第2章 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)

.,2.1金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1.2純金屬的結(jié)晶2.1.3金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)2.2鐵碳合金相圖2.2.1二元合金相圖種類2.2.2鐵碳合金相圖,第2章金屬材料的組織結(jié)構(gòu),物質(zhì)由原子、分子或離子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。,原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。,C60,金屬鍵,.,2.1金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,2.1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、基本概念晶體：原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體：原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。,晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣。,晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。,晶格常數(shù)：各棱邊的尺寸a、b、c；夾角、。,晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a1=a2=a3c，=90，=120,原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。,配位數(shù):晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目.致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分數(shù)。,.,二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。,具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。,體心立方晶格,體心立方晶格,體心立方晶格的參數(shù),.,體心立方晶格,原子個數(shù)：2配位數(shù)：8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常數(shù)：a(a=b=c),原子半徑：,面心立方晶格,面心立方晶格,面心立方晶格的參數(shù),.,原子個數(shù)：4配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常數(shù)：a,面心立方晶格,密排六方晶格,密排六方晶格,密排六方晶格的參數(shù),.,原子個數(shù)：6配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：Mg、Zn、Be、Cd等,晶格常數(shù)：底面邊長a和高c，c/a=1.633,密排六方晶格,.,2、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu),單晶體與多晶體單晶體：由一個核心（稱為晶核）生長而成的晶體。特征：同一位向如金剛石、水晶單晶硅等。,.,多晶體：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。,晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。,晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類,即點、線、面缺陷。,點缺陷：空間三維方向上尺寸都很小的缺陷。,空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。間隙原子：擠進晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。,點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變，從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。,.,線缺陷：在三維尺寸的兩個方向上尺寸很小，另一個方向上尺寸較大的缺陷；晶體中的位錯是典型的線位錯。晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯；分為刃型位錯和螺型位錯。,.,刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“”表示。半原子面在滑移面以下的稱負位錯，用“”表示。,位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯密度為1041012/cm2；位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。,電子顯微鏡下的位錯觀察,.,面缺陷：在三維尺寸的一個方向上尺寸很小，另兩個方向上尺寸較大的缺陷，主要有晶界與亞晶界兩種。晶界是不同位向晶粒間的過度部位，寬度為510個原子間距，位向差一般為2040。亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(102)的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。,原子排列不規(guī)則.熔點低。耐蝕性差。易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。阻礙位錯運動，是強化部位，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒。是相變的優(yōu)先形核部位。,.,晶體缺陷對金屬材料帶來的性能影響：缺陷的存在對金屬的物理性能和機械性能都有一定的影響，利用缺陷強化金屬。點缺陷：存在對金屬的物理性能和力學(xué)性能都有一定影響，尤其影響晶體的電阻和晶體密度最顯著?？蛇_到固溶強化（強度、硬度提高，塑性、韌性降低）；線缺陷：大量位錯互相纏結(jié)，交織在一起，阻礙塑性變形，造成金屬強化稱加工硬化（強度、硬度提高，塑性、韌性降低）；面缺陷：細晶強化（強度、硬度提高，塑性、韌性改善）。,.,2.1.2純金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結(jié)晶。物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變，結(jié)晶過程是相變過程。,.,一、金屬結(jié)晶的基本規(guī)律1、純金屬的結(jié)晶條件金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對應(yīng)的溫度稱實際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱引起的。