轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态课件

1、轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态1 合金的基本概念合金的基本概念 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金的成分与其组织和性能的关系铁碳合金的成分与其组织和性能的关系 铁碳合金状态图的应用铁碳合金状态图的应用第三章第三章 合金结构与铁碳合金状态图合金结构与铁碳合金状态图轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态2第一节第一节 合金的基本的概念及结构合金的基本的概念及结构组元组元组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化合物组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化合物。如，如，cu-zncu-zn，fe-fefe-fe3 3c c合金中，合金中，cucu、

2、znzn、 fefe、fe3cfe3c均为组元均为组元组元通常为元素，也可以是化合物组元通常为元素，也可以是化合物相相化学成分和晶体结构相同，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。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合金中有两类基本相 固溶体固溶体 和和 化合物化合物合金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。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、基本概念一、基本概念轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态3组织（显微组织）组织（显微组织）指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌指在金相显微镜下观察到的金属材

3、料内部的微观形貌组织由相构成，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。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，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。而组织由化学成分和工艺过程决定。亚共析钢亚共析钢 x400过共析钢过共析钢 x400组织组织是合金中各种相的综合体，可以是单一相也可以是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。多相混合物，相的形态，数量和分布等都影响组织性能。轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态4二、合金的相结构二、合金的相结构1、固溶体、固溶体 定义：一种组元均匀地

4、溶解在另一种组元中而形成的晶体。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 1）固溶体的分类）固溶体的分类间隙固溶体（有限）、间隙固溶体（有限）、 置换固溶体（可无限）。置换固溶体（可无限）。（2 2）固溶体的性能）固溶体的性能固溶强化（强度、硬度增加，塑性、韧性下降）固溶强化（强度、硬度增加，塑性、韧性下降） 原因：溶质原子溶入原因：溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变变形抗力增加变形抗力增加机械性能变化机械性能变化 轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态5固溶体类型固溶体类型zxy间隙原子间隙原子 间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体置换原子置换原子 yxz轮机工程基础合金结构与铁碳

5、合金状态6固溶强化固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格正常晶格晶格畸变晶格畸变轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态7晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的小原子置换引起的晶格畸变晶格畸变间隙原子引起的间隙原子引起的晶格畸变晶格畸变轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态8注意：注意： 固溶体是合金中重要的组成相（基本相）。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。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。固溶强化是提

6、高金属机械性能的手段之一。 固溶体常为合金的基体组织。固溶体常为合金的基体组织。轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态9 2 2、金属化合物、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。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。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：注意： 金属化合物是合金中重要的组成相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金属化合物在合金中起到重要的强化

7、作用 3 3、机械混合物、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，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， 各组成部分仍保持各自的晶体结构和性能。各组成部分仍保持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。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：合金中的基本相注意：合金中的基本相固溶体和金属化合物固溶体和金属化合物轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态10第二节第二节 铁碳合金的基本组织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：在铁碳合金中，铁和碳的基本结合方

8、式有两种，即： 形成固溶体形成固溶体形成金属化合物形成金属化合物一、铁素体（一、铁素体（f f） 定义：碳溶于定义：碳溶于-fe-fe中的间隙固溶体。中的间隙固溶体。 特性：具有体心立方晶格；特性：具有体心立方晶格； 溶解碳的能力小（溶解碳的能力小（727727时时, ,最大为最大为0.02180.0218);); 塑性、韧性好，强度、硬度低。塑性、韧性好，强度、硬度低。 低温相低温相轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态11二、奥氏体（二、奥氏体（a a） 定义：碳溶于定义：碳溶于-fe-fe中的中的间隙固溶体。间隙固溶体。 特性：具有面心立方晶格；特性：具有面心立方晶格； 溶解碳的能力较大（溶

9、解碳的能力较大（11481148时时, ,最大为最大为2.11%2.11%， 727 727时，为时，为0.77%);0.77%); 塑性好，变形抗力小；塑性好，变形抗力小； 是高温相。是高温相。三、渗碳体（三、渗碳体（fefe3 3c c） 定义：铁与碳的金属化合物。定义：铁与碳的金属化合物。 特性：含碳量为特性：含碳量为6.696.69,熔点约熔点约1227； 硬度大，韧性很差，极脆，晶格复杂；硬度大，韧性很差，极脆，晶格复杂； 有五个不同的来源，存在的形式也各异有五个不同的来源，存在的形式也各异 （片状、网状、颗粒状、（片状、网状、颗粒状、 板条状等），板条状等）， 其数量、形状、大小和

