分析，能起非自发形核作用的杂质必须符合“结构相似，尺寸相当”的原则。只有当杂质的晶体结构和晶格参数与凝固合金相似和相当时，它才能成为非自发形核的核心。有一些难熔的杂质，虽然其晶体结构与凝固金属相差甚远，由于表面的微细凹孔和裂缝中有时能残留未熔金属，也能强烈地促进非自发形核。在金属和合金实际结晶时，自发形核和非自发形核是同时存在的，但非自发形核往往起优先和主导的作用。 第2章金属材料的凝固与结晶 2）晶体的长大当晶核形成之后，液相中的原子或原子

12、团通过扩散不断地依附于晶核表面上，使固液界面向液相中移动，晶核半径增大，这个过程称为晶体长大。晶体长大的形态与界面结构有关，也与界面前沿的温度分布有密切的关系。晶体长大的方式有平面推进和树枝状生长两种。金属晶体主要以树枝状方式长大。 第2章金属材料的凝固与结晶 液态金属在铸模中凝固时，通常是由于模壁散热而得到冷却。即液态金属中，距液固相界面越远处温度越高，则凝固时释放的热量只能通过已凝固的固体传导散出。此时若液固相界面上偶尔有凸出部分并伸入液相中，由于液相实际温度高、过冷度小，其长大速率立即减小。因此使液固相界面保持近似平面，缓慢地向前推进，称为平面生长。应该指出，晶体的平面长大方式在实际金属

13、的结晶中是较少见的。 第2章金属材料的凝固与结晶 当铸模内金属均被迅速过冷时，靠近模壁的液体首先形核发生结晶，并释放结晶潜热。此时，在液固界面附近一定范围内液固界面温度最高，即处于距液固界面越远，液体温度越低，同时结晶潜热通过模壁和周围过冷的液体而消失。开始时，晶核可长大成很小的、形状规则的晶体。随后，在晶体继续长大的过程中，优先沿一定方向生长出空间骨架。这种骨架形同树干，称为一次晶轴。在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生长出新的枝芽，枝芽发展成枝干，此为二次晶轴；随着时间的推移，二次晶轴成长的同时，又可长出三次晶轴；三次晶轴上再长出四次晶轴，如此不断成长和分枝下去，直至液体全部消失。结果得

14、到一个具有树枝状的树枝晶，如图25所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 图25晶体树技状长大示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 实际金属的铸态组织多为树枝状结构，在结晶过程中，如果液体供应不充分，金属最后凝固的树枝晶之间的空隙不能被填满，将形成缩孔和疏松等缺陷。同时发现树枝间最后结晶的液体，其成分与已结晶体有明显的不同，即出现了成分偏析。它将引起铸件力学性能恶化和抗腐蚀性能降低。图26为树枝晶的晶相照片。 第2章金属材料的凝固与结晶 图26铸态镍基单晶高温合金的金相组织照片 第2章金属材料的凝固与结晶 4.4.影响形核和长大的因素影响形核和长大的因素金属的结晶过程是晶核不断形成和长大的过程。在单

15、位时间内，单位体积中所产生的晶核数称为形核率，以N表示，单位为晶核数/(scm3)。而单位时间内晶核长大的平均速度以G表示，单位为cm/s。显然，结晶后的晶粒大小与形核率和长大速度有关，而影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度（过冷度）和难熔杂质。 第2章金属材料的凝固与结晶 1）过冷度的影响金属结晶时的过冷度与形核率和长大速度的关系如图27所示。从图中可以看出，形核率和长大速度随过冷度的增加而增大，并在一定过冷度时各自达到最大值，随后，过冷度进一步增加，而它们却逐步减小。其主要原因是，在结晶过程中晶核形成和长大的驱动力与T成正比，而晶核形成和长大所需要的必要条件原子迁移能力（或扩散能力）则

16、与T成反比。所以，这两种因素的综合结果，使形核率和长大速度与T的关系出现了一个极大值。 第2章金属材料的凝固与结晶 图27过冷度对形核率和长大速度的影响 第2章金属材料的凝固与结晶 2）难熔杂质的影响金属结晶过程中，非自发形核的作用往往是主要的。所以，某些高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似时，将强烈地促进非自发形核，大大提高了形核率。这点在生产中已得到广泛应用。 第2章金属材料的凝固与结晶 5.5.晶粒大小及控制晶粒大小及控制1）晶粒度的概念晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目ZV或单位面积上晶粒的数目ZS表示，也可以用晶粒的平均线长度（直径）表示。影响晶

17、粒度的主要因素是形核率N和长大速度G。形核率愈大，则结晶后的晶粒数愈多，晶粒就愈细小。若形核率不变，晶核的长大速度愈小，则结晶所需的时间愈长，能生成的核心愈多，晶粒就愈细。ZV、ZS与N、G之间存在下列关系： 第2章金属材料的凝固与结晶 可见，结晶时形核率N越大，晶体长大速度G越小，结晶后单位体积内的晶粒数目Z越大，晶粒就越细小。金属结晶后形成的晶粒度对其力学性能有很大的影响。一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。表21为纯铁的晶粒度与力学性能的关系。 第2章金属材料的凝固与结晶 表21纯铁的晶粒度与力学性能的关系 第2章金属材料的凝固与结晶 2)细化晶粒的方法细化晶粒是提高金属

18、性能的主要途径之一。控制结晶后的晶粒大小，就必须控制形核率N和长大速度G这两个因素，主要方法有以下三种：（1）增大过冷度。由于晶粒大小取决于形核率与长大速度的比值，而形核率和长大速度以及它们的比值又取决于过冷度（如图27所示），因此晶粒大小实际上可通过过冷度来控制。过冷度愈大（达到一定值以上），形核率和长大速度愈大，但形核率的增加速度会更大，因而增加过冷度会提高比值N/G。 第2章金属材料的凝固与结晶 提高金属凝固的冷却速度是增大过冷度的主要方法。实际生产中，为了得到细小的晶粒,常常采用降低铸型温度和采用导热系数大的金属铸型来提高冷却速度。如在铸造生产中，用金属型代替砂型，增大金属型的厚度，降

