材料科學基礎理論知識

1、1.晶體與非晶體 晶體：其原子或分子在空間按一定規(guī)律周期重復地排列的物晶體：其原子或分子在空間按一定規(guī)律周期重復地排列的物 質。晶體是長程有序的，具有一定的熔點，物理性質在不同質。晶體是長程有序的，具有一定的熔點，物理性質在不同方向上不同，各向異性方向上不同，各向異性 非晶體：內(nèi)部質點整體上無序排列，沒有固定的熔點，物理非晶體：內(nèi)部質點整體上無序排列，沒有固定的熔點，物理性質各向同性。最常見的如玻璃、松香等性質各向同性。最常見的如玻璃、松香等材料科學基礎理論知識材料科學基礎理論知識空間點陣、晶格、晶包將晶體中的各原子或分子簡化為點，這些點在空間的分將晶體中的各原子或分子簡化為點，這些點在空間的

2、分布稱為點陣，各個點稱為陣點布稱為點陣，各個點稱為陣點將陣點用直線連接起來構成的空間格架稱為晶格，其中將陣點用直線連接起來構成的空間格架稱為晶格，其中能保持點陣特征的基本單元稱為晶胞。能保持點陣特征的基本單元稱為晶胞。典型金屬的晶體結構18/1 體心立方結構體心立方結構bac具有體心立方晶格的金屬有鉀（K）、鉬（Mo)、鎢（W）、釩（V）、-鐵（-Fe，912）等面面心心立立方方結結構構8/12/1金屬原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心，具有這種晶格的金屬有鋁（Al）、銅（Cu）、鎳（Ni）、金（Au）、銀（Ag）、-鐵（-Fe，9121394）等6/12/11六角密排六角密排結構結構a

3、cb它的晶胞形狀是它的晶胞形狀是個正六角柱體，在六角柱體的十二個角上各個正六角柱體，在六角柱體的十二個角上各有有個原子，每個原子為相鄰的六個晶胞所共有，具有這種品個原子，每個原子為相鄰的六個晶胞所共有，具有這種品格類型的金屬有：鎂、鋅、鈹、鈦格類型的金屬有：鎂、鋅、鈹、鈦(a-Ti)等。等。2 2 金屬及合金的結晶金屬及合金的結晶凝固：凝固：由液態(tài)向固態(tài)轉變的過程由液態(tài)向固態(tài)轉變的過程 結晶：結晶：由液態(tài)物質轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程由液態(tài)物質轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程理論結晶溫度：冷卻速度極為緩慢的平衡結晶溫理論結晶溫度：冷卻速度極為緩慢的平衡結晶溫度。實際結晶溫度要小于理論結晶溫度度。實際結晶溫度要小

4、于理論結晶溫度結晶的能量條件：結晶的能量條件：液態(tài)金屬的自由能大于固態(tài)金液態(tài)金屬的自由能大于固態(tài)金屬的自由能，即屬的自由能，即F=F液液-F固固，即液態(tài)金屬的實際，即液態(tài)金屬的實際結晶溫度低于理論結晶溫度，差值越大，相變驅結晶溫度低于理論結晶溫度，差值越大，相變驅動力越大，結晶越容易。動力越大，結晶越容易。金屬：金屬：是一種具有光澤、富有延展性、容易導電、導熱等性質的物質。在自然界中，絕大多數(shù)金屬以化和態(tài)在，是氧化物及硫化物。金屬之間的連結是金屬鍵，因此隨意更換位置都可再重新建立連結，這也是金屬伸展性良好的原因。金 屬 的 結 晶：將純金屬熔化為液體，緩慢冷卻，隔一段時間記錄一次溫度，繪制溫度

5、隨時間的冷卻曲線C LT0T1S0T0T0：理論結晶溫度：理論結晶溫度T1T1：實際結晶溫度：實際結晶溫度 T=T0-T1T=T0-T1（過冷度）（過冷度）金屬結晶過程需要一定的驅動力即過冷度金屬結晶過程需要一定的驅動力即過冷度TT，以克，以克服界面能，過冷度與金屬本性以及液態(tài)金屬的冷卻服界面能，過冷度與金屬本性以及液態(tài)金屬的冷卻速度有關。結晶進行時液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時放出大量速度有關。結晶進行時液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時放出大量的潛熱。的潛熱。金 屬 與 合 金的 結 晶 過 程：純金屬的結晶在某一固定溫度上進行，而合金的結晶溫度則在一定溫度范圍內(nèi)進行，因此結晶時的溫度呈緩慢下降。Ca bLsL+s0a

6、a：結晶開始點：結晶開始點 b b：結晶終了點：結晶終了點 合金的結晶是在一個合金的結晶是在一個溫度范圍內(nèi)完成。溫度范圍內(nèi)完成。金 屬 的 結 晶過程結晶的必要條件結晶的必要條件-過冷度，驅過冷度，驅動力動力金屬的結晶過程：金屬的結晶過程： 原子團原子團 形核形核 晶核長大晶核長大 小晶粒小晶粒 晶粒（外形不規(guī)則的晶粒（外形不規(guī)則的小晶體）小晶體）晶體液體液體金 屬 的 結 晶（1 1）形核過程形核過程兩種形核方式兩種形核方式 自發(fā)形核自發(fā)形核 與與 非自發(fā)形核非自發(fā)形核自發(fā)形核：由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核自發(fā)形核：由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。尺寸后

