轮机工程基础第三章合金结构与铁碳合金状态PPT演示课件

1、1, 合金的基本概念 铁碳合金的基本组织 铁碳合金状态图 铁碳合金的成分与其组织和性能的关系 铁碳合金状态图的应用,第三章 合金结构与铁碳合金状态图,2,第一节 合金的基本的概念及结构,组元 组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化合物。 如，Cu-Zn，Fe-Fe3C合金中，Cu、Zn、 Fe、Fe3C均为组元 组元通常为元素，也可以是化合物,相 化学成分和晶体结构相同， 且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。,合金中有两类基本相 固溶体 和 化合物,合金 由两种或两种以上的金属或非金属组成的具有金属特性的物质。,一、基本概念,3,组织（显微组织） 指在金相显微镜下观察到的金属材料内部

2、的微观形貌,组织由相构成， 观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式。,金属材料性能由组织决定， 而组织由化学成分和工艺过程决定。,组织是合金中各种相的综合体，可以是单一相也可以是多相混合物，相的形态，数量和分布等都影响组织性能。,4,二、合金的相结构,1、固溶体 定义：一种组元均匀地溶解在另一种组元中而形成的晶体。 （1）固溶体的分类间隙固溶体（有限）、 置换固溶体（可无限）。 （2）固溶体的性能固溶强化（强度、硬度增加，塑性、韧性下降） 原因：溶质原子溶入晶格畸变变形抗力增加机械性能变化,5,固溶体类型,6,固溶强化,形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象,正常晶格,晶格畸变,7,晶格畸变

3、,小原子置换引起的 晶格畸变,间隙原子引起的 晶格畸变,8,注意： 固溶体是合金中重要的组成相（基本相）。 溶质数量适当，其固溶体在强度硬度提高的 同时，仍有较好的塑性韧性与之配合。 固溶强化是提高金属机械性能的手段之一。 固溶体常为合金的基体组织。,9,2、金属化合物 定义：合金组元间发生相互作用而生成的一种新相。 可以是正常价化合物、电子化合物还可以是间隙化合物 特点：晶格不同于任一组元且复杂，熔点高、硬度高、脆性大。 注意： 金属化合物是合金中重要的组成相 金属化合物在合金中起到重要的强化作用,3、机械混合物 定义：由纯金属、固溶体或金属化合物按一定比例构成的多相组织， 各组成部分仍保持

4、各自的晶体结构和性能。 特点：其机械性能取决于组成相的数量、形态、大小和分布情况。 注意：合金中的基本相固溶体和金属化合物,10,第二节 铁碳合金的基本组织,在铁碳合金中，铁和碳的基本结合方式有两种，即： 形成固溶体 形成金属化合物 一、铁素体（F） 定义：碳溶于-Fe中的间隙固溶体。 特性：具有体心立方晶格； 溶解碳的能力小（727时,最大为0.0218); 塑性、韧性好，强度、硬度低。 低温相,11,二、奥氏体（A） 定义：碳溶于-Fe中的间隙固溶体。 特性：具有面心立方晶格； 溶解碳的能力较大（1148时,最大为2.11%， 727时，为0.77%); 塑性好，变形抗力小； 是高温相。,

5、三、渗碳体（Fe3C） 定义：铁与碳的金属化合物。 特性：含碳量为6.69,熔点约1227； 硬度大，韧性很差，极脆，晶格复杂； 有五个不同的来源，存在的形式也各异 （片状、网状、颗粒状、 板条状等）， 其数量、形状、大小和分布对钢的性能影响很大。 Fe3C是一个亚稳定相，一定条件下会分解,12,四、珠光体（P） 定义：铁素体与渗碳体的机械混合物。 特性：含碳量为0.77； 机械性能介于铁素体与渗碳体之间。,五、莱氏体（Ld、Ld） 定义：渗碳体与奥氏体或珠光体的机械混合物。 特性：含碳量为4.3； 高温莱氏体Ld (Fe3C+A)、 低温莱氏体Ld(Fe3C+P)； 硬而脆。,小结：铁碳合金

6、组织中的基本相（F、A、Fe3C） 基本组织（P、Ld、 Ld）,13,匀晶相图,相图（平衡图、状态图）,平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。,14,铜-镍合金匀晶相图,1083,1455,L,L+ ,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,L L + ,15,共晶相图,Pb,Sn,Sn%,T,C,铅-锡合金共晶相图,液相线,L,固相线, + ,L + ,L + ,固溶线,固溶线,16,共晶转变分析,Pb,Sn,T,C,L, + ,L + ,L + ,共晶反应线 表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,c,e,共晶点 表示d点