19、低金属型的预热温度等，均可提高铸件的冷却速度。此外，提高液态金属的冷却能力也是增大过冷度的有效方法，如在浇注时采用高温熔化并降温浇注便可获得较细的晶粒。近些年来，随着超高速（达1051011K/s）急冷技术的发展，已成功地研制出超细晶金属、非晶态金属等具有一系列优良力学性能和特殊物理、化学性能的新材料。 第2章金属材料的凝固与结晶 （2）变质处理。提高冷却速度以细化铸件晶粒的方法只能用于小件或薄壁件。对于大型铸件或厚壁铸件，要获得很大的冷却速度是很困难的。为了得到细晶粒铸件，可进行变质处理。变质处理就是在浇注前向液态金属中有意地加入被称为变质剂的某些物质，以细化晶粒和改善组织，达到提高材料性能

20、的目的。变质剂的作用有两种:一种是加入液态金属中的变质剂能直接增加形核核心，如向铝液中加入钛、硼，向钢液中加入钛、锆、钒等；向铸铁液中加入SiCa合金都可使晶粒细化。另一种是加入变质剂虽然不能提供结晶核心，但能附着在晶体前缘从而改变晶核的生长条件，强烈地阻碍晶核的长大或改善组织形态。如在铝硅合金中加入钠盐，钠能在硅表面上富集，从而降低硅的长大速度，阻碍粗大片状硅晶体形成，细化合金组织。 第2章金属材料的凝固与结晶 （3）振动与搅拌。在浇注和结晶过程中实施振动或搅拌也可以达到细化晶粒的作用。搅拌和振动能向液体中输入额外能量以提供形核功，促进形核。另一方面能打碎正在长大的树枝晶，破碎的枝晶块尖端又

21、可成为新的晶核，增加晶核数量，从而细化晶粒。进行振动和搅拌的方法有机械振动、电磁振动和超声波振动等。 第2章金属材料的凝固与结晶 2.22.2合金的凝固合金的凝固2.2.12.2.1二元相图的建立二元相图的建立1 1二元合金相图的基本知识二元合金相图的基本知识由两种或两种以上的组元按不同的比例配制成一系列不同成分的所有合金称为合金系，如AlSi系合金、FeCSi系合金。为了研究合金的组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图就是用图解的方法表示合金系中合金的状态、组织、温度和成分之间的关系。 第2章金属材料的凝固与结晶 相图又称为平衡相图或状态图，它是表明合金系中

22、不同成分合金在不同温度下，由哪些相组成以及这些相之间平衡关系的图形。利用合金相图可以知道各种成分的合金在不同的温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时可能发生的变化。掌握合金相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能。也可按要求研究配制新的合金。生产实践中，合金相图是制定合金熔炼、锻造和热处理工艺的重要依据。 第2章金属材料的凝固与结晶 2 2二元合金相图的建立方法二元合金相图的建立方法现有的合金相图都是通过实验建立的。其根据是，不同成分的合金，晶体结构不同，物理化学性能也不同。当合金中有相转变时，必然伴随有物化性能的变化，测定发生这些变化的温度和成分，再经综合，

23、即可建立整个相图。常用的方法有热分析法、膨胀法、电阻法、X射线分析法和磁性分析法等。 第2章金属材料的凝固与结晶 以热分析法建立CuNi合金相图为例，具体步骤是；(1)配制不同成分的CuNi合金。例如：合金纯Cu合金75Cu+25Ni合金50Cu+50Ni合金25Cu+75Ni合金纯Ni配制的合金愈多，则作出的相图愈精确。 第2章金属材料的凝固与结晶 (2)作各个合金的冷却曲线，并找出各个临界温度值。(3)画出温度成分坐标系，在各合金成分垂线上标出临界点温度。（4）将临界点温度中物理意义相同的点连起来，即得CuNi合金相图。图28即为按上述步骤建立CuNi合金相图过程的示意图。 第2章金属材料

24、的凝固与结晶 图28建立CuNi状态图的示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 相图上的每个点、每条线、每个区域都有明确的物理意义。a、b分别为Cu和Ni的熔点。a0abcb0线为液相线，该线以上合金全为液体，任何成分的合金从液态冷却时，碰到液相线就要有固体开始结晶。a0abcb0为固相线，该线以下合金全为固体，合金加热到固相线时，即开始产生液体。固相线和液相线之间的区域是固相和液相并存的两相区。两相区的存在说明CuNi合金的结晶是在一个温度范围内进行的，这一点不同于在恒温下结晶的纯金属。合金结晶温度区间的大小和温度的高低是随成分改变的。 第2章金属材料的凝固与结晶 3杠杆定律杠杆定律在两相区结晶

25、过程中，两相的成分和相对量都在不断变化，杠杆定律就是确定相图中两相区内，两平衡相的成分和两平衡相相对量的重要工具。仍以CuNi合金为例，建立其相图的操作步骤是：(1)K成分合金在温度t下两平衡相成分的确定：在图29（a）中，过K点作一成分垂线，过t点作一水平线交液相线于a点，交成分垂线于c点，交固相线于b点。a点在成分轴上的投影a，便是温度t时K成分合金中液相部分的化学成分。同理，b点在成分轴上的投影b点，即为K成分合金在温度t结晶出的固溶体的化学成分,也即合金K在温度t时的平衡相是由成分为a的液相和成分为b的固相所组成的。 第2章金属材料的凝固与结晶 (2)K成分合金在温度t下两平衡相相对量

26、的确定：设合金总重量为1，其中液相的重量为QL，固相的重量为Q,即 QL+Q=1 （21) 液相中的含Ni量为a，固相中的含Ni量为b，合金的含Ni量为K，则 QL.a=Qb=K （22) 解方程（21)和(22)得 第2章金属材料的凝固与结晶 图29杠杆定律的证明和力学比喻 第2章金属材料的凝固与结晶 2.2.22.2.2二元匀晶相图二元匀晶相图二元合金中，两组元在液态时无限互溶，在固态时也无限互溶,这样形成单相固溶体的一类相图称为“匀晶相图”。上述二元合金相图便是其中最简单的一种。具有这类相图的合金系有：CuNi、CuAu、AuAg、FeCr、FeNi和WMo等。这类合金在结晶时都是从液相