7、形成的結晶核心。非自發(fā)形核非自發(fā)形核 是依附于外來雜質上生成的晶核。是依附于外來雜質上生成的晶核。金屬材料的結晶主要是非自發(fā)形核。金屬材料的結晶主要是非自發(fā)形核。（2 2）晶核長大過程）晶核長大過程兩種長大方式兩種長大方式 平面生長平面生長 與與 樹枝狀生長樹枝狀生長。平面生長平面生長樹枝狀生長樹枝狀生長平面生長：固液界面處液體的過冷度最大，固液界面處固液界面處液體的過冷度最大，固液界面處固體結晶時發(fā)生突起們就會深入到溫度較高固體結晶時發(fā)生突起們就會深入到溫度較高的液體內(nèi)部，結晶受到抑制，減慢甚至停止的液體內(nèi)部，結晶受到抑制，減慢甚至停止，液固界面保持穩(wěn)定的平面形狀。，液固界面保持穩(wěn)定的平面形

8、狀。枝狀生長界面前方遇到溫度比它更低的液體，固液界界面前方遇到溫度比它更低的液體，固液界面上產(chǎn)生的突起深入到溫度更低的液體內(nèi)，面上產(chǎn)生的突起深入到溫度更低的液體內(nèi)，突起快速生長，形成晶軸，在新的晶軸伸出突起快速生長，形成晶軸，在新的晶軸伸出新的突起，逐漸長大，這樣的生長類似于樹新的突起，逐漸長大，這樣的生長類似于樹枝的生長。枝的生長。 定向凝固：利用合金凝固時晶粒沿熱流相反方向生長的原定向凝固：利用合金凝固時晶粒沿熱流相反方向生長的原理，控制熱流方向，使鑄件沿規(guī)定方向結晶的鑄造技術。理，控制熱流方向，使鑄件沿規(guī)定方向結晶的鑄造技術。大多數(shù)金屬合金晶體屬于枝狀生長大多數(shù)金屬合金晶體屬于枝狀生長

9、定向凝固由于消除了橫向晶界，從而提高了材料抗高溫性能和單向力學性能 定向凝固鑄件的組織主要為柱狀 美國自美國自19651965年就在年就在普拉特普拉特惠特尼航空公司惠特尼航空公司采用高溫合金采用高溫合金定向凝固定向凝固技術，這項技術已技術，這項技術已經(jīng)在許多國家得到應用。采用定向凝固技經(jīng)在許多國家得到應用。采用定向凝固技術可以生產(chǎn)具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能較長術可以生產(chǎn)具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能較長的疲勞壽命較好的蠕變抗力和中溫塑性的的疲勞壽命較好的蠕變抗力和中溫塑性的薄壁空心渦輪葉片。應用這種技術能使渦薄壁空心渦輪葉片。應用這種技術能使渦輪葉片的使用溫度提高輪葉片的使用溫度提高1010302oc30

10、2oc，渦輪，渦輪進口溫度提高進口溫度提高2020602oc602oc，從而提高，從而提高發(fā)動發(fā)動機機的推力和可靠性，并延長使用壽命。的推力和可靠性，并延長使用壽命。 定向凝固技術最突出的成就是在航空工業(yè)中的應用，可以用于制備高溫合金鑄件3金屬及金屬合金的多樣性1538c1394c912c室溫室溫-Fe -Fe- Fe體心立方體心立方面心立方面心立方體心立方體心立方金屬的同素異構轉變的慨念金屬的同素異構轉變的慨念 金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變其金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變其晶體結構發(fā)生變化的現(xiàn)象。晶體結構發(fā)生變化的現(xiàn)象。 金屬的同素異構轉變的意義金屬的同素異構轉變的意義 可以用熱處理的方法即可

11、通過加可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達到改善材料性從而達到改善材料性 能的目的。能的目的。TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770鐵磁性A4A3A2金屬合金的多樣性 鐵的多型性轉變是鋼中固態(tài)相復雜多變的根源1538-13941538-1394（A4) A4) 為為 - -FeFe，bccbcc1394(A4)-9121394(A4)-912（A3)A3)為為 - -FeFe，fccfcc912(A3)-770912(A3)-770（A2)A2)為無磁性的為無磁性的 -

12、-FeFe，bccbcc770770度以下為磁性度以下為磁性 -Fe，F(xiàn)e-C形成多種固溶體、合金碳化物、金屬化合物導致金屬合金的多樣性合 金 的 結 構 概念概念 合金、組元、相；合金、組元、相； 固溶體：置換固溶體、間隙固溶體；固溶體：置換固溶體、間隙固溶體； 金屬化合物；金屬化合物； 機械混合物機械混合物 固溶強化的概念。固溶強化的概念。合金的結構概念合金：合金：由由兩種或兩種以上兩種或兩種以上的元素通過的元素通過熔煉熔煉后后 所獲得的新的物質仍然具有所獲得的新的物質仍然具有金屬特性金屬特性。組元：組元：組成合金的基本元素。組成合金的基本元素。相：相： 凡是成分相同、結構相同并與其他部凡

13、是成分相同、結構相同并與其他部 分有分有界面分開界面分開的均勻組成部分。的均勻組成部分。例如：例如：單一的液體單一的液體 單一的固相；單一的固相； 液相、固相兩相共存；液相、固相兩相共存；問題：問題： 水、油混裝在一個瓶子里，是幾個相？水、油混裝在一個瓶子里，是幾個相？ 將奶粉加開水沖一杯牛奶又是幾個相？將奶粉加開水沖一杯牛奶又是幾個相？鐵碳合金中的組織分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三類鐵碳合金中的組織分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三類合金的結構固溶體 固溶體：固溶體： 由兩種組元在液態(tài)與固態(tài)下彼此相互溶解后由兩種組元在液態(tài)與固態(tài)下彼此相互溶解后所組成的新的物質仍然保持其中某一組元的晶

