第二章 金屬的凝固

1、第二章第二章 金屬材料的凝固金屬材料的凝固 p純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶p合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶p鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶結(jié)晶的條件結(jié)晶的條件結(jié)晶的過程結(jié)晶的過程同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒金屬的鑄錠金屬的鑄錠l物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固凝固l物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結(jié)晶結(jié)晶l物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過程稱為物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過程稱為相變。因而結(jié)晶過程是相變。因而結(jié)晶過程是相變相變過程過程一、一、結(jié)晶的條件結(jié)晶的條件 1 1、冷卻曲線、冷卻曲線試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證:

2、熱分析方法熱分析方法(差熱分析、熱膨脹分析差熱分析、熱膨脹分析)、電阻分析法、電阻分析法、金相分析法，熱力學(xué)計(jì)算法。金相分析法，熱力學(xué)計(jì)算法。 金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線 差熱冷卻曲線測(cè)量原理圖差熱冷卻曲線測(cè)量原理圖冷卻曲線意義冷卻曲線意義l結(jié)晶過程是等溫結(jié)晶過程是等溫相變過程相變過程l理想結(jié)晶溫度理想結(jié)晶溫度T0、實(shí)際結(jié)、實(shí)際結(jié)晶溫度晶溫度T1l過冷與過冷度過冷與過冷度T：實(shí)際結(jié)：實(shí)際結(jié)晶溫度低于理想結(jié)晶溫度的晶溫度低于理想結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為過冷過冷；二者溫度差；二者溫度差的絕對(duì)值稱為過冷度的絕對(duì)值稱為過冷度T。l結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱

3、的產(chǎn)生是結(jié)晶過的產(chǎn)生是結(jié)晶過程等溫的根本原因程等溫的根本原因過冷：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶過冷：液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。稱過冷。l理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差溫度的差 T稱過冷度稱過冷度 T= T0 T1l過冷度大小與冷卻速度有過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，關(guān)，冷速越大，過冷度越冷速越大，過冷度越大。大。2、過冷與過冷度、過冷與過冷度l自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程，總是由一種變過程，總是由一種較高能量狀態(tài)趨向于較高能量狀態(tài)趨向于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。l在一定溫度條件下，在一定溫度條件下，只有那些引起體系

4、自只有那些引起體系自由能降低的過程才能由能降低的過程才能自發(fā)進(jìn)行。自發(fā)進(jìn)行。 lF 是液態(tài)金屬結(jié)晶的是液態(tài)金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)力。l T是結(jié)晶的必要條件。是結(jié)晶的必要條件。F 3、結(jié)晶熱力學(xué)：最小自由能原理、結(jié)晶熱力學(xué)：最小自由能原理 G=H-TS二、結(jié)晶的基本過程二、結(jié)晶的基本過程l無序液體無序液體有序固體晶體有序固體晶體 熱力學(xué)自由能下降（過冷）熱力學(xué)自由能下降（過冷）結(jié)晶的前提結(jié)晶的前提l原子遷移結(jié)構(gòu)重排原子遷移結(jié)構(gòu)重排 克服表面能克服表面能能量起伏（結(jié)構(gòu)起伏）能量起伏（結(jié)構(gòu)起伏）能量起伏導(dǎo)致能量起伏導(dǎo)致晶胚晶胚的生成。晶胚具有與生成晶體完全的生成。晶胚具有與生成晶體完全相同的結(jié)構(gòu)，但

5、尺寸很小，相對(duì)表面積大，不穩(wěn)相同的結(jié)構(gòu)，但尺寸很小，相對(duì)表面積大，不穩(wěn)定定l晶胚尺寸大于晶胚尺寸大于臨界尺寸臨界尺寸，晶胚最終生成，晶胚最終生成晶核晶核，并，并長(zhǎng)大直至結(jié)晶完成長(zhǎng)大直至結(jié)晶完成1、結(jié)晶過程、結(jié)晶過程結(jié)晶由結(jié)晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核的長(zhǎng)晶核的長(zhǎng)大大兩個(gè)基本過程組成兩個(gè)基本過程組成二、結(jié)晶的過程二、結(jié)晶的過程1、結(jié)晶的基本過程、結(jié)晶的基本過程結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程：結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程：l無序液體無序液體有序固體晶體有序固體晶體 熱力學(xué)自由能下降（過冷）熱力學(xué)自由能下降（過冷）結(jié)晶的前提結(jié)晶的前提l原子遷移結(jié)構(gòu)重排原子遷移結(jié)構(gòu)重排 克服表面能克服表面能能量起伏（結(jié)構(gòu)起伏）能量起伏（結(jié)構(gòu)起

6、伏）能量起伏導(dǎo)致能量起伏導(dǎo)致晶胚晶胚的生成。晶胚具有與生成的生成。晶胚具有與生成晶體完全相同的結(jié)構(gòu)，但尺寸很小，相對(duì)晶體完全相同的結(jié)構(gòu)，但尺寸很小，相對(duì)表面積大，不穩(wěn)定表面積大，不穩(wěn)定l晶胚尺寸大于晶胚尺寸大于臨界尺寸臨界尺寸，晶胚最終生成，晶胚最終生成晶晶核核，并長(zhǎng)大直至結(jié)晶完成，并長(zhǎng)大直至結(jié)晶完成 l均勻形核均勻形核依靠液態(tài)金屬本身在一定過冷度下由其依靠液態(tài)金屬本身在一定過冷度下由其內(nèi)部自發(fā)長(zhǎng)出結(jié)晶核心。內(nèi)部自發(fā)長(zhǎng)出結(jié)晶核心。l非均勻形核非均勻形核依附與金屬液體中未溶的固態(tài)雜質(zhì)表依附與金屬液體中未溶的固態(tài)雜質(zhì)表面而形成晶核。面而形成晶核。2、晶核的形成方式：、晶核的形成方式：均勻形核均勻形