27、结晶出固溶体，固态下呈单相固溶体，所以这种结晶过程称为匀晶转变。几乎所有的二元相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元相图的基础。现以CuNi相图为例进行分析。 第2章金属材料的凝固与结晶 1 1合金的结晶过程分析合金的结晶过程分析现仍以CuNi二元合金为例，分析其结晶过程与产物。图210是CuNi合金匀晶相图。图210(a)中，上面的一条曲线为液相线，下面的一条曲线为固相线。相图被它们划分为三个相区，即液相线以上为单相液相区L，固相线以下为单相固相区，两者之间为液、固两相共存区L+。解方程（21)和(22)得 第2章金属材料的凝固与结晶 图210CuNi合金匀晶相图 第2章金属

28、材料的凝固与结晶 2 2合金的平衡结晶过程合金的平衡结晶过程平衡结晶是指合金在极其缓慢冷却的条件下进行结晶的过程。在此条件下得到的组织称为平衡组织。以图210中含Ni70的CuNi合金为例：当温度高于图中1点时，合金为液相L。当温度降到图中1点时(与液相线相交的温度)，开始从液相中结晶出固溶体。 第2章金属材料的凝固与结晶 随着温度的继续下降，从液相不断析出固溶体，合金在整个结晶过程中所析出的固溶体的成分将沿着固相线变化(即由c1c2)，而液相成分将沿液相线变化(即由a1a2)。在一定温度下，两相的相对量可用杠杆定律求得。例如,当T=T1时，液相的成分为a1 ，固相的成分为c1，固相的相对重量

29、为 ，液相的相对重量为 。 第2章金属材料的凝固与结晶 当温度下降到图中2点时，液相消失，结晶完毕，最后得到与合金成分相同的固溶体。固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，将这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称选择结晶。纯金属结晶时所结晶出的晶体与母相的化学成分完全一样，称之为同分结晶。固溶体合金的结晶过程也是一个形核相长大的过程。和纯金属相同，固溶体在形核时既需要结构起伏，也需要能量起伏。此外，由于固溶体的结晶属异分结晶，因此还需要成分起伏。成分起伏是由于原子热运动和扩散，每一瞬间液体中某些微小体积的成分高于或低于平均成分的现象。 第2章金属材料的凝固与结晶

30、 2.2.32.2.3二元共晶相图二元共晶相图两组元在液态时能完全互溶，而在固态时相互之间只具有有限的溶解度，即形成有限固溶体，且发生共晶反应时，这类相图称为“二元共晶相图”。具有这类相图的合金系有：PbSn、PbSb、PbBi、AlSi和CuAg等。1 1相图分析相图分析由图211可知，此合金系包含两种有限固溶体相和相。相为B组元溶于A组元中所形成的固溶体；相恰好相反，它是A组元溶于B组元所形成的固溶体。二者均只有有限溶解度。 第2章金属材料的凝固与结晶 图211共晶状态图 第2章金属材料的凝固与结晶 图中，ac、cb为液相线，这两条曲线的上面为液相区，adceb为固相线，acda与cbec

31、间区为两相区，分别为液相加初晶与液相加初晶。dce为共晶线，在此温度则发生L+共晶转变，此时三相共存。c点为共晶点。df为B组元在A组元中的溶解度曲线，eg则为A组元在B组元中的溶解度曲线，df和eg均称为固溶线。 第2章金属材料的凝固与结晶 2 2结晶过程分析结晶过程分析(1)合金的结晶(图212)。合金的结晶过程与上述匀晶相图中任何成分合金的结晶过程均无差别。当液相冷至1点时，从液相中开始析出固溶体，温度降至2点时，结晶完成。温度继续降低，组织不再发生变化，室温下合金显微组织为单相固溶体。 第2章金属材料的凝固与结晶 (2)合金的结晶(图212)。此合金在高温阶段的结晶过程与合金相同，进行

32、匀晶反应，结晶终了为均一的相。但当温度降至与固溶线cf相交时，相中溶入的组元B量达到饱和状态。随着温度的继续下降，相中多余的B组元便以固溶体的形态析出。为了与液相中析出的初晶相有所区别，把它叫做二次相，用表示。倘若温度再继续降低，相溶解B组元的量逐渐减少，的数量逐渐增加。合金在室温下的显微组织为+。 第2章金属材料的凝固与结晶 图212AB合金、的结晶过程 第2章金属材料的凝固与结晶 (3)合金的结晶。这一合金属于共晶成分,其结晶过程较简单(图213)。在共晶温度c点以上呈单相液体，当共晶成分的合金冷至共晶温度c时，产生共晶反应，由液相中同时析出+的共晶体组织。继续降低温度时，共晶体中的相也要

33、析出二次相，由于往往同共晶体中的相连在一起，因此合金在室温下可以看成是由+共晶组织所组成的。 第2章金属材料的凝固与结晶 (4)合金的结晶(图214)。这种合金属于亚共晶合金。当合金冷到图中1点时，液相中开始结晶出固溶体。随着温度的降低，固溶体的数量逐渐增加，而液相数量不断减少。当冷至图中2点时，剩余的液相达到共晶成分，于是同时结晶出共晶体+。所以共晶反应结束时，合金的组织为固溶体+(+)共晶体。之后继续降低温度，初晶和共晶体中的相都要析出。因此，合金的室温显微组织为+共晶体（+)。 第2章金属材料的凝固与结晶 图213AB合金的结晶过程 第2章金属材料的凝固与结晶 图214AB合金的结晶过程

34、 第2章金属材料的凝固与结晶 2.2.42.2.4二元包晶相图二元包晶相图包晶相图与前述的共晶相图的共同点是:液态时两组元均可无限互溶，而固态时则只有有限溶解度，因而也形成有限固溶体。但是其相图中的水平线所代表的结晶过程则与共晶相图完全不同。 第2章金属材料的凝固与结晶 图215是FeFe3C相图左上角的包晶部分。当合金从高温液态冷至图中1点时，开始结晶，从液相中析出固溶体(图216（a)，随着温度继续下降，相的数量不断增加，液相量则不断减少。相成分沿AH线变化，液相成分沿AB线变化。合金冷至包晶反应温度时(1495)，剩下的液相和原先析出的相相互作用生成A相，新相是在原有的相表面生核并成长一