14、體結構。所組成的新的物質仍然保持其中某一組元的晶體結構。 置換固溶體：置換固溶體：A A組元的原子取代了組元的原子取代了B B組元的原子。組元的原子。 當當A A、 B B兩個組元的原子直徑相差不大時，兩個組元可以以兩個組元的原子直徑相差不大時，兩個組元可以以任何比例溶解，形成無限固溶體，反之則為有限固溶體。任何比例溶解，形成無限固溶體，反之則為有限固溶體。 間隙固溶體：間隙固溶體：A A組元溶入組元溶入B B組元的的間隙中。只能形成組元的的間隙中。只能形成有限固溶體。有限固溶體。 例如：例如：c c溶入溶入-Fe-Fe或或-Fe -Fe 所形成的鐵素體、奧氏體。所形成的鐵素體、奧氏體。置換固

15、溶體和間隙固溶體的區(qū)別置換固溶體和間隙固溶體的區(qū)別固溶強化固溶強化由于溶質原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材料硬由于溶質原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。 溶質原子溶入溶質原子溶入晶格畸變晶格畸變位錯運動阻力上升位錯運動阻力上升金金屬塑性變形困難屬塑性變形困難強度、硬度升高強度、硬度升高合金的結構合金的結構固溶強化固溶強化 隨著溶質原子的增加，所形成的固溶體的強度、硬度升高隨著溶質原子的增加，所形成的固溶體的強度、硬度升高的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 例如：例如：純鐵與鋼的用途純鐵與鋼的用途 例如：例如： FeFe和和C C所形成的化

16、合物所形成的化合物FeFe3 3C C，就是一種典型的金屬化，就是一種典型的金屬化合物。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。表示其組成。合金的結構合金的結構金屬化合物金屬化合物鐵碳合金中的鐵碳合金中的Fe3C機械混合物 由兩種不同晶體結構的晶粒彼此機械混合組成，則稱它為由兩種不同晶體結構的晶粒彼此機械混合組成，則稱它為機械混合物。機械混合物。 它可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合。機械混合物各相保持原有的晶格，因此它們之間的混合。機械混

17、合物各相保持原有的晶格，因此，機械混合物的性能介于各組成相之間，它不僅取決于各，機械混合物的性能介于各組成相之間，它不僅取決于各相的性能和比例，還于各相的形狀、大小和分布有關。相的性能和比例，還于各相的形狀、大小和分布有關。 如鐵的固溶體和化合物碳化三鐵所組成的機械混合物，被如鐵的固溶體和化合物碳化三鐵所組成的機械混合物，被稱為珠光體，它具有較高的強度和硬度，又具有一定的塑稱為珠光體，它具有較高的強度和硬度，又具有一定的塑性和韌性。性和韌性。 鐵碳合金的基本組織鐵素體鐵素體F：碳溶解在碳溶解在FeFe中的間隙固溶體中的間隙固溶體( F( F）。塑性）。塑性 好、韌性好，強度、硬度低好、韌性好，

18、強度、硬度低。奧氏體奧氏體A：碳溶解在碳溶解在 Fe Fe中的間隙固溶體（中的間隙固溶體（A A）。塑）。塑 性好。性好。滲碳體滲碳體Fe3C ：鐵與碳形成的金屬化合物（鐵與碳形成的金屬化合物（FeFe3 3C C）。硬）。硬 度很度很 高（高（HBW=800HBW=800），塑性、韌性幾），塑性、韌性幾 乎為零乎為零。珠光體珠光體P：是奧氏體發(fā)生共析轉變所形成的鐵素體是奧氏體發(fā)生共析轉變所形成的鐵素體 與二次滲碳體的共析體（與二次滲碳體的共析體（P P）。）。萊氏體萊氏體L：是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉變所形成的奧氏是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉變所形成的奧氏 體與一次滲碳體的共晶體（體與一次滲碳體的

19、共晶體（LdLd），硬度），硬度 高，塑性差。高，塑性差。馬氏體：馬氏體(martensite)是黑色金屬材料的一種組織名稱，碳溶于-Fe的過飽和的固溶體，是奧氏體通過無擴散型相變轉變成的亞穩(wěn)定相，硬而脆。板條狀居多。 馬氏體（馬氏體（MM）的比熱容大于奧氏體、珠光體等組織，這是產(chǎn)）的比熱容大于奧氏體、珠光體等組織，這是產(chǎn)生淬火應力，導致變形開裂的主要原因。生淬火應力，導致變形開裂的主要原因。 馬氏體最初是在鋼（中、高碳鋼）中發(fā)現(xiàn)的：將鋼加熱到一馬氏體最初是在鋼（中、高碳鋼）中發(fā)現(xiàn)的：將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體定溫度（形成奧氏體常常為為260260）后經(jīng)迅速冷卻（淬火），）后經(jīng)迅速冷卻（淬