,純金屬的冷卻曲線,.,純金屬都有一個理論結(jié)晶溫度T0（熔點或平衡結(jié)晶溫度）。在該溫度下,液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在T0以下的實際結(jié)晶溫度下才能進行。,純金屬的冷卻曲線,液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差T稱為過冷度，T=T0T1。過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。,.,2、純金屬的結(jié)晶過程,（1）結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成.液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散，稱為晶胚。在T0以下,經(jīng)一段時間后,一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。,晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。,.,（2）晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核,非均勻形核更為普遍。（3）晶核的長大方式晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。其中，主要以樹枝狀長大方式長大。,.,均勻長大：在正溫度梯度下，晶體生長以平面狀態(tài)向前推進。,.,實際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大。因為存在負溫度梯度，且晶核棱角處散熱好，生長快，先形成一次軸，一次軸產(chǎn)生二次軸，樹枝間最后被填充。,負溫度梯度,.,樹枝狀長大,.,樹枝狀長大的實際觀察(定向凝固),.,二、晶粒大小及其控制,1、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度，可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。,標準晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標準圖對照來評級。,.,2、決定晶粒度的因素晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長大速度。,單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時間內(nèi)晶核生長的長度叫長大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細小。因此，凡是促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒。,.,3、控制晶粒度的方法,控制過冷度：隨過冷度增加，N/G值增加，晶粒變細。,Al-Si合金組織,.,變質(zhì)處理：又稱孕育處理，即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑（或稱孕育劑）。,鑄鐵變質(zhì)處理前后的組織,變質(zhì)處理使鑄鐵中石墨細化。變質(zhì)劑為硅鐵或硅鈣合金。,.,電磁攪拌細化晶粒示意圖,超聲振動細化晶粒示意圖,振動、攪拌等:對正在結(jié)晶的金屬進行振動或攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。,.,氣輪機轉(zhuǎn)子的宏觀組織(縱截面),.,4、晶粒大小對金屬性能的影響,常溫下，晶粒越細，晶界面積越大，因而金屬的強度、硬度越高，同時塑性、韌性也越好，即細晶強化。高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動，因而細晶粒無益；但晶粒太粗易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因而高溫下晶粒過大、過小都不好。,.,2.1.3金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于相變之一固態(tài)相變。,物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,1、鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化：,.,-Fe、-Fe為體心立方結(jié)(BCC)，-Fe為面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)；都是鐵的同素異構(gòu)體。,.,2.1.4合金的晶體結(jié)構(gòu),合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)；組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組元是指組成合金的最基本、能夠獨立存在的物質(zhì)。多數(shù)情況下，組元是指組成合金的元素。但對于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元,如Fe-C合金中的Fe3C。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。顯微組織是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。,.,1固溶體,合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相稱固溶體。用、表示。與固溶體晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相,實際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。,.,置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。間隙固溶體：溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。,.,固溶體的溶解度溶質(zhì)原子在固溶體中極限濃度。溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體。組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。組成元素原子半徑、電化學(xué)性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才可能形成無限固溶體.間隙固溶體都是有限固溶體。,.,固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度增加，塑性、韌性下降稱作固溶強化。產(chǎn)生固溶強化的原因：溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對位錯的釘扎作用.與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低;與金屬化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。