35、层A相的外层(图216（b)，此时三相共存，结晶过程在恒温下进行。由于三相的浓度各不相同，通过铁原子和碳原子的不断扩散，A固溶体一方面不断消耗液相向液体中长大，同时也不断吞并固溶体向内生长直至把液体和固溶体全部消耗完毕，最后便形成单一的A固溶体(图216（c)，包晶转变即告完成。 第2章金属材料的凝固与结晶 图215FeFe3C状态图包晶部分 第2章金属材料的凝固与结晶 图216包晶转变示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 在这种结晶过程中，A晶体包围者晶体，靠不断消耗液相和相而进行结晶，故称为包晶反应。除FeC合金外，CuZn、CuSn、AgPt等合金系中都有包晶转变。 第2章金属材料的凝固与

36、结晶 2.2.52.2.5其他类型的二元相图其他类型的二元相图 1 1共析相图共析相图在二元合金相图中往往还遇到这样的反应，即在高温时通过匀晶反应、包晶反应所形成的固溶体，在冷至某一更低的温度处，又发生分解而形成两个新的固相。发生这种反应的相图与共晶相图很相似，只是反应前的母相不是液相而是固相。这种由一种固相同时分解成两种固相的反应称为共析反应，其相图称为共析相图，如图217所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 图217共析相图第2章金属材料的凝固与结晶 与共晶反应相比，共析反应具有以下几方面不同的特点：(1)由于共析反应是固体下的反应，在分解过程中需要原子作大量的扩散，但在固态中，扩散过程比在

37、液态中困难得多，因此共析反应比共晶反应更易于过冷。(2)由于共析反应易于过冷，因而生核率较高，得到的两相机械混合物(共析体)要比共晶体更为细密。(3)共析反应往往因为母相与子相的比容不同，而产生容积的变化，从而引起较大的内应力，这一现象在合金热处理时表现得更为明显。FeFe3C相图中即存在共析反应，它是钢铁热处理赖以为据的重要反应。 第2章金属材料的凝固与结晶 2 2形成稳定化合物的共晶相图形成稳定化合物的共晶相图图218是MgSi合金状态图，它是形成稳定化合物的共晶相图的一个实例。Mg和Si可以形成稳定的化合物Mg2Si，它具有严格的成分，Si含量为36.59，在相图中可用一条通过Mg2Si

38、成分的垂直线来表示。 Mg2Si的熔点为1102，其结晶过程与纯金属相似，在1102以下均为固体。因此，可以把Mg2Si看做一个组元，把MgSi合金相图分成两部分，按两个共晶相图进行分析。垂线左边部分可看做是Mg与Mg2Si组成的共晶相图；垂线右边部分可看做是Mg2Si和Si组成的共晶相图。 第2章金属材料的凝固与结晶 图218MgSi合金状态图 第2章金属材料的凝固与结晶 2.2.62.2.6根据相图判断合金的性能根据相图判断合金的性能1 1根据相图判断合金的机械性能和物理性能根据相图判断合金的机械性能和物理性能二元合金的室温平衡组织主要有两种类型，即固溶体和两相混合物。图219为匀晶、共晶

39、和包晶系合金的力学性能和物理性能随成分变化的一般规律。由图可见，固溶体合金与作为溶剂的纯金属相比，其强度、硬度升高，导电率降低，并在某一成分存在极值。因固溶强化对强度与硬度的提高有限，不能满足工程结构对材料性能的要求，所以工程上经常将固溶体作为合金的基体。 第2章金属材料的凝固与结晶 图219合金力学性能、物理性能与相图的关系(a)匀晶系合金；(b)共晶系合金；(c)形成稳定化合物的共晶系合金；(d)包晶系合金 第2章金属材料的凝固与结晶 固溶体合金的电导率与成分的变化关系与强度和硬度的相似，均呈曲线变化。这是由于随着溶质组元含量的增加，晶格畸变增大，合金中自由电子的阻力增大所致。同理可以推测

40、，热导率的变化关系与电导率相同，随着溶质组元含量的增加，热导率逐渐降低，而电阻的变化却与之相反。因此工业上常采用含镍量为wNi50的CuNi合金作为制造加热元件。第2章金属材料的凝固与结晶 共晶相图和包晶相图的端部均为固溶体，其成分与性能间的关系如上所述。相图的中间部分为两相混合物，在平衡状态下，当两相的大小和分布都比较均匀时，合金的性能大致是两相性能的算术平均值。例如,合金的硬度HB为 式中，HB、HB分别为相和相的硬度;、为相和相的体积分数。因此，合金的机械性能和物理性能与成分的关系呈直线变化。但是应当指出，当共晶组织十分细密，且在不平衡结晶出现伪共晶时，其强度和硬度将偏离直线关系而出现峰

41、值，其强度、硬度明显提高。组织越致密，合金的性能提高得越多。 HB=HB+HB 第2章金属材料的凝固与结晶 2 2根据相图判断合金的工艺性能根据相图判断合金的工艺性能合金的铸造性能主要表现为合金液体的流动性(即液体充填铸型的能力)、缩孔及热裂倾向与偏析等。这些性能主要取决于相图上液相线与固相线之间的水平距离与垂直距离，即结晶时液、固相间的成分间隔与温度间隔。从相图上也可以判断出合金的工艺性能，图220所示是合金的铸造性能与相图的关系。由图可见，相图中的液相线与固相线之间的水平距离和垂直距离（成分间隔和温度间隔）越大，合金的流动性就越差，分散缩孔也越多，合金成分偏析（枝晶偏析）也越严重，使铸造性

42、能变差。另外，当结晶间隔很大时，将使合金在较长时间内处于半固、半液状态，这对于已结晶的固相来说，因为有不均匀的收缩应力，有可能引起铸件内部裂纹等现象。 第2章金属材料的凝固与结晶 图220合金铸造工艺性能与相图的关系 第2章金属材料的凝固与结晶 对于共晶系合金来说，共晶成分的合金熔点低，并且是恒温凝固，故液体的流动性好，凝固后容易形成集中缩孔，而分散缩孔(缩松)少，热裂倾向也小。因此，共晶合金的铸造性能最好，故在其他条件许可的情况下，铸造合金选用接近共晶成分的合金。合金的压力加工性能与其塑性有关，因为单相固溶体合金具有较好的塑性，变形均匀，其压力加工性能良好，因此压力加工合金通常是相图上单相固