7、核非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖均勻形核均勻形核非均勻形核非均勻形核l 晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。 l 晶核長(zhǎng)大方式的兩種，即：晶核長(zhǎng)大方式的兩種，即：平面長(zhǎng)大平面長(zhǎng)大和和樹枝狀長(zhǎng)大樹枝狀長(zhǎng)大。3、晶核的長(zhǎng)大方式：、晶核的長(zhǎng)大方式：正溫度梯度正溫度梯度平面長(zhǎng)大平面長(zhǎng)大在正溫度梯度下，晶體生長(zhǎng)以在正溫度梯度下，晶體生長(zhǎng)以平面狀態(tài)平面狀態(tài)向前推進(jìn)。向前推進(jìn)。樹枝狀長(zhǎng)大樹枝狀長(zhǎng)大l 在負(fù)溫度梯度下，在晶核棱角處散熱好，生在負(fù)溫度梯度下，在晶核棱角處散熱好，生長(zhǎng)快，先形成一次軸，一次軸產(chǎn)生二次軸長(zhǎng)快，先形成一次軸，一次軸產(chǎn)生二次軸，樹

8、枝間最后被填充。樹枝間最后被填充。實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大負(fù)溫度梯度負(fù)溫度梯度樹枝狀生長(zhǎng)示意圖樹枝狀生長(zhǎng)示意圖各種樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝金屬的樹枝晶晶金屬的樹枝金屬的樹枝晶晶金屬的樹枝金屬的樹枝晶晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（固態(tài)相變）三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（固態(tài)相變）物質(zhì)在固態(tài)下物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于的現(xiàn)象稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變固態(tài)相變鐵鐵的的同同素素異異構(gòu)構(gòu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變1394912 -Fe -Fe -Fe -Fe -Fe -Fe金屬?gòu)囊环N固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)金屬?gòu)囊环N固

9、體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為的過程稱為二次結(jié)晶二次結(jié)晶或或重結(jié)晶重結(jié)晶金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變即是二次結(jié)晶或金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變即是二次結(jié)晶或重結(jié)晶重結(jié)晶 -Fe -Fe固態(tài)相變的特點(diǎn)：固態(tài)相變的特點(diǎn)：l形核一般在某些特定部位形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺陷、發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺陷、特定晶面等）特定晶面等）l由于固態(tài)下擴(kuò)散困難，因由于固態(tài)下擴(kuò)散困難，因而過冷傾向大而過冷傾向大l固態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨著體積變化，固態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨著體積變化，易造成很大內(nèi)應(yīng)力易造成很大內(nèi)應(yīng)力固態(tài)相變的晶界形核固態(tài)相變的晶界形核(Sn-0.5%Cu鑄態(tài)，鑄態(tài)，255K)錫疫錫疫l表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫

10、晶粒度晶粒度。l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(jí)來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(jí)來表示晶粒大小。表示晶粒大小。l標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。晶粒度晶粒度12345678單位面積單位面積晶粒數(shù)晶粒數(shù)（個(gè)（個(gè)mm2)16326412825651210242048晶粒平均晶粒平均直徑直徑(mm)0.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.022四、晶粒的細(xì)化四、晶粒的細(xì)化適用于鋼鐵材料適用于鋼鐵材料1、晶粒度、晶粒度通過通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來評(píng)

11、級(jí)倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來評(píng)級(jí)八級(jí)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度八級(jí)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度l晶粒的大小取決于晶核的晶粒的大小取決于晶核的形形成速度和長(zhǎng)大速度成速度和長(zhǎng)大速度。l單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫的晶核數(shù)目叫形核率形核率(N)。l單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度叫叫長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度(G)。lN/G比值越大，晶粒越細(xì)小比值越大，晶粒越細(xì)小。凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒。都能細(xì)化晶粒。過冷度對(duì)過冷度對(duì)N、G的影響的影響2、決定晶粒度大小的因素、決定晶粒度大小的因素（1）提高液態(tài)金屬的冷卻速度）提高液態(tài)金屬的冷卻速度l采用

12、采用冷卻能力較強(qiáng)的模子冷卻能力較強(qiáng)的模子。l采用采用金屬型鑄模金屬型鑄模, 比采用砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細(xì)小。比采用砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細(xì)小。l超高速急冷技術(shù)（超高速急冷技術(shù)（106/）可獲得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)可獲得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。（非晶態(tài)金屬具有特別高的強(qiáng)度構(gòu)的金屬和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。（非晶態(tài)金屬具有特別高的強(qiáng)度和韌性、優(yōu)異的軟磁性能、高的電阻率、良好的抗蝕性等。和韌性、優(yōu)異的軟磁性能、高的電阻率、良好的抗蝕性等。 ）3、細(xì)化晶粒的方法、細(xì)化晶粒的方法l向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化

13、晶粒的方法。l所加入的非均勻形核物質(zhì)叫所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑變質(zhì)劑（或稱（或稱孕育劑孕育劑）。）。 變質(zhì)劑的作用：增加晶核數(shù)量，阻礙晶核長(zhǎng)大。變質(zhì)劑的作用：增加晶核數(shù)量，阻礙晶核長(zhǎng)大。 例如：例如：l 鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋁合金液體中加入鈦、鋯；l 鋼水中加入鈦、釩、鋁；鋼水中加入鈦、釩、鋁；l 鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金；鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金；都可使晶粒細(xì)化。都可使晶粒細(xì)化。（2）變質(zhì)處理（又稱孕育處理）變質(zhì)處理（又稱孕育處理）未變質(zhì)未變質(zhì)變質(zhì)變質(zhì)Al-Si合金組織合金組織l 鑄鐵變質(zhì)處理前后的組織變質(zhì)處理前變質(zhì)處理前變質(zhì)處理后變質(zhì)處理后變質(zhì)處理使組織細(xì)化。變質(zhì)

14、變質(zhì)處理使組織細(xì)化。變質(zhì)劑為硅鐵或硅鈣合金。劑為硅鐵或硅鈣合金。電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖 對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行機(jī)械或?qū)φ诮Y(jié)晶的金屬進(jìn)行機(jī)械或超聲波振動(dòng)或電磁拌超聲波振動(dòng)或電磁拌，一方面可靠外部輸，一方面可靠外部輸入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。顯著增加。超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒示意圖超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒示意圖（3）振動(dòng)和電磁攪拌）振動(dòng)和電磁攪拌l常溫下常溫下，晶粒越細(xì)，晶界面積，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，因而金屬的強(qiáng)度、硬度越大，因而金屬的強(qiáng)度、硬度越高，同時(shí)塑性、韌性也越好越高，同時(shí)