10、分布对钢的性能影响很大其数量、形状、大小和分布对钢的性能影响很大。 fefe3 3c c是一个亚稳定相，一定条件下会分解是一个亚稳定相，一定条件下会分解轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态12四、珠光体（四、珠光体（p） 定义：铁素体与渗碳体的机械混合物。定义：铁素体与渗碳体的机械混合物。 特性：含碳量为特性：含碳量为0.770.77； 机械性能介于铁素体与渗碳体之间。机械性能介于铁素体与渗碳体之间。 五、莱氏体（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。定义：渗碳体与奥氏体或珠光体的机械混合物。 特性：含碳量为特性：含碳量为4.3； 高温莱氏体高温莱氏体ld (fe3

11、c+a)、 低温莱氏体低温莱氏体ld(fe3c+p)； 硬而脆。硬而脆。小结：铁碳合金组织中的基本相小结：铁碳合金组织中的基本相（f、a、fe3c） 基本组织基本组织（p、ld、 ld）轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态13匀晶相图匀晶相图相图相图（平衡图、状态图）（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。平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。 cunini%t,c2040608010010001100120013001400150010831455l l+ 轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态14铜铜-镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图cunini%t,c204

12、0608010010001100120013001400150010831455l l+ 纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区l l + 轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态15共晶相图共晶相图pbsnsn%t, c铅铅-锡合金共晶相图锡合金共晶相图液相线液相线l固相线固相线 + l + l + 固溶线固溶线 固溶线固溶线轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态16共晶转变分析共晶转变分析pbsnt, cl + l + l + 共晶反应线共晶反应线表示从表示从c点到点到e点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上都要发该温度上都要发生不同程

13、度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。ce共晶点共晶点表示表示d点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。dld c + e轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态17共晶反应要点共晶反应要点pbsnt, cl + l + l + 183ced 共晶转变在恒温下进行。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。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。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。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。轮机工

14、程基础合金结构与铁碳合金状态18共析相图共析相图共析转变共析转变： ( + )abt, c + + + cedl + l轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态19abt, c + + + ced共析反应要点共析反应要点 共析转变在恒温下进行。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。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。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。成分在共析线范围的合金都要经历共析转变。轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态20杠杆定律杠杆定律cunini%t,c20406080100100011001200130

15、01400150010831455l l+ 12cba1b1c1t1t21. 1. 在两相区内，对在两相区内，对应每一确定的温度，应每一确定的温度，两相的成分是确定的。两相的成分是确定的。2. 2. 随着温度的降低，随着温度的降低，两相的成分分别沿液两相的成分分别沿液相线和固相线变化。相线和固相线变化。杠杆定律杠杆定律：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：杠杆定律推论：在两在两相区内，对应温度相区内，对应温度t1t1时两相在合金时两相在合金b b中的相中的相对质量各为对质量各为q ql l/q/qh h=b=b1 1c c1

16、1/a/a1 1c c1 1q q /q/qh h=a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=1- =1- q ql l/q/qh h轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态21枝晶偏析枝晶偏析cunini%t,c2040608010010001100120013001400150010831455l l+ 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来不及充分进行，先结晶的树状枝晶含nini量高于后结晶的含量高于后结晶的含nini量，造成晶粒量，造成晶粒内部和表层成

17、分不均匀，这种现象叫晶内偏析或枝晶偏析。内部和表层成分不均匀，这种现象叫晶内偏析或枝晶偏析。一般用高温扩散退火消除。一般用高温扩散退火消除。轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态22第三节第三节 铁碳相图铁碳相图 (fe-fe3 c相图相图)(1) (1) fe-fefe-fe3 3 c c相图的组元相图的组元 fe fe fefe、-fe (bcc) -fe (bcc) 和和-fe (fcc)-fe (fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。强度、硬度低，韧性、塑性好。 fefe3 3 c c 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2) (2) fe-fefe-f

18、e3 3 c c相图的相相图的相 fefe3 3 c c （ cm cm，渗碳体）渗碳体） 金属化合物金属化合物 液相液相 l l 相（相（a a ，奥氏体）奥氏体） -fe-fe（c c）固溶体固溶体 相相 （f f，铁素体）铁素体） -fe-fe（c c）固溶体固溶体轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态23(3) (3) 相图中重要的点和线和相区相图中重要的点和线和相区轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态24相图上的特性点及其意义相图上的特性点及其意义a-a-纯铁的熔点（纯铁的熔点（15381538）；）； g-g-纯铁的同素异晶转变点（纯铁的同素异晶转变点（912912）；）； d-d-渗碳