43、溶体成分范围内的单相合金或含有少量第二相的合金。单相固溶体的硬度一般较低，不利于切削加工，故切削性能较差。当合金形成两相混合物时，合金的切削加工性能要好于单相合金，但压力加工性能却不如单相固溶体。另外，在相图上无固态相变或固溶度变化的合金不能进行热处理。 第2章金属材料的凝固与结晶 2.32.3典型材料相图典型材料相图钢铁是现代机械制造工业中应用最为广泛的金属材料。碳钢和铸铁都是铁碳合金。了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制定等都具有重要的指导意义。铁与碳两个组元可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。由于钢中碳的质量分数一般不超过2.11，铸铁的

44、碳的质量分数一般不超5(由于含碳量大于6.6%的铁碳合金脆性很大，没有使用价值)，因此在研究铁碳合金时，仅研究FeFe3C(wC6.69)部分；下面讨论的铁碳相图，实际上是铁渗碳铁(FeFe3C)相图，如图221所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 图221FeFe3C相图 第2章金属材料的凝固与结晶 1.1.铁碳合金的相结构铁碳合金的相结构由FeFe3C相图可见，构成铁碳合金的基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体。它们都是铁与碳发生相互作用而形成的，铁素体和奥氏体属于固溶体，渗碳体属于金属间化合物。1)工业纯铁铁的一个重要特性是具有同素异构转变。从图222所示的铁的冷却曲线可以看出，铁在固态时随温度

45、的变化有三种同素异构体，即Fe、Fe和Fe，其晶格常数也随温度的变化而变化。Fe在770还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性转变为低温的铁磁性状态。通常把磁性转变温度称为铁的居里点。磁性转变时铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。 第2章金属材料的凝固与结晶 工业纯铁的含铁量一般为wFe=99.899.9，含有0.10.2的杂质，其中主要是碳。纯铁的机械性能大致为：抗拉强度：b180230MNm2；屈服强度：0.2100170MNm2；伸长率：30%50；断面收缩率：70%80；冲击韧性：ak16002000kJm2；硬度：5080HBS。 第2章金属材料的凝固与结晶 图222纯铁的冷却曲线

46、及晶体结构变化 第2章金属材料的凝固与结晶 2）碳溶于铁中形成固溶体铁素体和奥氏体铁中加入少量碳后使强度、硬度显著增加，这是由于碳的加入引起了内部组织结构的变化。固态下碳在铁中的存在形式有三种：碳溶于铁中形成固溶体；碳与铁作用形成化合物；碳与铁原子间不相互作用而以自由态石墨存在。(1)铁素体。铁可以溶解许多元素而形成固溶体。碳溶解于Fe中所形成的间隙固溶体，称为“铁素体”，以符号“F”或“”表示。在Fe的体心立方晶格中，最大间隙半径只有0.31，比碳原子半径0.77小得多。碳原子只能处于位错、空位、晶界等晶体缺陷处或个别八面体间隙中，所以碳在Fe中的溶解度很小，其最大溶解度为0.0218(72

47、7)。随着温度的降低，其溶解度要降低，室温时，碳在Fe中的溶解度仅为0.0008。 第2章金属材料的凝固与结晶 铁素体的组织与纯铁组织没有明显区别，铁素体的显微组织如图223所示。它是由等轴状的多边形晶粒组成，黑线是晶界，亮区是铁素体晶粒。由于铁素体的溶碳能力很小，故其机械性能几乎和纯铁相同，强度和硬度低，而塑性和韧性好。另外，铁素体在770以上具有顺磁性，在770以下呈铁磁性。碳溶于体心立方晶格Fe中的间隙溶体称为铁素体，以“”表示，其最大溶解度在1495时为0.09。 第2章金属材料的凝固与结晶 图223铁素体显微组织 第2章金属材料的凝固与结晶 图224奥氏体显微组织(400) 第2章金

48、属材料的凝固与结晶 (2)奥氏体。碳溶解于Fe中形成的间隙固溶体，称为“奥氏体”，以符号A或表示。其显微组织如图224所示，在其多边形的晶粒内往往有孪晶线，即有一些成对平行线条出现。在727时，Fe溶碳量为0.77，随着温度升高，其溶解度增加，在1148时其最大溶碳量为2.11。除了少数合金铜外，在铁碳合金中，奥氏体是一种存在于高温状态下的组织，它有着良好的韧性和塑性，变形抗力小，易于锻造成型。*奥氏体的力学性能与其含碳量和晶粒度有关，硬度为170220HBS；伸长率4050。可见奥氏体也是一个强度硬度较低而塑性韧性较高的相，但它与铁素体不同，只有顺磁性，而不呈现铁磁性。 第2章金属材料的凝固

49、与结晶 图225渗碳体显微组织(400) 第2章金属材料的凝固与结晶 （3）渗碳体。当碳在Fe或Fe中的溶解度达到饱和时，过剩的碳原子就和铁原子化合，形成间隙化合物Fe3C，称为“渗碳体”，以符号“Cm”表示。渗碳体的碳含量为6.69(重量)，其晶格是复杂三斜晶格(图125(b)，其显微组织如图225中白亮部分所示。渗碳体的熔点很高，硬而耐磨，其机械性能大致为：抗拉强度b30MN/m2；伸长率0；断面收缩率0。 第2章金属材料的凝固与结晶 渗碳体在钢与铸铁中一般呈片状、粒状或网状存在。它的形状、尺寸及分布对钢的性能有很大影响，是铁碳合金的重要强化相。渗碳体在固态下不发生同素异构转变，但可能与其

50、它元素形成固溶体。其中的碳原子可能被氮等小原子置换，而铁原子可能被其它金属原子如Mn、Cr所替代。这种以渗碳体为溶剂的固溶体，称为合金渗碳体。渗碳体是亚稳定的化合物。在一定的条件下，渗碳体能按下列反应分解形成石墨状的具有六方结构的自由碳，其强度、硬度极低。灰口铸铁中C主要以这种石墨形式存在(这个转变对铸铁有重要意义)。 Fe3C3Fe+C(石墨) 第2章金属材料的凝固与结晶 2 2FeFeFeFe3 3C C相图分析相图分析1）相图中的点、线、区及其意义现将图221所示FeFe3C相图中各特性点的温度、碳浓度及意义列于表22中。相图中的ABCD线为液相线，AHJECF线为固相线。相图中包括5个