15、塑性、韌性也越好,即即細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化。l高溫下高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)，因而外力作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)，因而細(xì)晶粒無益。但晶粒太粗易產(chǎn)細(xì)晶粒無益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應(yīng)力集中。生應(yīng)力集中。因而高溫下晶粒因而高溫下晶粒過大、過小都不好過大、過小都不好。 s= i+Kd-1/2晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度的關(guān)系的關(guān)系4、晶粒大小對(duì)金屬性能的影響、晶粒大小對(duì)金屬性能的影響Hall-patch 定律定律l在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到到錠模中便得到鑄錠鑄錠，而注入到，而注入到鑄型模具中成形則得到鑄型模具中成形則得到鑄件鑄

16、件。l鑄錠鑄錠(件件)的組織及其存在的的組織及其存在的缺陷缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響。影響。五、金屬的鑄錠五、金屬的鑄錠l鑄錠鑄錠(件件)的宏觀組織的宏觀組織由外到內(nèi)分三個(gè)區(qū)組由外到內(nèi)分三個(gè)區(qū)組成成: a）表層細(xì)等軸晶區(qū)）表層細(xì)等軸晶區(qū) b）柱狀晶區(qū)）柱狀晶區(qū) c）粗等）粗等 軸晶區(qū)軸晶區(qū) 1、鑄錠組織分析、鑄錠組織分析表層細(xì)晶區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。柱狀晶區(qū)：柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛

17、熱，使細(xì)由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。而形成柱狀晶區(qū)。中心粗等軸晶區(qū)中心粗等軸晶區(qū): 由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度冷至實(shí)際結(jié)晶溫度T1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。形核方式形成許多尺寸較大的等

18、軸晶粒。n 縮孔：縮孔：縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造成的可通過改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來進(jìn)行控制。成的可通過改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除.l鑄造缺陷的類型較多，常見的有鑄造缺陷的類型較多，常見的有縮孔、縮孔、偏析、氣孔、偏析、氣孔、夾渣、白點(diǎn)等，它們對(duì)性?shī)A渣、白點(diǎn)等，它們對(duì)性能是有害的能是有害的.縮孔縮孔2、鑄錠缺陷、鑄錠缺陷 n偏析：偏析：合金中各部分化學(xué)合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄錠鑄錠(件件)在結(jié)晶時(shí)在結(jié)晶時(shí),由于各

19、部由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成宏觀上的成分結(jié)晶區(qū)，造成宏觀上的成分不均勻，稱宏觀偏析。不均勻，稱宏觀偏析。適當(dāng)適當(dāng)控制澆注溫度和結(jié)晶速度控制澆注溫度和結(jié)晶速度可可減輕宏觀偏析。減輕宏觀偏析。硫在鋼錠中偏析的模擬結(jié)果硫在鋼錠中偏析的模擬結(jié)果n氣孔氣孔: 氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠(件件)中的氣泡中的氣泡.鑄錠中的封閉的氣孔鑄錠中的封閉的氣孔可在熱加工時(shí)焊合，張開的氣孔需要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則可在

20、熱加工時(shí)焊合，張開的氣孔需要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則只能報(bào)廢。只能報(bào)廢。氣孔氣孔鑄件中的各種氣孔鑄件中的各種氣孔本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié)l 金屬結(jié)晶條件：金屬結(jié)晶條件：要有一定的過冷度。要有一定的過冷度。l 金屬結(jié)晶推動(dòng)力：金屬結(jié)晶推動(dòng)力：固態(tài)金屬和液態(tài)金屬之間的自由能差。固態(tài)金屬和液態(tài)金屬之間的自由能差。l 金屬結(jié)晶過程：金屬結(jié)晶過程：形核、長(zhǎng)大。形核、長(zhǎng)大。l 細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒措施：細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒措施：增大過冷度，變質(zhì)處理，增大過冷度，變質(zhì)處理， 振動(dòng)和電磁攪拌振動(dòng)和電磁攪拌。第二節(jié)第二節(jié) 合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖二元合金相圖類型與結(jié)晶分析二元合金相圖類型與結(jié)晶分析合金

21、性能與相圖的關(guān)系合金性能與相圖的關(guān)系l合金的結(jié)晶過程比純金屬?gòu)?fù)雜，常用合金的結(jié)晶過程比純金屬?gòu)?fù)雜，常用相圖相圖進(jìn)行分析。進(jìn)行分析。l相圖是用來表示相圖是用來表示合金系合金系中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過程的簡(jiǎn)明圖中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過程的簡(jiǎn)明圖解。又稱解。又稱狀態(tài)圖狀態(tài)圖或或平衡圖平衡圖。一、合金的結(jié)晶和相圖一、合金的結(jié)晶和相圖1 1、相圖、相圖l合金系合金系是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。比例配制的一系列不同成分的合金。l組元組元是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。l多

22、數(shù)情況下組元是指組成合金的元素。多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素。l但對(duì)于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何但對(duì)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反應(yīng)的化合物也可看作組元, 如如Fe-C合合金中的金中的Fe3C。相圖的作用：相圖的作用：1.了解合金在不同溫度不同成分下的平衡狀態(tài)；了解合金在不同溫度不同成分下的平衡狀態(tài)；2.了解合金的平衡相組成及其含量；了解合金的平衡相組成及其含量；3.了解合金在加熱或冷卻過程中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律；了解合金在加熱或冷卻過程中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律；4.制定合金熱加工制定合金熱加工(鑄造，鍛造，熱處理等鑄造，鍛造，熱處理等)工藝。工藝。根據(jù)組元數(shù)根據(jù)組元數(shù), 分為分為二