20、火），得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。 馬氏體在馬氏體在Fe-CFe-C相圖中沒有出現(xiàn)，因為它不是一種平衡組織。相圖中沒有出現(xiàn)，因為它不是一種平衡組織。平衡組織的形成需要很慢的冷卻速度和足夠時間的擴散，而平衡組織的形成需要很慢的冷卻速度和足夠時間的擴散，而馬氏體是在非常快的冷卻速度下形成的。馬氏體是在非?？斓睦鋮s速度下形成的。貝氏體：鋼過冷奧氏體的中溫(Ms550)轉變產(chǎn)物，-Fe和Fe3C 的復相組織，形狀似羽毛。 該組織具有較高的強韌性配合，硬度相同的情況下貝氏該組織具有較高的強韌性配合，硬度相同的情況下貝氏體組織的耐磨性明顯優(yōu)于馬氏體，可以達到

21、馬氏體的體組織的耐磨性明顯優(yōu)于馬氏體，可以達到馬氏體的1313倍，因此在鋼鐵材料中基體組織獲得貝氏體是人們倍，因此在鋼鐵材料中基體組織獲得貝氏體是人們追求的目標。追求的目標。 貝氏體等溫淬火：是將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏貝氏體等溫淬火：是將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉變溫度區(qū)間（體轉變溫度區(qū)間（260260400400）等溫保持，使奧氏體轉）等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)樨愂象w的淬火工藝，有時也叫等溫淬火；近十年來變?yōu)樨愂象w的淬火工藝，有時也叫等溫淬火；近十年來已經(jīng)開發(fā)出了低溫貝氏體，也是利用等溫淬火技術，不已經(jīng)開發(fā)出了低溫貝氏體，也是利用等溫淬火技術，不過等溫溫度很低，可以低至過等溫溫度很

22、低，可以低至200200以下。以下。 貝氏體也是一種非平衡組織，因此相圖中也不會出現(xiàn)。貝氏體也是一種非平衡組織，因此相圖中也不會出現(xiàn)。4 4 杠桿定律杠桿定律當合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時，由相圖不當合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時，由相圖不僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量百分比。桿定律求出兩平衡相的相對重量百分比。現(xiàn)以現(xiàn)以Cu-NiCu-Ni合金為例推導杠桿定律：合金為例推導杠桿定律： 確定兩平衡相的成分：確定兩平衡相的成分：設合金成分為設合金成分為x x，過，過x x做成分做成分垂線。在成分垂線相當于溫垂線。在成分垂線

23、相當于溫度度t t 的的o o點作水平線，其與液點作水平線，其與液固相線交點固相線交點a a、b b所對應的成所對應的成分分x1x1、x2x2即分別為液相和固即分別為液相和固相的成分相的成分。l 確定兩平衡相的相對重量確定兩平衡相的相對重量：依據(jù)元素守恒依據(jù)元素守恒l 設合金設合金(x)的總重量為的總重量為1，液相，液相(x1)重量為重量為QL，固相，固相(x2)重量為重量為Q。 則則 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程組得解方程組得121122LxxxxQxxxxQ l 式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2

24、(ab)、 x1x(ao)的長度。的長度。 例：利用相圖中的成分，確定共析鋼中珠光體的各相的相對含量。 珠光體是鐵素體與滲碳體的機械 混合物：鐵素體的C%=0.0218% 滲碳體的C%=6.69% 珠光體的C%=0.77% 計算鐵素體與滲碳體的相對含量 相圖：表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分間關相圖：表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分間關系的圖解，是表示合金系在平衡條件下，在不同溫系的圖解，是表示合金系在平衡條件下，在不同溫度、成分下的各相之間關系的圖解度、成分下的各相之間關系的圖解5相圖二元相圖的建立：幾乎所有的相圖都是通過實驗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。得到的，

25、最常用的是熱分析法。Fe-Fe3C二元相圖 鐵碳合金是鐵與碳組成的合金，在合金中當碳含量超過鐵碳合金是鐵與碳組成的合金，在合金中當碳含量超過固溶體的溶解限度后，剩余的碳以兩種存在方式：滲碳固溶體的溶解限度后，剩余的碳以兩種存在方式：滲碳體體 Fe3C Fe3C 或石墨。在通常情況下，鐵碳合金是按或石墨。在通常情況下，鐵碳合金是按 Fe-FeFe-Fe3 3C C 系進行轉變。但在極為緩慢冷卻或加入促進石墨化的元系進行轉變。但在極為緩慢冷卻或加入促進石墨化的元素的條件下碳才以石墨的形式存在，因此素的條件下碳才以石墨的形式存在，因此Fe-Fe-石墨系是石墨系是更穩(wěn)定的狀態(tài)。更穩(wěn)定的狀態(tài)。 按照這樣

26、情況，鐵碳相圖常表示為按照這樣情況，鐵碳相圖常表示為 Fe-FeFe-Fe3 3C C 和和 Fe-Fe-石墨石墨雙重相圖圖中實線部分為雙重相圖圖中實線部分為 Fe-FeFe-Fe3 3C C 相圖，虛線表示相圖，虛線表示 Fe-C Fe-C 相圖，實線與虛線重合的部分以實線表示。盡管相圖，實線與虛線重合的部分以實線表示。盡管 Fe-Fe-FeFe3 3C C 相圖是一個亞穩(wěn)相圖，但一般情況下鐵碳合金中的相圖是一個亞穩(wěn)相圖，但一般情況下鐵碳合金中的相變化遵循相變化遵循 Fe-FeFe-Fe3 3C C 相圖，所以通常也將其稱為平衡相相圖，所以通常也將其稱為平衡相圖，在圖，在 Fe-FeFe-F