51、基本相，相应有5个单相区，它们分别是：ABCD以上液相区(L)；AHNA高温铁素体区()；NJESGN奥氏体区(A或)；GPQG铁素体区(F或)；DFK渗碳体“区”(Fe3C)。 第2章金属材料的凝固与结晶 相图中还有7个两相区，分别是：L+、L+A、L+Fe3C、+A、F+A、A+Fe3C及F+Fe3C，它们分别位于两相邻的两单相区之间。 表表22FeFe3C相图中的各特性点相图中的各特性点 第2章金属材料的凝固与结晶 表表22FeFe3C相图中的各特性点相图中的各特性点 第2章金属材料的凝固与结晶 铁碳合金相图包括包晶、共晶、共析三个基本转变，现分别说明如下：包晶转变发生于1495(水平线

52、HJB)，其反应式为 包晶转变是在恒温下进行的，其产物是奥氏体。凡含碳量介于0.090.53%范围内的铁碳合金在结晶时都要发生包晶转变。 第2章金属材料的凝固与结晶 共晶转变发生于1148(水平线ECF)，其反应式为 共晶转变同样是在恒温下进行的，共晶反应的产物是奥氏体和渗碳体的混合物，称为(高温)莱氏体，用字母Ld表示。凡含碳量大于2.11的铁碳合金冷却至1148时，将发生共晶转变，从而形成莱氏体组织。在显微镜下观察，莱氏体组织是块状或粒状的奥氏体A分布在连续的渗碳体基体之上的。 第2章金属材料的凝固与结晶 在727(水平线PSK)发生共析转变，其反应式为共析转变也是在恒温下进行的，反应产物

53、是铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体，用字母P代表。共析温度以A1表示。凡含碳量大于0.0218的铁碳合金冷却至727时，奥氏体将发生共析转变而形成珠光体。此外，在铁碳合金相图中还有三条重要的特性线，它们是ES线、PQ线和GS线。 第2章金属材料的凝固与结晶 ES线是碳在奥氏体中的固溶线。随温度变化，奥氏体的溶碳量将沿ES线变化。因此含碳量大于0.77的铁碳合金，自1148至727的降温过程中，将从奥氏体中析出渗碳体。为区别自液相中析出的渗碳体，通常把从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3C)。ES线也称为Acm线。PQ线是碳在铁素体中的固溶线。铁碳合金由727冷却至室温时，将从铁素体中

54、析出渗碳体。这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3C)。对于工业纯铁及低碳钢，由于三次渗碳体沿晶界析出，故会降低其塑性与韧性，因而要重视三次渗碳体的存在与分布。在含碳量较高的铁碳合金中，三次渗碳体可忽略不计。 GS线称为A3线，它是在冷却过程中，由奥氏体中析出铁素体的开始线。或者说是在加热时，铁素体完全溶入奥氏体的终结线。 第2章金属材料的凝固与结晶 2）典型合金的结晶过程分析铁碳合金相图上的各种合金，按其含碳量及组织的不同，常分为工业纯铁、钢和铸铁三类。工业纯铁的含碳量小于0.0218，其显微组织主要为铁素体。钢是含碳量在0.02182.11之间的铁碳合金，钢的高温固态组织为具有良好塑性的奥氏体，

55、因而宜于锻造。根据含碳量及室温组织的不同，钢也可分为亚共析钢(含碳量0.77)、共析钢(含碳量为0.77)和过共析钢(含碳量0.77)三种。 第2章金属材料的凝固与结晶 白口铸铁的含碳量在2.116.69之间。它的断口具有白亮光泽，所以称为白口铸铁。白口铸铁在结晶时有共晶转变，因而有较好的铸造性能。根据含碳量及室温组织的不同，白口铸铁又可分为共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。共晶白口铸铁的含碳量为4.3，室温组织是莱氏体；亚共晶白口铸铁的含碳量低于4.3，室温组织是珠光体、二次渗碳体和莱氏体；过共晶白口铸铁的合碳量的高于4.3，室温组织是莱氏体和一次渗碳体。现以上述几种典型合金为例

56、，分析其结晶过程和在室温下的显微组织(所选取的合金成分如图226所示)。 第2章金属材料的凝固与结晶 (1)工业纯铁。以0.01C的FeC合金为例，该合金即相图(图226)上的合金(1)。液态合金在12温度区间按匀晶转变形成单相固溶体。当冷却到3点时，开始向奥氏体(A)转变。这一转变于4点结束，合金全部转变为单相奥氏体。冷到5点时，奥氏体开始形成铁素体(F)，冷到6点时，合金成为单相的铁素体。铁素体冷到7点时，碳在铁素体中的溶解量呈饱和状态，因而自7点继续降温时，将从铁素体中析出少量的Fe3C，它一般沿铁素体晶界呈片状分布。图227是工业纯铁结晶过程示意图。工业纯铁缓冷到室温后的显微组织如图2

57、28所示，主要是铁素体及少量Fe3C 。 第2章金属材料的凝固与结晶 图226典型合金的化学成分 第2章金属材料的凝固与结晶 图227工业纯铁结晶过程示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 图228工业纯铁的显微组织 第2章金属材料的凝固与结晶 (2)共析钢。共析钢在相图上的位置见图226合金(2)。共析钢在温度12之间按匀晶转变形成奥氏体。奥氏体冷至727(3点)时，将发生共析转变形成珠光体，即AP(F+Fe3C)。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。当温度由727继续下降时，铁素体沿固溶线PQ改变成分，析出少量Fe3C。Fe3C常与共析渗碳体连在一起，不易分辨，且数量极少，可忽略不计。 第2章金属