23、元相圖二元相圖、三元相圖和多元相圖、三元相圖和多元相圖二元相圖基本類型二元相圖基本類型：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖Fe-C二元二元相圖相圖三元相三元相圖圖2 2、二元相圖的建立、二元相圖的建立1、配制、配制不同成分不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，找出的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點(diǎn)曲線上的臨界點(diǎn)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。2、將臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度、將臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度-成分坐標(biāo)中的成分垂線上。成分坐標(biāo)中的成分垂線上。3、將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。、將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。Cu-N

24、i二元合金相圖二元合金相圖l 兩組元在液態(tài)和固態(tài)兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均下均無限互溶無限互溶時(shí)所構(gòu)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱二元?jiǎng)蚓С傻南鄨D稱二元?jiǎng)蚓鄨D。相圖。l 具有勻晶反應(yīng)：具有勻晶反應(yīng)： Ll Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有勻晶相圖。合金具有勻晶相圖。二、二元合金相圖的基本類型與結(jié)晶分析二、二元合金相圖的基本類型與結(jié)晶分析1 1、二元?jiǎng)蚓鄨D、二元?jiǎng)蚓鄨D相圖構(gòu)成特點(diǎn)：相圖構(gòu)成特點(diǎn)：l相圖由兩條線構(gòu)成，上面相圖由兩條線構(gòu)成，上面是是液相線液相線，下面是，下面是固相線固相線。l單相區(qū)：液相單相區(qū)：液相L（Cu-Ni熔熔融體）；融體）； 相相（Cu-Ni無無限固溶體限固溶體l兩相（共存）區(qū)

25、：兩相（共存）區(qū)：（L+ ） 勻晶結(jié)晶過程：勻晶結(jié)晶過程：n當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到 t1溫度時(shí)，開始結(jié)晶出成分為溫度時(shí)，開始結(jié)晶出成分為a1的的 固溶體，固溶體，這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng);n隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時(shí)，液相成分沿液隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時(shí)，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。成分變化是通過原子擴(kuò)散完成的相線變化，固相成分沿固相線變化。成分變化是通過原子擴(kuò)散完成的;n當(dāng)合金冷卻到當(dāng)合金冷卻到t3時(shí)，液相完全轉(zhuǎn)變成了成分為時(shí)，液

26、相完全轉(zhuǎn)變成了成分為a3的的 固溶體。固溶體。L L+ l形核與長(zhǎng)大形核與長(zhǎng)大 與純金屬一樣，固溶體結(jié)晶也包括與純金屬一樣，固溶體結(jié)晶也包括形核形核、長(zhǎng)大長(zhǎng)大兩個(gè)過程。固兩個(gè)過程。固溶體更趨向溶體更趨向樹枝狀長(zhǎng)大樹枝狀長(zhǎng)大。l變溫結(jié)晶變溫結(jié)晶 固溶體結(jié)晶在固溶體結(jié)晶在一個(gè)溫度區(qū)間一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行內(nèi)進(jìn)行, 變溫結(jié)晶。變溫結(jié)晶。勻晶結(jié)晶特點(diǎn)勻晶結(jié)晶特點(diǎn)兩相的成分確定兩相的成分確定杠桿定律杠桿定律 定義：合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自定義：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)距離相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段較遠(yuǎn)的成分線段之比。之比。u杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定

27、溫度給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn)，支點(diǎn)為合金的成分時(shí)兩相的成分點(diǎn)，支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)。點(diǎn)。u杠桿定律只適用于相圖中的杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)兩相區(qū)。 u杠桿定律只能在杠桿定律只能在平衡狀態(tài)下平衡狀態(tài)下使用。使用。例例（如圖）（如圖） 在在Cu-Ni合金中，合金中，T=13000.530.45100%61.5%0.580.45Q0.580.53100%38.5%0.580.45LQ影響因素：影響因素：（1）冷卻速度；冷卻速度；（2）液固相線的間距。）液固相線的間距。冷速越大，液固相線間距越大冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。

28、枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。勻晶過程容易產(chǎn)生枝晶偏析勻晶過程容易產(chǎn)生枝晶偏析枝晶偏析：枝晶偏析：在一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分分布不均勻在一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分分布不均勻消除辦法：消除辦法：擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火將合金加熱到固相線以下將合金加熱到固相線以下100-200長(zhǎng)時(shí)間保溫，使原長(zhǎng)時(shí)間保溫，使原子充分?jǐn)U散、可獲得成分均子充分?jǐn)U散、可獲得成分均勻的固溶體。勻的固溶體。Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織平衡組織平衡組織枝晶偏析組織枝晶偏析組織當(dāng)兩組元在當(dāng)兩組元在液態(tài)下液態(tài)下完全互溶完全互溶，在固態(tài)下，在固態(tài)下有限互溶有限互溶, 并發(fā)生并發(fā)生共晶共晶反應(yīng)反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作共晶

29、相圖稱作共晶相圖2 2、二元共晶相圖、二元共晶相圖Pb-Sn 相圖相圖相相：相圖中有：相圖中有L、 、 三種相三種相, 是溶質(zhì)是溶質(zhì)Sn在在 Pb中的固溶體，中的固溶體， 是溶質(zhì)是溶質(zhì)Pb在在Sn中中的固溶體。的固溶體。相區(qū)相區(qū)：相圖中有三個(gè)單相區(qū)：相圖中有三個(gè)單相區(qū)： L、 、 ；三個(gè)兩相區(qū)：；三個(gè)兩相區(qū)： L+ 、L+ 、 + ；一個(gè)三；一個(gè)三相區(qū)：即水平線相區(qū)：即水平線CED。液固相線液固相線：液相線：液相線AEB，固相線，固相線ACEDB。A、B分別為分別為Pb、Sn的熔點(diǎn)。的熔點(diǎn)。共晶相圖分析共晶相圖分析Pb-Sn 相圖相圖固溶線固溶線: 溶解度點(diǎn)的連線稱固溶線。相圖中的溶解度點(diǎn)的連

30、線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為線分別為 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。共晶線：共晶線：水平線水平線CED叫做共晶線。在共晶線對(duì)應(yīng)的溫度下（叫做共晶線。在共晶線對(duì)應(yīng)的溫度下（183 ），），E點(diǎn)成分的合金點(diǎn)成分的合金同時(shí)結(jié)晶出同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的 固溶體和固溶體和D點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的 固溶體，形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物：固溶體，形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物：L ( + )p共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)，一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)，生成的兩相混合物叫