,固溶體合金成分與性能關(guān)系,.,2金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。,合金中出現(xiàn)金屬化合物，可提高其強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。,.,正常價化合物符合正常原子價規(guī)律，如Mg2Si。電子化合物符合電子濃度規(guī)律，如Cu3Sn。電子濃度為價電子數(shù)與原子數(shù)的比值。間隙化合物由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。,.,2.2鐵碳合金相圖合金的結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜，常用相圖進行分析.相圖是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過程的簡明圖解，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造及熱處理等工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。,.,二元相圖的建立：,幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。,.,二元相圖的建立步驟為：以Cu-Ni合金為例1.配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點（停歇點或轉(zhuǎn)折點）。2.將臨界點標在溫度-成分坐標中的成分垂線上。,3.將垂線上相同意義的點連接起來，并標上相應(yīng)的數(shù)字和字母。,相圖中，結(jié)晶開始點的連線叫液相線。結(jié)晶終了點的連線叫固相線。,.,2.2.1二元合金相圖種類,兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶形成單一均勻固溶體時所構(gòu)成的相圖稱二元勻晶相圖。以Cu-Ni合金為例進行分析。,1、勻晶相圖,相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L，固相線以下為固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+）。,.,合金的結(jié)晶過程除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過程相似，以合金為例說明。,當液態(tài)金屬自高溫冷卻到t1溫度時，開始結(jié)晶出成分為1的固溶體，其Ni含量高于合金平均成分。,這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。,.,隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。,當合金冷卻到t3時，最后一滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時固溶體的成分又變回到合金成分3上來。液固相線不僅是相區(qū)分界線,也是結(jié)晶時兩相的成分變化線；勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。,.,杠桿定律處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量。確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當于溫度t的o點作水平線，其與液固相線交點a、b所對應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。確定兩平衡相的相對重量：設(shè)合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q,則QL+Q=1QLx1+Qx2=x解方程組得：,.,上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相平衡區(qū)。例題（如圖）,.,枝晶偏析合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實際冷速較快，結(jié)晶時固相中的原子來不及擴散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。,在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重。枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。,生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200長時間保溫，以使原子充分擴散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴散退火。,.,Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織,平衡組織,枝晶偏析組織,.,2、共晶相圖,當兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作共晶相圖。（以Pb-Sn相圖為例進行分析）相：相圖中有L、三種相,是溶質(zhì)Sn在Pb中的固溶體，是溶質(zhì)Pb在Sn中的固溶體。相區(qū)：三個單相區(qū)：L、；三個兩相區(qū)：L+、L+、+；一個三相區(qū)：即水平線CED。,.,固溶線:溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶線。,液、固相線:液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點。,和固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。,共晶線：水平線CED叫做共晶線。在共晶線對應(yīng)的溫度下(183)，E點成分的合金同時結(jié)晶出C點成分的固溶體和D點成分的固溶體，形成這兩個相的機械混合物：LE(C+D),.,共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點。具有共晶成分的合金稱共晶合金。共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金；位于共晶點以右的合金稱過共晶合金。凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度時都將發(fā)生共晶反應(yīng)。,在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩個成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。,.,合金的結(jié)晶過程含Sn量小于C點合金(合金)的結(jié)晶過程在3點以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相固溶體,這種直接從液相中結(jié)晶出的固相稱一次相或初生相。,溫度降到3點以下，固溶體中Sn過飽和，開始析出新相相。