27、e3 3C C 相圖中的相或反應生成的各種組織都分相圖中的相或反應生成的各種組織都分別稱為平衡相或平衡組織。別稱為平衡相或平衡組織。 相圖是在平衡態(tài)下測畫出來的。因此也稱合金的平衡狀態(tài)相圖是在平衡態(tài)下測畫出來的。因此也稱合金的平衡狀態(tài)圖。相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金的化學成分、相、組織與溫圖。相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金的化學成分、相、組織與溫度的關系圖。由于受到幾何表述的限制，雖然合金系中的組元度的關系圖。由于受到幾何表述的限制，雖然合金系中的組元可以是多個，但是，只能測畫出二元合金的二元相圖和三元合可以是多個，但是，只能測畫出二元合金的二元相圖和三元合金的三元相圖，三元以上的合金通常是不能直接

28、用相圖來表述。金的三元相圖，三元以上的合金通常是不能直接用相圖來表述。即使三元合金的相圖也是很復雜的。本書只介紹二元合金相圖。即使三元合金的相圖也是很復雜的。本書只介紹二元合金相圖。 相圖中的組織只包括鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體以及相圖中的組織只包括鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體以及萊氏體，像馬氏體、貝氏體等都不是平衡狀態(tài)下獲得的，所以萊氏體，像馬氏體、貝氏體等都不是平衡狀態(tài)下獲得的，所以不包括在二元合金相圖中。不包括在二元合金相圖中。鐵鐵碳碳雙雙重重相相圖圖在通常情況下，鐵碳合金在通常情況下，鐵碳合金是按是按 Fe-FeFe-Fe但在極為緩慢冷但在極為緩慢冷卻或加入促進石墨化的元卻或加入

29、促進石墨化的元素的條件下碳才以石墨的素的條件下碳才以石墨的形式存在，因此形式存在，因此Fe-Fe-石墨系石墨系是更穩(wěn)定的狀態(tài)。是更穩(wěn)定的狀態(tài)。鐵碳相圖分析： 鐵碳合金相圖中主要特性點的含義 相區(qū)相區(qū)五個單相區(qū)：五個單相區(qū)：鐵碳相圖分析： 鐵碳合金相圖中主要特性點的含義 特性點的符號溫度t/ 含碳量wc%含義A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 室溫0 04.34.36.696.692.112.110 00.020.020.770.770.00080.0008

30、純鐵的熔點共晶點 滲碳體的熔點碳在奧氏體中的最大溶解度-Te -Te-Te -Te同素異晶轉變點碳在鐵素體中的最大溶解度共析點碳在鐵素體中的溶解度 ACDACD線線液相線液相線 是不同成分鐵碳合金開始結晶的溫度線。是不同成分鐵碳合金開始結晶的溫度線。 AECFAECF線線固相線各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結晶固相線各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結晶溫度終止線。溫度終止線。 ECFECF水平線水平線共晶線共晶線 含碳量為含碳量為4.3%4.3%的液態(tài)合金冷卻到此的液態(tài)合金冷卻到此線時，在線時，在1148 1148 由液態(tài)合金同時結晶出奧氏體和滲碳體由液態(tài)合金同時結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物

31、，此反應稱為共晶反應。的機械混合物，此反應稱為共晶反應。 PSKPSK水平線水平線共析線（共析線（A1A1線）線） 含碳量為含碳量為0.77%0.77%的奧氏體冷的奧氏體冷卻到此線時，在卻到此線時，在727 727 同時析出鐵素體和滲碳體的機械同時析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共析反應?；旌衔?，此反應稱為共析反應。 GSGS線線（A3A3線）線） 是冷卻時奧氏體轉變?yōu)殍F素體的開始線。是冷卻時奧氏體轉變?yōu)殍F素體的開始線。 ESES線線稱稱AcmAcm線線 是碳在奧氏體中的溶解度線，實際上是碳在奧氏體中的溶解度線，實際上是冷卻時由奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。是冷卻時由奧氏體中析出二

32、次滲碳體的開始線。三種恒溫轉變1 包晶轉變包晶轉變 （1495的的CHJB水平線）水平線）由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點成分固由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點成分固相的轉變相的轉變.2 共晶轉變（共晶轉變（1148的的ECF水平線）水平線） 一定成分的液相在一定的溫度下同時結晶出兩種成分一定成分的液相在一定的溫度下同時結晶出兩種成分和結構均不相同的固相的反應。和結構均不相同的固相的反應。1148 L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反應的產(chǎn)物即萊氏體共晶反應的產(chǎn)物即萊氏體 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)3 共析轉變（共析轉變（727的的PS

33、K水平線）水平線） 一定成分的固相在一定的溫度下同時析出兩種成分一定成分的固相在一定的溫度下同時析出兩種成分和和結構均不相同的結構均不相同的 新的固相的反應。新的固相的反應。A0.77%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反應的產(chǎn)物即珠光體共析反應的產(chǎn)物即珠光體 PF0.02%c+Fe3C6.69%c相圖的應用：溫度變化時的組織轉變相圖的應用：溫度變化時的組織轉變（一）含碳（一）含碳 0.01%的鐵碳（工業(yè)純鐵）的組織轉變的鐵碳（工業(yè)純鐵）的組織轉變含碳含碳 0.01%的鐵碳合金從高溫液態(tài)冷卻時，在的鐵碳合金從高溫液態(tài)冷卻時，在 12 點溫度區(qū)間按勻晶轉變結晶出點溫度區(qū)間按勻晶