31、共晶體。生成的兩相混合物叫共晶體。p共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體或共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體或共晶組共晶組織?？?。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度共晶溫度。代表共晶溫度和共。代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。共晶點(diǎn)。Pb-Sn共晶組織共晶組織p具有共晶成分的合金稱具有共晶成分的合金稱共晶合金共晶合金。p在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金亞共晶合金，位于共晶點(diǎn)以右的合金稱位于共晶點(diǎn)以右的合金稱過共晶合金過共晶合金。p凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度時(shí)都將發(fā)生凡具有共晶線成分

32、的合金液體冷卻到共晶溫度時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)。Pb-Sn合金的結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程典型成分舉例典型成分舉例1、含、含Sn量小于量小于C點(diǎn)合金點(diǎn)合金(（1）合金）合金)的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程n在在3點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相 固溶體，這種直接從液固溶體，這種直接從液相中結(jié)晶出的固相稱相中結(jié)晶出的固相稱一次相或初生相一次相或初生相。n溫度降到溫度降到3點(diǎn)以下，點(diǎn)以下， 固溶體被固溶體被Sn過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相（相變過程也稱析出）新相 相。由已有固相析出的新固相稱相。由已有固相析出的新固相稱二次相二

33、次相或次生相或次生相。由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。n形成二次相的過程稱二次析出形成二次相的過程稱二次析出, 是固態(tài)相變的一種。是固態(tài)相變的一種。隨溫度下降，隨溫度下降， 和和 相的成分分別沿相的成分分別沿CFCF線和線和DGDG線變化，線變化， 的重量增加。的重量增加。室溫下室溫下 的相對(duì)重量百分比為：的相對(duì)重量百分比為：由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。n合金室溫組織合金室溫組織為為 + 。l成分大于成分大于 e點(diǎn)合金結(jié)晶過程點(diǎn)合金結(jié)晶過程與（與（11）合金相似，室溫）合金相似，室溫組織為組織為 + 。（11）2、具有共晶成分合金的

34、結(jié)晶過程（、具有共晶成分合金的結(jié)晶過程（2）合金）合金）p 合金合金（共晶合金共晶合金）的室溫組織）的室溫組織共晶體共晶體(+)p室溫下的組成相室溫下的組成相相和相和相相共晶合金組織的共晶合金組織的形態(tài)形態(tài) n在共晶轉(zhuǎn)變過程中，在共晶轉(zhuǎn)變過程中，L、 、 三相共存三相共存, 三個(gè)相的量在不三個(gè)相的量在不斷變化，但它們各自成分是斷變化，但它們各自成分是固定的。固定的。n共晶組織中的相稱共晶相共晶組織中的相稱共晶相.共共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)， 和和 相的相的相對(duì)重量百分比為：相對(duì)重量百分比為：n析出過程中兩相相間形核、互析出過程中兩相相間形核、互相促進(jìn)、共同長(zhǎng)大，因而共晶相促進(jìn)、共同長(zhǎng)大，因

35、而共晶組織較細(xì)，呈片、棒、點(diǎn)球等組織較細(xì)，呈片、棒、點(diǎn)球等形狀。形狀。共晶組織形態(tài)共晶組織形態(tài)層片狀層片狀(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)條棒狀條棒狀(Sb-MnSb橫截面橫截面)螺旋狀（螺旋狀（Zn-Mg）其他合金的其他合金的共晶組織形態(tài)共晶組織形態(tài)3、具有亞共晶成分合金的結(jié)晶過程（、具有亞共晶成分合金的結(jié)晶過程（3）合金）合金）p 合金合金 （亞共晶合金亞共晶合金）的室溫組織）的室溫組織合金室溫組織：合金室溫組織：初生初生+二次二次+(+) p共晶溫度下的組織組成物共晶溫度下的組織組成物、(+) p 室溫下的組成相室溫下的組成相相、相、相相 p室溫下組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)室溫下組成相的質(zhì)量分

36、數(shù)p共晶溫度下組織共晶溫度下組織 組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)33100%100%x gfxWWfgfg()2100%2100%dWcdcWcdl合金合金 （過共晶合金過共晶合金）的平衡結(jié)晶過程）的平衡結(jié)晶過程 p室溫組織室溫組織 初生初生+二次二次+(+) 練習(xí)練習(xí)分析過共晶合金的結(jié)晶過程分析過共晶合金的結(jié)晶過程 亞共晶合金組織亞共晶合金組織 過共晶合金組織過共晶合金組織 亞共晶合金和過共晶合金組織亞共晶合金和過共晶合金組織初生初生+二次二次+(+) 初生初生+二次二次+(+)（1）相與組織組成物的聯(lián)系）相與組織組成物的聯(lián)系相是組織組成物的基礎(chǔ)。相是組織組成物的基礎(chǔ)。任何組織組成物都是由

37、一相或多相組成的。任何組織組成物都是由一相或多相組成的。（2）相與組織組成物的區(qū)別）相與組織組成物的區(qū)別組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。它可以是單相（它可以是單相（如：如： 和和 , 和和 ），也可以是多相混合物（），也可以是多相混合物（如：共晶體如：共晶體( + )）相與相之間的差別主要在相與相之間的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分結(jié)構(gòu)和成分上。上。組織組成物之間的差別主要在組織組成物之間的差別主要在形態(tài)形態(tài)上。上。如如 、 和共晶和共晶 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個(gè)相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組成成分相同，屬同一個(gè)相，但它們的形態(tài)不同，分屬

38、不同的組織組成物。物。組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物在相圖上的標(biāo)注+組織組成物組織組成物在相圖上的標(biāo)注在相圖上的標(biāo)注當(dāng)兩組元在當(dāng)兩組元在液態(tài)下液態(tài)下完全互溶完全互溶，在固態(tài)下，在固態(tài)下有限互溶有限互溶，并發(fā)生包，并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作包晶相圖。圖稱作包晶相圖。Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相圖合金具有包晶相圖以以Pt-Ag相圖為例簡(jiǎn)相圖為例簡(jiǎn)要分析要分析Pt-Ag合金相圖合金相圖3 3、二元包晶相圖、二元包晶相圖相圖分析相圖分析單相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：L、 、二相區(qū)：二相區(qū)：L+ 、 L+ 、 + 三相區(qū)：三相區(qū)：L+ + （水平線（水平線PDC）n水平