由已有固相析出的新固相稱二次相或次生相。由析出的二次用表示。隨溫度下降，和相的成分分別沿CF線和DG線變化。,.,合金室溫組織為+。,成分大于D點合金結(jié)晶過程與合金相似,室溫組織為+。,.,共晶合金(合金)的結(jié)晶過程液態(tài)合金冷卻到E點時,發(fā)生共晶反應(yīng)：LE(C+D)。,共晶結(jié)束后，隨溫度下降，和的成分分別沿CF線和DG線變化，并從共晶中析出，從共晶中析出，由于共晶組織細,與共晶結(jié)合，與共晶結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為(+)共晶體。,.,析出過程中兩相相間形核、互相促進、共同長大，因而共晶組織較細，呈片、棒、點球等形狀。,層片狀(Al-CuAl2定向凝固),條棒狀(Sb-MnSb橫截面),螺旋狀（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶組織,.,亞共晶合金(合金)的結(jié)晶過程合金液體在2點以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點，固相成分變化到C點，液相成分變化到E點，在2點，具有E點成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)：L(+)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織。溫度繼續(xù)下降，將從一次和共晶中析出，從共晶中析出。其室溫組織為+(+)+。,.,過共晶合金結(jié)晶過程與亞共晶合金相似,不同的是一次相為,二次相為。室溫組織為+(+)+。,.,Pb-Sn合金的結(jié)晶過程,.,組織組成物在相圖上的標注組織組成物是指組成合金顯微組織的獨立部分。將組織組成物標注在相圖中，可使所標注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。相與相之間的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如、和共晶的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同組織組成物。,.,組織組成物在相圖上的標注,.,3、包晶相圖,當兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作包晶相圖。以Pt-Ag相圖為例簡要分析：,相圖分析單相區(qū)：L、二相區(qū)：L+、L+、+三相區(qū)：L+（水平線PDC）,.,在一定溫度下，由一個液相包著一個固相生成另一新固相的反應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。,水平線PDC稱包晶線，與該線成分對應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)：LC+PD。該反應(yīng)是液相L包著固相,新相在L與的界面上形核，并向L和兩個方向長大。,.,合金的結(jié)晶過程包晶成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織：+II,.,PD成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織：+II+II,.,DC成分合金：勻晶包晶勻晶二次析出室溫組織：+II。,.,最常見的共析轉(zhuǎn)變是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變:SP+Fe3C。(奧氏體，鐵素體，F(xiàn)e3C滲碳體),4、共析相圖共析反應(yīng)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結(jié)構(gòu)完全不同新固相的過程。+共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。,.,共析相圖與共晶相圖相似，對應(yīng)的有共析線（PSK線）、共析點（S點）、共析溫度、共析成分、共析合金（共析成分合金）、亞共析合金,（共析線上共析點以左的合金）、過共析合金（共析線上共析點以右的合金）。,鐵碳合金相圖,.,共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體(鐵碳合金中的共析體稱珠光體)，也是兩相的機械混合物(鐵素體+滲碳體)。與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相。另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過冷度大，因而共析組織比共晶組織細。,珠光體,.,5、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖,穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相圖中是一條垂線(代表一個單相區(qū))。垂足是其成分,頂點是其熔點,結(jié)晶過程同純金屬。,分析這類相圖時，可把穩(wěn)定化合物當作純組元看待，將相圖分成幾個部分進行分析。,.,常見三相等溫水平線上的反應(yīng),.,.,2.2.2鐵碳合金相圖,鐵碳合金碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量為0.0218%2.11%的稱鋼；含碳量為2.11%6.69%的稱鑄鐵。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，是制定熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù)。,.,鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，合金太脆，已無實用價值。實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。,.,一、鐵碳合金的組元和相,碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體，用F或表示；碳在-Fe中的固溶體稱-鐵素體，用表示。是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低，在727時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多面體晶粒；性能與純鐵相似，屬軟韌相，和HB不高，塑性好。,組元：Fe、Fe3C相鐵素體：,.,奧氏體:碳在-Fe中的固溶體稱奧氏體，用A或表示，是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148時最大,為2.11%；在727時最小，為0.0218%。,組織為不規(guī)則多面體晶粒,晶界較直。強度低、塑性好，鋼材熱加工都在區(qū)進行。碳鋼室溫組織中無奧氏體。,.,滲碳體：即Fe3C，含碳量為6.69%，用Fe3C或Cm表示。組織形態(tài)：從液相中直接結(jié)晶出的一次滲碳體，一般呈板條狀；固相中析出的二次滲碳體，一般呈網(wǎng)狀分布；共析體中滲碳體一般呈薄片狀；實際熱處理狀態(tài)下的滲碳體還有球狀、粒狀、棒狀。,.,性質(zhì)：Fe3C硬度高、強度低，脆性大，塑性幾乎為零。