58、材料的凝固与结晶 图229是共析钢结晶过程示意图。图230是共析钢的显微组织，该组织为珠光体，是呈片层状的两相机械混合物。珠光体中片层状Fe3C经适当的退火处理后，可呈粒状分布在铁素体基体上，称为粒状珠光体。珠光体的含碳量为0.77%，其中铁素体与渗碳体的相对量可用杠杆定律求出，即 第2章金属材料的凝固与结晶 图229共析钢结晶过程示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 图230共析钢的显微组织图(1000) 第2章金属材料的凝固与结晶 (3)亚共析钢。以含碳量为0.45%的合金为例来进行分析，亚共析钢在相图中的位置见图226中合金成分(3)。图231是亚共析钢结晶过程示意图。在1点以上合金为液体

59、。当温度降到1点以后，开始从液体中析出固溶体，12点之间为L+。HJB为包晶线，故在2点发生包晶转变，形成奥氏体。包晶转变结束后，除奥氏体外还有过剩的液体。温度继续下降时，在23点之间从液体中继续结晶出奥氏体，奥氏体的浓度沿JE线变化。到3点后合金全部凝固成固相奥氏体。温度由3点降到4点时，是奥氏体的单相冷却过程，没有相和组织的变化。继续冷却至45点时，由奥氏体中结晶出铁素体。在此过程中，奥氏体成分沿GS变化，铁素体成分沿GP线变化。 第2章金属材料的凝固与结晶 当温度降到727，奥氏体的成分达到S点（0.77%)则发生共析转变，即AP（F+Fe3C)，形成珠光体。此时原先析出的铁素体保持不变

60、。所以共析转变后，合金的组织为铁素体和珠光体。当继续冷却时，铁素体的含碳量沿PQ线下降，同时析出三次渗碳体。同样，三次渗碳体的量极少，一般可忽略不计。因此，含碳量为0.45%的铁碳合金的室温组织是由铁素体和珠光体组成的，如图232所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 图231亚共析钢结晶过程示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 图232亚共析钢的显微组织图(200)(a)wC=0.20%;(b) wC =0.40%;(c) wC =0.60% 第2章金属材料的凝固与结晶 所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成的，但是珠光体与铁素体的相对量因含碳量不同而有所变化。含碳量越高，组织中珠光体越多

61、，铁素体越少。相对量同样可用杠杆定律来计算。若忽略铁素体中的含碳量，则亚共析钢的含碳量可以通过显微组织中铁素体和珠光体的相对面积估算得到。例如，经观察，可知某退火亚共析钢显微组织中珠光体和铁素体的面积各占50%，则其含碳量大致为C%=50%0.77%=0.385%。 第2章金属材料的凝固与结晶 (4)过共析钢。以含碳量为1.2%的合金为例，过共析钢在相图上的位置见图226合金(4)，结晶过程示意图如图233所示。合金在12点之间按匀晶过程转变为单相奥氏体组织。在23点之间为单相奥氏体的冷却过程。自3点开始，由于奥氏体的溶碳能力降低，奥氏体晶界处析出Fe3C。温度在34之间，随着温度不断降低，析

62、出的二次渗碳体量也逐渐增多，与此同时，奥氏体的含碳量也逐渐沿ES线降低。当冷到727（4点)时，奥氏体的成分达到S点，于是发生共析转变AP（F+Fe3C)，形成珠光体。从4点以下直到室温，合金组织变化不大。因此常温下过共析钢的显微组织由珠光体和网状二次渗碳体组成，如图234所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 图233过共析钢结晶过程示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 图234wC为1.2%的过共析钢的显微组织图(500) 第2章金属材料的凝固与结晶 (5)共晶白口铸铁。合金(5)在1点发生共晶反应，由莱氏体转变为(高温)莱氏体，即 在12之间，奥氏体中的碳含量逐渐降低，从奥氏体中不断析出二次渗

63、碳体Fe3C。但是Fe3C依附在共晶Fe3C上析出并长大，无界线相隔，所以在显微镜下也难以分辨。至2点温度时,共晶奥氏体的碳含量为0.77%，在恒温下发生共析反应转变，即共晶奥氏体转变为珠光体。(高温)莱氏体Ld转变成(低温)莱氏体Ld(P+Fe3C)。此后的降温过程中，虽然铁素体也会析出Fe3C，但是数量很少，而且组织不再发生变化，所以室温平衡组织仍为Ld，图235为其平衡结晶过程示意图，最后室温下的组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上，如图236(b)所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 图235白口铸铁部分典型合金结晶过程分析示意图 第2章金属材料的凝固与结晶 图236白口铸铁的显微组织图

64、(200)(a)亚共晶白口铸铁；(b)共晶白口铸铁；(c)过共晶白口铸铁 第2章金属材料的凝固与结晶 合金(6)在结晶过程中，在12点之间按匀晶转变结晶出初晶（或先共晶）奥氏体，奥氏体的成分沿JE线变化，而液相的成分沿BC线变化，当温度降至2点时，液相成分达到共晶点C，于是在恒温（1148）下发生共晶转变，即 第2章金属材料的凝固与结晶 形成(高温)莱氏体。当温度冷却至23点温度区间时，从奥氏体（初晶和共晶）中都析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的析出，奥氏体的成分沿着ES线不断降低，当温度达到3点（727）时，奥氏体的成分也达到了S点，在恒温下发生共析转变，且所有的奥氏体均转变为珠光体。图235

65、为其平衡结晶过程示意图，最后室温下的组织为珠光体、二次渗碳体和(低温)莱氏体(图236(a)，图中大块黑色部分是由初晶奥氏体转变成的珠光体，由初晶奥氏体析出的二次渗碳体与共晶渗碳体连成一片，因此难以分辨。 第2章金属材料的凝固与结晶 图235为合金(7)平衡结晶过程示意图，在结晶过程中，该合金在12温度区间从液体中结晶出粗大的先共晶渗碳体，称为一次渗碳体Fe3C。随着一次渗碳体量的增多，液相成分沿着线DC变化。当温度降至2点时，液相成分达到C，于是在恒温（1148）下发生共晶转变，即 形成(高温)莱氏体。当温度冷却至23点温度区间时，共晶奥氏体先析出二次渗碳体，然后在恒温（727）下发生共析转