39、線水平線PDC稱稱包晶線包晶線，與該線成分對(duì)應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)：，與該線成分對(duì)應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)：LC+ P D 。該反應(yīng)是液相該反應(yīng)是液相L包著固相包著固相 , 新相新相 在在L與與的界面上形核，的界面上形核，并向并向L和和 兩個(gè)方向長(zhǎng)大。兩個(gè)方向長(zhǎng)大。在一定溫度下，由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一新固在一定溫度下，由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一新固相的反應(yīng)稱相的反應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變或或包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)。合金的結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程 包晶成分合金：勻晶包晶成分合金：勻晶包晶包晶二次析出。二次析出。室溫組織為室溫組織為 + II PD成分成分合金：勻晶合金：勻晶包晶包晶

40、二次析出。二次析出。室溫組織為室溫組織為 +II+ + II時(shí)間溫度 DC成分成分合金：勻晶合金：勻晶包晶包晶勻晶勻晶二次析出二次析出n室溫組織為室溫組織為 + II。時(shí)間溫度l穩(wěn)定化合物是指在熔化穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物前不發(fā)生分解的化合物(如如Mg-Si系的系的Mg2Si和和Fe-C系系的的Fe3C) 。l穩(wěn)定化合物成分固定，穩(wěn)定化合物成分固定，在相圖中是一條垂線在相圖中是一條垂線(代表代表一個(gè)單相區(qū)一個(gè)單相區(qū))。垂足是其。垂足是其成成分分, 頂點(diǎn)是其熔點(diǎn)頂點(diǎn)是其熔點(diǎn), 結(jié)晶過結(jié)晶過程同純金屬。程同純金屬。l分析這類相圖時(shí)，可把分析這類相圖時(shí)，可把穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元看穩(wěn)定

41、化合物當(dāng)作純組元看待，將相圖分成幾個(gè)部分待，將相圖分成幾個(gè)部分進(jìn)行分析。進(jìn)行分析。Mg2SiMg2Si+SiMg+ Mg2SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mg4 4、形成穩(wěn)定化合物的相圖、形成穩(wěn)定化合物的相圖l共析反應(yīng)共析反應(yīng)(共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變)是指在是指在一定溫度下，由一定成分的一定溫度下，由一定成分的固相固相同時(shí)析出同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相構(gòu)完全不同的新固相的過程。的過程。共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。 5 5、二元共析相圖、二元共析相圖n共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。n最常見的共析轉(zhuǎn)變是鐵最常見的共析轉(zhuǎn)變是鐵碳

42、合金中的珠光體轉(zhuǎn)變碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變: S P+ Fe3C 。l共析反應(yīng)共析反應(yīng)(共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。PS( 奧氏體，奧氏體， 鐵素體，鐵素體，F(xiàn)e3C滲碳體滲碳體)5 5、二元共析相圖、二元共析相圖與共晶反應(yīng)不同的是，與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的共析反應(yīng)的母相是固母相是固相相，而不是液相。，而不是液相。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖n共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠共析反應(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

43、相的機(jī)械混合物（鐵素體光體），也是兩相的機(jī)械混合物（鐵素體+滲碳體滲碳體)。l由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過冷度大，因而共冷度大，因而共析組織比共晶組析組織比共晶組織細(xì)?？椉?xì)。珠光體珠光體常見三相等溫水平線上的反應(yīng) Fe-C合金相圖合金相圖三、相圖與合金性能之間的關(guān)系三、相圖與合金性能之間的關(guān)系 相圖與合金力學(xué)性能、物理相圖與合金力學(xué)性能、物理性能的關(guān)系性能的關(guān)系 兩相機(jī)械混合物的合金兩相機(jī)械混合物的合金:性能性能與合金成分呈直線關(guān)系，是與合金成分呈直線關(guān)系，是兩相性能的算術(shù)平均值，如：兩相性能的算術(shù)平均值，如： 混混= Q + Q HB混混=HB Q +HBQ(Q 、Q為兩相相對(duì)重量為兩相相對(duì)

44、重量) 單相固溶體的合金：?jiǎn)蜗喙倘荏w的合金：性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)含量增加，含量增加，、HB、 增加，增加，塑性下降。塑性下降。 形成穩(wěn)定化合物的合金：形成穩(wěn)定化合物的合金：性能性能-成分曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。成分曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。n 相圖與鑄造性能的關(guān)系相圖與鑄造性能的關(guān)系 l固溶體合金液固相線間固溶體合金液固相線間距越大、偏析傾向大距越大、偏析傾向大, 樹樹枝晶發(fā)達(dá)枝晶發(fā)達(dá), 流動(dòng)性降低流動(dòng)性降低, 補(bǔ)縮能力下降補(bǔ)縮能力下降, 分散縮孔分散縮孔增加增加. l共晶合金結(jié)晶溫度低，共晶合金結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性好，縮孔集中，流動(dòng)性好，縮孔集中， 偏析小，偏析小， 鑄造性能好。

45、鑄造性能好。2.1 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié)合金相圖合金相圖l 勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖l 共析相圖、含有穩(wěn)定化合物的相圖共析相圖、含有穩(wěn)定化合物的相圖二元合金二相區(qū)結(jié)晶規(guī)律二元合金二相區(qū)結(jié)晶規(guī)律l 變溫結(jié)晶變溫結(jié)晶l 兩相的成分確定兩相的成分確定l 溫度一定時(shí)溫度一定時(shí), 兩相的質(zhì)量符合杠桿定律兩相的質(zhì)量符合杠桿定律什么是鐵碳相圖？什么是鐵碳相圖？l鐵碳合金主要是指鐵碳合金主要是指碳碳鋼鋼和和鑄鐵鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。用最廣的合金。l鋼鋼C=0.0218 2.11%l鑄鐵鑄鐵C= 2.11 6.69%第三節(jié)第三節(jié) 鐵碳合金相圖鐵