Fe3C是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C（石墨），該反應(yīng)對鑄鐵有重要意義。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。,.,二、鐵碳合金相圖的分析,特征點,.,特征線液相線ABCD，固相線AHJECFD三條水平線：HJB：包晶線LB+HJ；ECF：共晶線LCE+Fe3C；共晶產(chǎn)物是與Fe3C的機械混合物，稱作萊氏體；727以上的萊氏體稱高溫萊氏體用Ld或Le表示；727以下的萊氏體稱低溫萊氏體，用Ld或Le表示。性能接近于滲碳體，硬而脆。,萊氏體,.,PSK：共析線（又稱A1線）SFP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是F與Fe3C的機械混合物，稱作珠光體，用P表示。,珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布，性能介于兩相之間。,掃描電鏡形貌,.,其它相線GS、GP固溶體轉(zhuǎn)變線。其中：GS又稱A3線，是冷卻時向轉(zhuǎn)變的起始線；GP是冷卻時向轉(zhuǎn)變的終了線。HN、JN固溶體轉(zhuǎn)變線。ES碳在-Fe中的固溶線，又稱Acm線。PQ碳在-Fe中的固溶線。,.,三個三相區(qū)：即HJB（L+）、ECF（L+Fe3C）、PSK（+Fe3C）三條水平線,相區(qū)五個單相區(qū)：L、Fe3C七個兩相區(qū):L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C,.,對于Fe-Fe3C相圖中左上角包晶反應(yīng)部分，通常對實際生產(chǎn)沒有多大意義，為便于研究可以將其簡化，忽略該反應(yīng)。,.,三、典型合金的平衡結(jié)晶過程,鋼：0.02182.11%C亞共析鋼：0.02180.77%C；共析鋼：0.77%C；過共析鋼：0.772.11%C；白口鑄鐵：2.116.69%C鑄造性能好，硬而脆；亞共晶白口鑄鐵：2.114.3%C；共晶白口鑄鐵：4.3%C；過共晶白口鑄鐵：4.36.69%C；,鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：工業(yè)純鐵（L+A-A-A+P-P合金液體在1-2點間轉(zhuǎn)變?yōu)?；到S點發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：SP+Fe3C,全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。,珠光體在光鏡下呈指紋狀轉(zhuǎn)變結(jié)束時，珠光體中相的相對重量百分比為：珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。S點以下，共析中析出Fe3C，與共析Fe3C結(jié)合不易分辨。室溫組織為P.,.,共析鋼的結(jié)晶過程,.,室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？,.,亞共析鋼的結(jié)晶過程0.090.53%C亞共析鋼冷卻時發(fā)生包晶反應(yīng)。以0.45%C的鋼為例：L-L+A-A-A+F-A+P+F-P+F合金在4點以前通過勻晶包晶勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳。到4點，由A中析出F。,到5點，A成分沿GS線變到S點，A發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，F(xiàn)中析出Fe3C，由于與共析Fe3C結(jié)合,且量少,忽略不計。,.,亞共析鋼的結(jié)晶過程,.,室溫下相的相對重量為：,室溫下組織組成物的相對重量為：,利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量：C%=P面積%0.77%(忽略中含碳量，P面積%=QP),共析溫度下相的相對重量為：共析溫度下組織組成物的相對重量為：,.,亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.02180.77%C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。,.,過共析鋼的結(jié)晶過程L-L+A-A-A+Fe3CII-P+Fe3CII合金在12點轉(zhuǎn)變?yōu)锳；到3點，開始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱二次滲碳體，用Fe3C表示，沿晶界呈網(wǎng)狀分布。溫度下降，F(xiàn)e3C量增加。,到4點，A成分沿ES線變化到S點，余下的A轉(zhuǎn)變?yōu)镻。過共析鋼室溫組織:P+Fe3C。,含1.4%C鋼的組織,.,過共析鋼的結(jié)晶過程,.,室溫下兩相的相對重量百分比：,室溫下兩組織組成物相對重量百分比:,.,共晶白口鐵的結(jié)晶過程L-Ld(AE+Fe3C)-Ld(A+Fe3C+Fe3CII)-Ld(P+Fe3CII+Fe3C)液相冷卻到C點發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體Le，Le是共晶與共晶Fe3C的機械混合物，呈蜂窩狀。共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時，兩相的相對重量百分比？C點以下，成分沿ES線變化，共晶將析出Fe3C。Fe3C與共晶Fe3C結(jié)合，不易分辨。在2點，共晶發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由P與Fe3C組成的共晶體稱低溫萊氏體，用Le表示。2點以下，共晶體中珠光體的變化同共析鋼。共晶白口鐵室溫組織為Le。室溫下兩相的相對重量百分比？,.,共晶白口鐵的結(jié)晶過程,.,亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程LL+ALd+ALd+A+Fe3CIILd+P+Fe3CII合金在12點間析出；到2點，液相成分變到C點，并轉(zhuǎn)變?yōu)長e；23點之間從中析出Fe3C；到3點，轉(zhuǎn)變?yōu)镻。亞共晶白口鐵室溫組織為P+Fe3C+Le。室溫下組織組成物相對重量百分比？室溫下相的相對重量百分比?,.,亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程,.,過共晶白口鐵的結(jié)晶過程LL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C12點之間從液相中析出Fe3C,這種滲碳體稱一次滲碳體，用Fe3C表示，呈板條片狀。到2點，余下的液相成分變到C點并轉(zhuǎn)變?yōu)長e。2點以下，F(xiàn)e3C成分重量不再變化，Le變化同共晶合金。其室溫組織為Fe3C+Le。,.,過共晶白口鐵的結(jié)晶過程,.,組織組成物與相組成物標注區(qū)別主要在+Fe3C和+Fe3C兩個相區(qū)。+Fe3C相區(qū)中有四個組織組成物區(qū)，+Fe3C相區(qū)中有七個組織組成物區(qū)。,組織組成物在鐵碳合金相圖上的標注,.,.,鋼的分類、組織組成與