34、轉變結晶出 固溶體。冷到固溶體。冷到 3 點時，開始發(fā)生固溶體的同素異構轉變點時，開始發(fā)生固溶體的同素異構轉變 。奧。奧氏體的晶核通常優(yōu)先在氏體的晶核通常優(yōu)先在 相的晶界上形成，然后相的晶界上形成，然后長大。這一轉變在長大。這一轉變在 4 點結束時，合金全部呈單相點結束時，合金全部呈單相奧氏體。冷卻到奧氏體。冷卻到 5 點，又發(fā)生同素異構轉變點，又發(fā)生同素異構轉變 ，變?yōu)殍F素體。鐵素體形成時，同樣優(yōu)先在奧，變?yōu)殍F素體。鐵素體形成時，同樣優(yōu)先在奧氏體晶界上形核并長大。氏體晶界上形核并長大。6 點以下合金全部點以下合金全部是鐵素體。冷到是鐵素體。冷到 7 點時，碳在鐵素體中的溶解量點時，碳在鐵素體

35、中的溶解量達到飽和。因此在達到飽和。因此在 7 點以下，將從鐵素體中析出點以下，將從鐵素體中析出三次滲碳體三次滲碳體 Fe3C。工業(yè)純鐵的結晶過程及室溫。工業(yè)純鐵的結晶過程及室溫組織見圖組織見圖 ，其室溫組織特征是鐵素體晶粒和少量，其室溫組織特征是鐵素體晶粒和少量分布于晶界的分布于晶界的 Fe3C。（二）鋼的組織轉變（二）鋼的組織轉變 )w(c)=0.77%共析鋼的組織轉共析鋼的組織轉變變此合金在此合金在1 12 2點間按勻晶轉變結晶出奧氏體。在點間按勻晶轉變結晶出奧氏體。在2 2點凝固完成，點凝固完成，全部為奧氏體。冷到全部為奧氏體。冷到3 3點（點（727727），在恒溫下發(fā)生共析轉變：）

36、，在恒溫下發(fā)生共析轉變：轉變產(chǎn)物為珠光體轉變產(chǎn)物為珠光體P P。珠光體是共析鐵素體和共析滲碳體的層片。珠光體是共析鐵素體和共析滲碳體的層片狀混合物。共析轉變完成后繼續(xù)冷卻過程中，鐵素體含碳量沿狀混合物。共析轉變完成后繼續(xù)冷卻過程中，鐵素體含碳量沿PQ PQ 線變化，同時鐵素體中析出線變化，同時鐵素體中析出Fe3CFe3C。Fe3CFe3C在共析鐵素體和在共析鐵素體和共析滲碳體的界面上形成并與共析滲碳體連在一起，在顯微鏡下共析滲碳體的界面上形成并與共析滲碳體連在一起，在顯微鏡下難以分辯，其數(shù)量也很少，對珠光體組織和性能無明顯影響，一難以分辯，其數(shù)量也很少，對珠光體組織和性能無明顯影響，一般可以忽

37、略不計。所以，室溫下共析鋼的平衡組織為珠光體。般可以忽略不計。所以，室溫下共析鋼的平衡組織為珠光體。2)含碳0.4%的鐵碳合金（亞共析鋼）亞共析鋼的室溫組織亞共析鋼的室溫組織（白色晶粒為鐵素體，（白色晶粒為鐵素體，暗黑色是珠光體）暗黑色是珠光體）液態(tài)合金冷卻時在液態(tài)合金冷卻時在1 12 2 點間按勻晶轉變析出點間按勻晶轉變析出 固溶體。冷到固溶體。冷到2 2 點點（14951495），）， 固溶體的碳含量為固溶體的碳含量為0.09%0.09%，液相的含碳量為，液相的含碳量為0.53%0.53%，此時液相和此時液相和 相發(fā)生包晶轉變相發(fā)生包晶轉變L L0.530.53+ + 由于合金的含碳（由于

38、合金的含碳（0.40%0.40%）量大于）量大于0.17%0.17%，所以包晶轉變終了后，所以包晶轉變終了后，還有過剩的液相存在。從還有過剩的液相存在。從2 2 點冷到點冷到3 3點的過程中，液相繼續(xù)結晶點的過程中，液相繼續(xù)結晶為奧氏體，所有的奧氏體成分均沿為奧氏體，所有的奧氏體成分均沿JE JE 線變化。到達線變化。到達3 3 點，合金點，合金全部由含碳量全部由含碳量0.40%0.40%的奧氏體所組成。單相的奧氏體冷卻到的奧氏體所組成。單相的奧氏體冷卻到4 4 點點時，開始析出鐵素體。隨著溫度下降，鐵素體不斷增多，其含時，開始析出鐵素體。隨著溫度下降，鐵素體不斷增多，其含碳量沿碳量沿GP G

39、P 線變化，而奧氏體的含碳量則沿線變化，而奧氏體的含碳量則沿GS GS 線變化。當溫度線變化。當溫度達到達到5 5 點（點（727727）時，剩余奧氏體的含碳量達到）時，剩余奧氏體的含碳量達到0.77%0.77%，發(fā)生共，發(fā)生共析轉變變成珠光體。在析轉變變成珠光體。在5 5 點以下，共析轉變之前形成的先共析鐵點以下，共析轉變之前形成的先共析鐵素體中將析出三次滲碳體，但其數(shù)量很少，一般可以勿略素體中將析出三次滲碳體，但其數(shù)量很少，一般可以勿略17. 009. 03)含碳1.2%的鐵碳合金（過共析鋼）白色網(wǎng)狀相二次白色網(wǎng)狀相二次滲碳體，暗黑色滲碳體，暗黑色為珠光體為珠光體 該合金結晶過程：在該合金