66、变，形成珠光体。因此，过共晶白口铸铁室温下的组织为一次渗碳体和(低温)莱氏体，其显微组织如图236(c)所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 3 3含碳量对含碳量对FeFeC C合金组织及性能的影响合金组织及性能的影响1）含碳量对平衡组织的影响根据以上分析结果，不同含碳量的铁碳合金在平衡凝固时可以得到不同的室温组织。根据杠杆定律，可以求得缓冷后铁碳合金的相组成物及组织组成物与含碳量间的定量关系，计算结果如图237所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 图237铁碳合金的成分与组织和相的对应关系图 第2章金属材料的凝固与结晶 2）含碳量对力学性能的影响不同含碳量的铁碳合金具有不同的组织，因而也具有不同

67、的性能。在铁碳合金中，渗碳铁是硬脆的强化相，而铁素体则是柔软的韧性相。硬度主要取决于组织中组成相的硬度及相对量，组织形态的影响相对较小。随碳含量的增加，Fe3C也增多，所以合金的硬度呈直线关系增大，由全部为F时的硬度约80HB增大到全部为Fe3C时的硬度约800HB。合金的塑性变形全部由F提供，所以随碳含量的增大，当F量不断减少时，合金的塑性在连续下降，这也是高碳钢和白口铸铁脆性高的主要原因。 第2章金属材料的凝固与结晶 强度是一个对组织形态很敏感的性能。如果合金的基体是铁素体，则随渗碳体数量的增多及分布越均匀，材料的强度也就越高。但是，当渗碳体相分布在晶界，特别是作为基体时，材料的强度将会大

68、大下降。含碳量对碳钢力学性能的影响如图238所示。 第2章金属材料的凝固与结晶 图238碳钢力学性能与含碳量的关系图 第2章金属材料的凝固与结晶 工业纯铁含碳量很低，可认为是由单相铁素体构成的，故其塑性、韧性很好，强度和硬度很低。亚共析钢组织是由铁素体和珠光体组成的。随着含碳量的增加，组织小的珠光体量也相应增加，钢的强度和硬度直线上升，而塑性指标相应降低。共析钢的缓冷组织由片层状的珠光体构成。由于渗碳体是一个强化相，这种片层状的分布使珠光体具有较高的硬度与强度，但塑性指标较低。 第2章金属材料的凝固与结晶 过共析钢缓冷后的组织由珠光体与二次渗碳体所组成。随含碳量的增加，脆性的二次渗碳体数量也相

69、应增加，到约0.9C时Fe3C沿晶界形成完整的网，强度便迅速降低，且脆性增加。所以，工业用钢中的含碳量一般不超过1.3%1.4。白口铸铁由于组织中存在较多的渗碳体，因而在性能上显得特别脆而硬，难以切削加工，主要用作耐磨材料。 第2章金属材料的凝固与结晶 4 4铁碳相图的应用铁碳相图的应用FeFe3C相图对生产实践颇有意义，除了可作为选用材料的重要依据外，还可作为制定铸造、锻压、热处理等热加工工艺的依据。其应用举例说明如下:1）在钢铁材料选用方面的应用FeFe3C相图所表明的成分组织性能的规律，为钢铁材料的选用提供了根据。例如，建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此宜选用碳含量较低的钢材

70、。一些要求强度、塑性及韧性都较好的机械零件则应选用碳含量适中的中碳钢。而各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则应该选择碳含量较高的钢种。 第2章金属材料的凝固与结晶 纯铁的强度低，不宜用作结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如电磁铁的铁芯等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性和铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。 第2章金属材料的凝固与结晶 2 2）在铸造工艺方面的应用）在铸造工艺方面的应用根据FeFe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50100。其次，

71、从相图上可以看出，纯铁和共晶成分的铁碳合金，由于凝固温度区间小，因而流动性好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，易于获得致密的铸件。另外，共晶成分合金结晶温度较低，因此在铸造生产中接近于共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。 第2章金属材料的凝固与结晶 铸钢也是常用的铸造合金，含碳量一般在0.150.6之间。但是从FeFe3C相图的分析中可看出，铸钢的铸造性能并不是很理想。首先，铸钢的凝固温度区间较大，因此流动性较差，容易形成分散缩孔，而且偏析倾向比较严重。此外，铸钢的浇铸温度也比铸铁高得多。铸钢在机器制造业中，用于制造一些形状复杂，难以进行锻造或切削加工，而又要求较高强度和塑性的零件。因此，近年来

72、在铸造生产中，有以球墨铸铁部分代替铸钢的趋势。 第2章金属材料的凝固与结晶 3）在热锻、热轧工艺方面的应用处于奥氏体状态下，钢的强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制一般选在单相奥氏体区内进行。始锻、始轧温度常控制在固相线以下100200范围内。此时，钢的变形抗力较小，对设备吨位的要求较低，但温度过高可能造成钢材严重烧损或发生晶界熔化(过烧)。终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而开裂。亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线(图226)以上，以免形成带状组织降低钢的韧性。过共析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点，这样可以把网状二次渗碳体打碎。终止温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大，使热

73、加工后的组织也粗大。一般钢的始锻温度为11501250，终锻温度为750850。 第2章金属材料的凝固与结晶 4）在热处理工艺方面的应用FeFe3C相图对于制定热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据FeFe3C相图确定的。5 5铁碳相图的局限性铁碳相图的局限性铁碳相图的应用很广，为了正确掌握它的应用，必须了解其局限性，主要体现在以下几方面：（1）FeFe3C相图反映的是平衡相，而不是组织。相图能给出平衡条件下的相、相的成分和各相的相对重量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。关于不同成分的铁碳合金的组织，必须分析其动力学规律和结晶过程才能有具

74、体了解。 第2章金属材料的凝固与结晶 （2）FeFe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态。实际生产中应用的钢和铸铁，除了铁和碳以外，往往含有或有意加入了其他元素。在其他元素含量较高时，相图将发生重大变化。因此,严格地说，在这样的条件下铁碳相图已不完全适用。（3）FeFe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，并没有反映时间的作用。只有在非常缓慢地冷却或加热，或者在长期保温的情况下才能达到相的平衡。当冷却加热速度较快时，则不能用相图来分析问题。 必须指出，对于普通的钢和铸铁，在不违背平衡的情况下，例如在炉中冷却,甚至在空气中冷却时，铁碳相图的应用是有足够的可靠性和准确度的。而对于特殊的钢和铸铁，或在距平衡条件较远的情况下，虽然FeFe3C相图误差较大，但它仍然是考虑问题的依据。