46、碳合金相圖一、一、 鐵碳相圖的特征鐵碳相圖的特征l鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：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。它們都可以作為純組元看待。l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)用價(jià)值。用價(jià)值。l實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe- Fe3C相圖。相圖。l 鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工鐵碳合金最基本的工具。具。l 是研究碳鋼和鑄鐵的是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)?；A(chǔ)。l

47、 是制定熱加工、熱處是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù)。藝依據(jù)。 鐵碳合金的組元鐵碳合金的組元l Fe組元組元l 鐵是過渡族元素鐵是過渡族元素, 熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)為熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)為1538, 相對(duì)密度是相對(duì)密度是7.87g/cm3。 l 純鐵從液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)后純鐵從液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)后, 繼續(xù)冷卻到繼續(xù)冷卻到1394及及912時(shí)時(shí), 先后先后發(fā)生兩次發(fā)生兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。l 性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)：強(qiáng)度低強(qiáng)度低、硬度低硬度低、塑性好塑性好b 0.2 k HB180-230 MPa100-170 MPa 30-50% 70-80%1.6-2106 J/m2 50-80HB

48、 1394912 - Fe - Fe - Fel Fe3C組元組元l Fe3C是是Fe與與C的一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物的一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物, 通常稱為滲通常稱為滲碳體碳體, 用用Cm表示。表示。l 性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)：硬而脆硬而脆，塑性幾乎為零塑性幾乎為零b ak HB30 MPa000800HB 鐵碳合金的相鐵碳合金的相鐵素體鐵素體l 鐵素體鐵素體l碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱鐵素體鐵素體, 用用F 或或 表示。表示。l碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱 - 鐵素體鐵素體，用用 表示。表示。 l二者都是體心立方間隙固溶體。二者都是體心立方間隙固溶體。l鐵素體的

49、溶碳能力很低，在鐵素體的溶碳能力很低，在727時(shí)最大為時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為，室溫下僅為0.0008%。l鐵素體為多面體晶粒，鐵素體為多面體晶粒，性能與純性能與純鐵相似鐵相似。l 奧氏體奧氏體l碳在碳在 -Fe中的固溶體，用中的固溶體，用A或或 表表示。示。l是面心立方晶格的間隙固溶體。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，溶碳能力比鐵素體大，1148時(shí)時(shí)最大為最大為2.11%。l組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。較直。強(qiáng)度低、塑性好強(qiáng)度低、塑性好，鋼材熱，鋼材熱加工都在加工都在 區(qū)進(jìn)行區(qū)進(jìn)行.l碳鋼室溫組織中無奧氏體。碳鋼室溫組織中無奧氏體。

50、奧氏體奧氏體l 滲碳體滲碳體l就是就是Fe3C組元，含碳組元，含碳6.69%l是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 該反應(yīng)對(duì)鑄鐵有重要意義。該反應(yīng)對(duì)鑄鐵有重要意義。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很小，中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以以Fe3C或石墨的形式存在。或石墨的形式存在。 l根據(jù)生成條件不同有根據(jù)生成條件不同有條狀條狀、網(wǎng)狀網(wǎng)狀、片狀片狀、粒狀粒狀等形態(tài)，等形態(tài)，鐵碳合金的鐵碳合金的機(jī)械性能機(jī)械性能有很大影響。有很大影響。鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼中的滲碳體

51、 鐵碳合金相圖的特鐵碳合金相圖的特征分析征分析l 特征點(diǎn)特征點(diǎn) l J點(diǎn)（包晶點(diǎn)）點(diǎn)（包晶點(diǎn)）l C點(diǎn)（共晶點(diǎn)）點(diǎn)（共晶點(diǎn)） 共晶反應(yīng)產(chǎn)物稱在恒溫下進(jìn)行，共晶反應(yīng)產(chǎn)物稱在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過程中反應(yīng)過程中L、A、Fe3C三相共存，三相成分一定。三相共存，三相成分一定。 l C點(diǎn)（共晶點(diǎn)）點(diǎn)（共晶點(diǎn)） 共晶反應(yīng)產(chǎn)物是奧氏體與共晶反應(yīng)產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的混和物，稱滲碳體的混和物，稱萊氏萊氏體（體（Le）。 其中的滲碳體稱其中的滲碳體稱共晶滲碳共晶滲碳體體。 萊氏體硬度高，脆性大。萊氏體硬度高，脆性大。 為什么萊氏體硬度高，脆性大為什么萊氏體硬度高，脆性大?萊氏體組織形態(tài)萊氏體組織形態(tài)塊狀或粒狀塊狀

52、或粒狀A(yù)(727時(shí)轉(zhuǎn)變成珠光體時(shí)轉(zhuǎn)變成珠光體)分布在滲碳體基體上分布在滲碳體基體上l S點(diǎn)（共析點(diǎn)）點(diǎn)（共析點(diǎn)） 共析反應(yīng)的產(chǎn)物是鐵素體共析反應(yīng)的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物與滲碳體的共析混合物, 稱稱珠光體珠光體，以符號(hào)，以符號(hào)P表示。表示。 珠光體中的滲碳體稱珠光體中的滲碳體稱共析共析滲碳體滲碳體。 共析反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行共析反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行, 反應(yīng)過程中，反應(yīng)過程中，A、F、Fe3C三相共存，三相成分一定。三相共存，三相成分一定。珠光體組織形態(tài)珠光體組織形態(tài)呈層片狀，相間分布滲碳體片與鐵素體片呈層片狀，相間分布滲碳體片與鐵素體片 珠光體性能珠光體性能強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體

53、和鐵素體之間。強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間?？估瓘?qiáng)度極限抗拉強(qiáng)度極限/b 沖擊韌性沖擊韌性ak 延伸率延伸率硬度硬度 770 MPa 3105 J/m2 4105 J/m2 20%35%180 HB l E點(diǎn)點(diǎn) 1148，2.11%C， 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度l P點(diǎn)點(diǎn) 727，0.0218%C， 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 l B點(diǎn)點(diǎn) 1495,0.53 %C，包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分l 特征線特征線l 水平線水平線HJB :包晶反應(yīng)線包晶反應(yīng)線 發(fā)生發(fā)生包晶反應(yīng)。包晶反應(yīng)。l 水平線水平線ECF :共晶反應(yīng)線共