40、結晶過程：在1-21-2點間按勻晶過程轉變?yōu)閱蜗帱c間按勻晶過程轉變?yōu)閱蜗鄪W氏體后，冷到奧氏體后，冷到3 3點開始從奧氏體中析出二次滲碳點開始從奧氏體中析出二次滲碳體，直到體，直到4 4點為止。這種先共析的滲碳體沿奧氏體點為止。這種先共析的滲碳體沿奧氏體界面形成，呈連續(xù)的網(wǎng)狀。隨著滲碳體的析出，奧界面形成，呈連續(xù)的網(wǎng)狀。隨著滲碳體的析出，奧氏體的含碳量沿氏體的含碳量沿ESES線不斷下降，當溫度到達線不斷下降，當溫度到達4 4點時點時（727727）奧氏體的含碳量降為）奧氏體的含碳量降為0.77%0.77%，因而在恒溫，因而在恒溫下發(fā)生共析轉變，最后得到的組織是珠光體和二次下發(fā)生共析轉變，最后得到

41、的組織是珠光體和二次滲碳體滲碳體. . 二次滲碳體的形態(tài)對過共析鋼的性能有很大影響。二次滲碳體的形態(tài)對過共析鋼的性能有很大影響。含碳量較少時（含碳量較少時（1.0%1.0%1.0%）鐵碳合金中，二）鐵碳合金中，二次滲碳體呈現(xiàn)出連續(xù)的網(wǎng)狀，將嚴重損害鋼的塑性次滲碳體呈現(xiàn)出連續(xù)的網(wǎng)狀，將嚴重損害鋼的塑性和韌性，所以要設法避免產(chǎn)生這種組織。和韌性，所以要設法避免產(chǎn)生這種組織。4)含碳4.3%的鐵碳合金（共晶白口鑄鐵）（白色基體是共晶滲碳體，黑色顆粒為珠光體合金熔液冷到合金熔液冷到1 1 點（點（11481148）時，在恒溫下發(fā)生共晶轉）時，在恒溫下發(fā)生共晶轉變變L L4.304.30 2.11 2.

42、11+Fe+Fe3 3C C，共晶產(chǎn)物為萊氏體（，共晶產(chǎn)物為萊氏體（LdLd）。萊氏）。萊氏體中的奧氏體和滲碳體分別稱為共晶奧氏體和共晶滲體中的奧氏體和滲碳體分別稱為共晶奧氏體和共晶滲碳體。冷到碳體。冷到1 1 點以下，共晶奧氏體中不斷析出二次滲碳點以下，共晶奧氏體中不斷析出二次滲碳體，它通常依附在共晶滲碳體上而難以分辨。溫度降體，它通常依附在共晶滲碳體上而難以分辨。溫度降至至2 2 點（點（727727）時，共晶奧氏體的含碳量降至）時，共晶奧氏體的含碳量降至0.77%0.77%，在恒溫下發(fā)生共析轉變，轉變?yōu)橹楣怏w。最后得到的在恒溫下發(fā)生共析轉變，轉變?yōu)橹楣怏w。最后得到的組織是珠光體二次滲碳體

43、共晶滲碳體。其顯微組組織是珠光體二次滲碳體共晶滲碳體。其顯微組織如圖所示，其中基體為共晶滲碳體，黑色顆粒為珠織如圖所示，其中基體為共晶滲碳體，黑色顆粒為珠光體。這種共析溫度以下的萊氏體稱為低溫萊氏體或光體。這種共析溫度以下的萊氏體稱為低溫萊氏體或變態(tài)萊氏體，用變態(tài)萊氏體，用L Ld d/ /表示，它保持了高溫萊氏體的形態(tài)表示，它保持了高溫萊氏體的形態(tài)特征，但組成物已發(fā)生了轉變。特征，但組成物已發(fā)生了轉變。5)含碳3.0%的鐵碳合金（亞共晶白口鑄鐵）黑色樹枝狀為珠光體，其余為滲碳體液態(tài)合金在液態(tài)合金在1-2 1-2 點結晶出奧氏體（稱為初晶奧氏體點結晶出奧氏體（稱為初晶奧氏體或先共晶奧氏體），此

44、時液相成分按或先共晶奧氏體），此時液相成分按BC BC 線變化，線變化，而奧氏體成分沿而奧氏體成分沿JE JE 線變化。溫度降到線變化。溫度降到2 2 點點（11481148）時，剩余液相的成分達到共晶點，隨）時，剩余液相的成分達到共晶點，隨即發(fā)生共晶轉變，生成萊氏體。在即發(fā)生共晶轉變，生成萊氏體。在2 2 點以下，先點以下，先共晶奧氏體和共晶奧氏體中都析出二次滲碳體。共晶奧氏體和共晶奧氏體中都析出二次滲碳體。隨著二次滲碳體的析出，奧氏體的含碳量沿隨著二次滲碳體的析出，奧氏體的含碳量沿ES ES 線線降低。當溫度到達降低。當溫度到達3 3 點（點（727727）時，所有奧氏體）時，所有奧氏體都