7、成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,d,Ld c + e,17,共晶反应要点,共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,18,共析相图,共析转变： ( + ),A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,19,A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,共析反应要点,共析转变在恒温下进行。 转变结果是从一种固相中析出两个不同的固相。 存在一个确定的共析点。 成分在共析线范围的合金都要经历共析转变。,20,杠杆定律,1,2,c,b,a1,b1,

8、c1,T1,T2,1. 在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。,2. 随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。,杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即 QL/Q=b1c1/a1b1,杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为 QL/QH=b1c1/a1c1 Q/QH=a1b1/a1c1 =1- QL/QH,21,枝晶偏析,b,实际生产中，一般合金的冷却速度都很大，由于合金中固相内部的原子扩散来不及充分进行，先结晶的树状枝晶含Ni量高于后结晶的含Ni量，造成晶粒内部和表层成分不均匀，这种现象叫晶内偏析或枝晶偏析

9、。 一般用高温扩散退火消除。,22,第三节 铁碳相图 (Fe-Fe3 C相图),(1) Fe-Fe3 C相图的组元, Fe Fe、-Fe (bcc) 和-Fe (fcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。, Fe3 C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,(2) Fe-Fe3 C相图的相, Fe3 C （ Cm，渗碳体） 金属化合物, 液相 L, 相（A ，奥氏体） -Fe（C）固溶体, 相 （F，铁素体） -Fe（C）固溶体,23,(3) 相图中重要的点和线和相区,24,相图上的特性点及其意义,A-纯铁的熔点（1538）；,G-纯铁的同素异晶转变点（912）；,D-渗碳体的熔点；,C-共晶点（

10、1148），发生共晶反应，生成Ld;,E-固溶点（1148 ），表示奥氏体的最大溶解度；,S-共析点（727），发生共析反应，生成P；,P-固溶点（727）， 表示铁素体的最大溶解度,25,相图中的特性线及其意义,ACD线液相线（结晶开始线）；,AECF线固相线（结晶终了线）；,ECF线共晶线（将发生共晶反应生成Ld）；,ES线（Acm线）固溶线（表示C在A中的溶解度,有Fe3C析出）,PSK线（A1线）共析线（将发生共析反应生成P）;,PQ线固溶线（表示C在F中的溶解度，有Fe3C析出）。,26,相图中的相区,三个单项区L、A、F；,五个两项区L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、F+A、F+

11、Fe3C；,两个三项区L+A+Fe3C、A+F+Fe3C,27,2铁碳合金的平衡结晶过程,Fe-C 合金分类,工业纯铁 C % 0.0218 %,钢 0.0218 % C % 2.11 %,亚共析钢 0.77 %共析钢 0.77 % 过共析钢 0.77 %,白口铸铁 2.11 % C % 6.69 %,亚共晶白口铁 4.3 % 共晶白口铁 4.3 % 过共晶白口铁 4.3 %,几种常见碳钢,28,(1)工业纯铁 ( C % 0.0218 % )结晶过程,室温组织F + Fe3C (微量)500,29,(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程,室温组织: 层片状 P ( F + 共

12、析 Fe3C )500,珠光体 强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。,30,(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程,室温组织: F + P，500,31,(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程,室温组织:P + Fe3CII 400,32,(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程,33,()亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程,室温组织: Ld+ P + Fe3CII 200,34,()过共晶白口铁 ( C % = 5 % )结晶过程,室温组织: Ld+ Fe3CI 500,35,标注了组织组成物的相图,36,第四节

13、 铁碳合金的成分-组织-性能关系,含碳量与相的相对量关系： C %F %，Fe3C %,含碳量与组织关系：图（a）和（b）,含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%而,注意：机械性能的变化是由于渗碳体的数量和形状的变化而引起的，工程中使用的钢，其含碳量一般不超过1.31.4。,37,合金的使用性能与相图的关系 1) 固溶体中溶质浓度 强度、硬度,2) 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。,第五节 铁碳相图的应用,相图性能用途,38,2. 合金的工艺性能与相图的关系,1） 铸造性能 液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。,2）锻造、轧制性能 单