19、体的熔点；渗碳体的熔点；c-c-共晶点（共晶点（11481148），发生共晶反应，生成），发生共晶反应，生成ld;l4.3 ld (a2.11%+fe3c共晶共晶)1148 e-e-固溶点（固溶点（11481148 ），表示），表示奥氏体的最大溶解度；奥氏体的最大溶解度；s-s-共析点（共析点（727727），发生共析反应，生成），发生共析反应，生成p；a0.77 p (f0.0218%+fe3c共析共析)727 p-p-固溶点（固溶点（727727），）， 表示铁素体的最大溶解度表示铁素体的最大溶解度轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态25相图中的特性线及其意义相图中的特性线及其意义acdac

20、d线线液相线（结晶开始线）；液相线（结晶开始线）；aecfaecf线线固相线（结晶终了线）；固相线（结晶终了线）；ecfecf线线共晶线（将发生共晶反应生成共晶线（将发生共晶反应生成l ld d）；）；eses线线（a acmcm线）固溶线（表示线）固溶线（表示c c在在a a中的溶解度中的溶解度, ,有有fefe3 3c c析出）析出）gsgs线线（a a3 3线）同素异构转变线（线）同素异构转变线（a f a f 开始线）；开始线）；pskpsk线线（a a1 1线）共析线（将发生共析反应生成线）共析线（将发生共析反应生成p p）; ;gpgp线线同素异构转变线（同素异构转变线（a f a

21、 f 终了线）；终了线）；pqpq线线固溶线（表示固溶线（表示c c在在f f中的溶解度，有中的溶解度，有fefe3 3c c析出）。析出）。轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态26相图中的相区相图中的相区三个单项区三个单项区ll、a a、f f；五个两项区五个两项区l+al+a、l+fel+fe3 3c c、a+fea+fe3 3c c、f+af+a、f+fef+fe3 3c c；两个三项区两个三项区l+a+fel+a+fe3 3c c、a+f+fea+f+fe3 3c c轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态272 2铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金的平衡结晶过程fe-c 合金分类合金分类工业纯铁

22、工业纯铁 c % 0.0218 %c % 0.0218 %钢钢 0.0218 % 0.0218 % c % 2.11 %c % 2.11 %亚共析钢亚共析钢 0.77 % 0.77 %共析钢共析钢 0.77 % 0.77 % 过共析钢过共析钢 0.77 % 0.77 %白口铸铁白口铸铁 2.11 % 2.11 % c % c % 6.69 % 6.69 %亚共晶白口铁亚共晶白口铁 4.3 % 4.3 % 共晶白口铁共晶白口铁 4.3 % 4.3 % 过共晶白口铁过共晶白口铁 4.3 % 4.3 %类型类型亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢钢号钢号204560t8t10t12碳质量分数

23、碳质量分数0.200.450.600.801.001.20几种几种常见常见碳钢碳钢轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态28(1)(1)工业纯铁工业纯铁 ( ( c % 0.0218 % )c % 0.0218 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织f f + + fefe3 3c c (微量)500500轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态29(2)(2)共析钢共析钢 ( c % = 0.77 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : 层片状层片状 p p ( ( f f + + 共析共析 fefe3 3c c ) )500500珠光体珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于fe3c 和 f 之间

24、。轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态30(3)(3)亚共析钢亚共析钢 ( c % = 0.4 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : f f + + p p，500500轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态31(4)(4)过共析钢过共析钢 ( c % = 1.2 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :p p + + fefe3c cii 4 40000轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态32(5)(5)共晶白口铁共晶白口铁 ( ( c % c % = = 4.3 % 4.3 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : （低温）莱氏体（低温）莱氏体 ldld （p + fep +

25、fe3c cii + + 共晶共晶 fefe3c c ）, 5, 50000莱氏体莱氏体 ldld的性能：的性能：硬而脆硬而脆轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态33( () )亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( ( c % c % = = 3 % 3 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :ldld+ + p p + + fefe3c cii 2 20000轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态34( () )过共晶白口铁过共晶白口铁 ( ( c % c % = = 5 % ) 5 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :ldld+ + fefe3c ci 5 50000轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态35标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图轮机工程基础合金结构与铁碳合金状态36第四节第四节 铁碳合金的铁碳合金的成分成分-组织组织-性能关系性能关系含碳量与相的相对量关系：含碳量与相的相对量关系：c c %f%f %，fefe3 3c c %含碳量与组织关系：含碳量与组织关系：图（图（a a）和（和（b b）含碳量与性能关系含碳量与性能关系hbhb：取决于相及相对量取决于相及相对量强度：强度：c%=0.9% c%=0.9% 时最大时最大塑性、韧性：随塑