45、發(fā)生共析轉變成為珠光體。圖為該合金的結晶都發(fā)生共析轉變成為珠光體。圖為該合金的結晶過程示意圖。過程示意圖。6)含碳5.0%的鐵碳合金（過共晶白口鑄鐵）白色的為一次滲碳體，其余為低溫萊氏體) 該合金先在該合金先在1 12 2 溫度區(qū)間從液相結晶出粗大的一溫度區(qū)間從液相結晶出粗大的一次滲碳體，又稱為先共晶滲碳體。同時，液次滲碳體，又稱為先共晶滲碳體。同時，液 相成分沿著相成分沿著DC DC 線變化。當冷卻到達線變化。當冷卻到達ECF ECF 線上的線上的2 2 點時，液相成分到達點時，液相成分到達C C 點，發(fā)生共晶轉變生成點，發(fā)生共晶轉變生成 萊氏體。在萊氏體。在2 23 3 點之間，共晶奧氏體

46、析出二次滲點之間，共晶奧氏體析出二次滲碳體。溫度降到碳體。溫度降到PSK PSK 上的上的3 3 點時，含碳點時，含碳0.770.77的的 奧氏體發(fā)生共析轉變，轉變成珠光體。結晶示意奧氏體發(fā)生共析轉變，轉變成珠光體。結晶示意圖見上圖。過共晶白口鑄鐵的室溫組織為變態(tài)萊圖見上圖。過共晶白口鑄鐵的室溫組織為變態(tài)萊氏體一次滲碳體氏體一次滲碳體C C曲線曲線等溫轉變需要把鋼從加熱爐中取出放入一定溫度的介質中保溫一等溫轉變需要把鋼從加熱爐中取出放入一定溫度的介質中保溫一定時間，待組織轉變結束后取出冷至室溫即可，適用于截面不大定時間，待組織轉變結束后取出冷至室溫即可，適用于截面不大的工件。的工件。連續(xù)冷卻就

47、是尋找不同溫度的冷卻介質，讓其通過不同的區(qū)而發(fā)連續(xù)冷卻就是尋找不同溫度的冷卻介質，讓其通過不同的區(qū)而發(fā)生相變。連續(xù)轉變簡單，工件在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生組織轉變。生相變。連續(xù)轉變簡單，工件在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生組織轉變。 曲線過冷奧氏體等溫轉變圖。用以表示過冷奧氏體等溫轉變曲線過冷奧氏體等溫轉變圖。用以表示過冷奧氏體等溫轉變量與時間的關系，綜合反應等溫轉變規(guī)律。因其形狀象英文字母量與時間的關系，綜合反應等溫轉變規(guī)律。因其形狀象英文字母“”，故常稱為曲線，亦稱為，故常稱為曲線，亦稱為TTTTTT（Time Temperature Time Temperature TransformationTrans

48、formation）圖。無論從理論上，還是從實踐上講，曲線與）圖。無論從理論上，還是從實踐上講，曲線與Fe-Fe3CFe-Fe3C狀態(tài)圖具有同等重要的意義。各類鋼的曲線，均可從熱狀態(tài)圖具有同等重要的意義。各類鋼的曲線，均可從熱處理手冊、鋼材手冊等文獻中查到。處理手冊、鋼材手冊等文獻中查到。 S S曲線曲線 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變圖，又稱熱動力學圖，簡稱過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變圖，又稱熱動力學圖，簡稱CCTCCT（Continuous Cooling TransformationContinuous Cooling Transformation）圖。由于一些）圖。由于一些CCTCCT圖形狀象圖形狀

49、象變形的變形的“S”S”，故有人簡稱其為，故有人簡稱其為S S曲線。又由于連續(xù)冷卻轉變的復雜曲線。又由于連續(xù)冷卻轉變的復雜情況和測試上的困難，至今仍有許多鋼種的情況和測試上的困難，至今仍有許多鋼種的CCTCCT圖沒能繪成。一個圖沒能繪成。一個完整的完整的CCTCCT圖除有連續(xù)冷卻時轉變開始線以外，還有代表不同速率圖除有連續(xù)冷卻時轉變開始線以外，還有代表不同速率的冷卻曲線，并在這些冷卻曲線與轉變開始、終了線的交點旁注有的冷卻曲線，并在這些冷卻曲線與轉變開始、終了線的交點旁注有數(shù)字，表示轉變量，而在每條冷卻曲線下端也注有數(shù)字，表示以該數(shù)字，表示轉變量，而在每條冷卻曲線下端也注有數(shù)字，表示以該速度冷

50、卻后得到的維氏（或洛氏）硬度值。此外，還在圖形右上角速度冷卻后得到的維氏（或洛氏）硬度值。此外，還在圖形右上角注明奧氏體化溫度、時間、晶粒度等級等條件注明奧氏體化溫度、時間、晶粒度等級等條件。C C曲線的繪制曲線的繪制 C C曲線是利用過冷曲線是利用過冷奧氏體奧氏體轉變產(chǎn)物的組織形態(tài)或物理性質的變轉變產(chǎn)物的組織形態(tài)或物理性質的變化來測定。測定方法一般是將標準式樣奧氏體化后，迅速冷至化來測定。測定方法一般是將標準式樣奧氏體化后，迅速冷至臨界點下某一溫度等溫，使過冷奧氏體在恒溫下發(fā)生相變。相臨界點下某一溫度等溫，使過冷奧氏體在恒溫下發(fā)生相變。相變過程中會引起鋼內(nèi)部的一系列變化，如相變潛熱的釋放、比變過程中會引起鋼內(nèi)部的一系列變化，如相變潛熱的釋放、比容、磁性及容、磁性及組織結構組織結構的改變等。這可通過金相法測出在不同溫的改變等。這可通過金相法測出在不同溫度下過冷奧氏體發(fā)生相變的開始時間和終了時間，并把它們標度下過冷奧氏體發(fā)生相變的開始時間和終了時間，并把它們標注在溫度注在溫度時間