54、晶反應(yīng)線 發(fā)發(fā)生共晶反應(yīng)。生共晶反應(yīng)。l 水平線水平線PSK :共析反應(yīng)線共析反應(yīng)線 發(fā)發(fā)生共析反應(yīng)。生共析反應(yīng)。l GS線線 A中開始析出中開始析出F臨界溫臨界溫度線，度線， 稱稱A3線線。l ES線線 碳在碳在A中的固溶線，中的固溶線，叫叫Acm線。從線。從A中析出中析出Fe3C，叫叫二次滲碳體二次滲碳體(Fe3CII)。亦是。亦是A中開始析出中開始析出Fe3CII的臨界溫度線。的臨界溫度線。l PQ線線 是碳在是碳在F中固溶線。是中固溶線。是F中開始析出中開始析出Fe3C的臨界溫度線。的臨界溫度線。Fe3C數(shù)量極少數(shù)量極少, 往往予以忽略。往往予以忽略。l 相區(qū)相區(qū)l 五個(gè)單相區(qū)：五個(gè)單

55、相區(qū)：L、 、 、 、Fe3C l 七個(gè)兩相區(qū)：七個(gè)兩相區(qū)：L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C l 三個(gè)三相區(qū)：三個(gè)三相區(qū)：即即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三條水平線三條水平線 鐵碳合金的分類鐵碳合金的分類按成分可分為按成分可分為3類類l工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵(0.0218%C) 組織為單相鐵素體。組織為單相鐵素體。l鋼鋼(0.02182.11%C)，高，高溫組織為單相奧氏體溫組織為單相奧氏體 l 亞共析鋼亞共析鋼 (0.02180.77%C)l 共析鋼共析鋼 (0.77%C)l 過共析鋼過共析鋼 (0.77

56、2.11%C)二、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程二、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵白口鑄鐵白口鑄鐵 (2.116.69%C)， 鑄造性能好鑄造性能好, 硬而脆硬而脆l(xiāng)亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵(2.114.3%C)l共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵(4.3%C)l過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵(4.36.69%C)共共3類類7種合金種合金工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵幾種碳鋼的鋼號(hào)和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾種碳鋼的鋼號(hào)和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) 類型類型亞共析鋼亞共析鋼 共析共析鋼鋼過共析鋼過共析鋼鋼號(hào)鋼號(hào) 204560T8T10T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.200.450.60 0.801.001.20典型鐵碳合金在典型鐵碳合

57、金在Fe-Fe3C相圖中的位置相圖中的位置工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%l1點(diǎn)以上點(diǎn)以上 液相液相Ll12點(diǎn)點(diǎn) L+ l23點(diǎn)點(diǎn) l34點(diǎn)點(diǎn) + l45點(diǎn)點(diǎn) l56點(diǎn)點(diǎn) + l67點(diǎn)點(diǎn) l78點(diǎn)點(diǎn) 晶界析出晶界析出Fe3CIII 室溫平衡組織室溫平衡組織: F+ Fe3CIII純鐵的室溫平衡組織純鐵的室溫平衡組織 + Fe3CIIIl 組織組成物：組織組成物： ，呈白色塊狀呈白色塊狀；Fe3CIII，量極少，呈小白片狀分量極少，呈小白片狀分布于布于F晶界處。晶界處。l 若忽略若忽略Fe3CIII，則組織全為，則組織全為 。3 3I II II IF Fe

58、e C Cm m a ax x0 0. . 0 02 21 18 8- - 0 0. . 0 00 00 08 8( (W W) )= =1 10 00 0% %6 6. . 6 69 9- - 0 0. . 0 00 00 08 8= = 0 0. . 3 3% %共析鋼的結(jié)晶過程共析鋼的結(jié)晶過程碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77% l12點(diǎn)點(diǎn) L+ l23點(diǎn)點(diǎn) l33點(diǎn)點(diǎn) P l34點(diǎn)點(diǎn) P 共析鋼的室溫共析鋼的室溫平衡組織為平衡組織為: P l共析鋼的共析鋼的室溫組織組成物室溫組織組成物全部是全部是P。l組成相：組成相： 和和Fe3C。它們。它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：片層狀珠光體片層

59、狀珠光體3 3F FFe CFe CSK6. 69- 0. 77SK6. 69- 0. 77W=W=100% = 88. 8%100% = 88. 8%PK6. 69- 0. 0218PK6. 69- 0. 0218PS0. 77- 0. 0218PS0. 77- 0. 0218W=W=100% = 11. 2%100% = 11. 2%PK6. 69- 0. 0218PK6. 69- 0. 0218亞共析鋼的結(jié)晶過程亞共析鋼的結(jié)晶過程碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40% l12點(diǎn)點(diǎn) L+。l22 點(diǎn)點(diǎn) L+ ，反，反應(yīng)結(jié)束還有應(yīng)結(jié)束還有Ll23點(diǎn)點(diǎn) L+ l34點(diǎn)點(diǎn) l45點(diǎn)點(diǎn) + l55點(diǎn)點(diǎn)

60、 P ， 不變化不變化 l56點(diǎn)點(diǎn) P+ l 亞共析鋼組織組成物為亞共析鋼組織組成物為 和和P。 呈白色塊（網(wǎng)）狀；呈白色塊（網(wǎng)）狀；P呈層片狀呈層片狀，放大倍數(shù)不高時(shí)呈放大倍數(shù)不高時(shí)呈黑色塊狀黑色塊狀。l組織組成物含量（組織組成物含量（C=0.4%）l組成相（組成相（ ，F(xiàn)e3C）含量）含量（C=0.4%）3 3F FF Fe e C C5 5K K6 6. . 6 69 9- - 0 0. . 4 4W W= = =1 10 00 0% % = = 9 94 4. . 3 3% %P PK K6 6. . 6 69 9- - 0 0. . 0 02 21 18 8P P5 50 0. .