第二章金属材料的凝固与固态相变

1、v 2.1 纯金属的结晶v 2.2 合金的凝固v 2.3 铁碳合金相图v 2.4 钢在加热时的转变v 2.5 钢在冷却时的转变 2.1纯金属的结晶纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )2.1.1 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念2.1.2 结晶的现象与规律结晶的现象与规律2.1.3 同素异晶同素异晶( (构构) )转变转变 2.1.1 2.1.1凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.凝固凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。2.结晶结晶 ( crystal ) * *晶体物质由晶体物质由一种原子排列状态一种原子

2、排列状态转变转变成成另一种原子规则排列状态另一种原子规则排列状态的过程。的过程。 * *物质中的原子由物质中的原子由近程有序排列近程有序排列向向远远 程有序排列程有序排列的过程。的过程。2.金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程有序结构2.1.2结晶的现象与规律结晶的现象与规律(1)(1)结晶的一般过程结晶的一般过程微小微小晶核晶核长大长大晶体晶体To(2)结晶的过冷现象结晶的过冷现象1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶

3、潜热导致)2. 过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度过冷现象过冷现象 ( supercooling )过冷度过冷度 ( degree of supercooling ) T = T0 Tn过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。 (3)(3)结晶的一般规律结晶的一般规律形核形核长大长大1.晶核的形成晶核的形成在一定的过冷度下晶核就形成。在一定的过冷度下晶核就形成。晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自发形核自发形核晶体核心是从液体结构内部自发长出的。晶体核心是从液体结构内部自发长出的。 * *非自发形核非自发形核晶核是依附于外来杂质而生成的。晶核是依附于外来杂质而生成的。2.晶核的长大方

4、式晶核的长大方式树枝状树枝状I I次晶轴次晶轴IIII次晶轴次晶轴IIIIII次晶轴次晶轴金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶3.影响形核和长大的因素影响形核和长大的因素v过冷度过冷度的影响的影响v难熔杂质难熔杂质的影响的影响形核率：形核率：在单位时间内，单位体积中所产生在单位时间内，单位体积中所产生的晶核数称为形核率，以的晶核数称为形核率，以N表示。表示。长大率：长大率：单位时间内晶核长大的平均速度，单位时间内晶核长大的平均速度，以以G表示。表示。1)过冷度的影响过冷度的影响2)难熔杂质的影响难熔杂质的影响 金属结晶过程中，非自发形核的

5、金属结晶过程中，非自发形核的作用往往是主要的。作用往往是主要的。 高熔点的杂质，特别是当杂质的高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构和金属的晶体结构相似时，晶体结构和金属的晶体结构相似时，将强烈的促使非自发形核，提高形核将强烈的促使非自发形核，提高形核率。率。（4 4）细化晶粒的途径）细化晶粒的途径v提高冷却速度提高冷却速度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小v变质处理变质处理v机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。晶粒度：晶粒度：晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目晶粒的数目Zv或单位面积上晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目Zs表示。

6、表示。3/4vZ0.9(/)N G1/2Z1.1(/)SN G纯铁的纯铁的同素异晶同素异晶( allomorph )转变转变反应式反应式:2.1.3金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe - Fe 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe 2.2 合金的凝固合金的凝固 2.2.12.2.1二元合金相图与凝固二元合金相图与凝固相图相图（phase diagram)phase diagram) 又称平衡图或状

7、态图，是表明合金系中又称平衡图或状态图，是表明合金系中不同成分的合金在不同温度下所存在的相以不同成分的合金在不同温度下所存在的相以及相与相之间关系的图形。及相与相之间关系的图形。热热 分分 析析 法法相图的建立相图的建立时间时间温度90 705030AB温度A温度B温度名称名称A金属金属B金属金属晶格类型晶格类型bccbcc熔点熔点高高低低合金合金1100%0%合金合金290%10%合金合金380%20%.合金合金920%80%合金合金1010%90%合金合金110%100%abab : 液相线液相线ab : 固相线固相线LL + SSL : 液相区液相区S : 固相区固相区L+S:液固共存区

8、液固共存区AB温度（1）匀晶相图）匀晶相图匀晶相图的结晶过程匀晶相图的结晶过程 两组元在液态和固态均能无限互溶所两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。构成的相图称为二元匀晶相图。TLTSTnbac杠杆定理杠杆定理QS=(bcab) 100% QL=(acab) 100% QS + QL = 1aQS + bQL = cABabLS温度QLQs（2）共晶相图共晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解（或不溶），并在结晶时发生共晶转变所构成（或不溶），并在结晶时发生共晶转变所构成 的相图称为二元共晶相图。的相图称为二元共晶相图。cdeL

9、 共晶转变的特征：反应相是液相，位于水平线中间的上方；所形成的是两个不同的固相，其成分点位于水平线两端。1.1.共晶合金的结晶过程共晶合金的结晶过程固相中析出的固相称固相中析出的固相称做次生相或二次相，做次生相或二次相，以下标以下标IIII表示。表示。2.2.亚共晶合金的结晶过程亚共晶合金的结晶过程3.3.不同成分合金的结晶组织不同成分合金的结晶组织例例2.12.12.11.2.3.3.4.（3）共析相图）共析相图 是双层相图，上层是匀晶相图，下层类似是双层相图，上层是匀晶相图，下层类似共晶相图，称共析相图。共晶相图，称共析相图。SPK 共析转变的特征：反应相是固相，位于水平线中间的上方；所形

10、成的是两个不同的固相，其成分点位于水平线两端。包晶转变的特征：反应相是液相和一个固相，其成分点位于水平线两端；所形成的另一个固相位于水平线中间的下方。（4）包晶相图）包晶相图 在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变，的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变，称为包晶转变。称为包晶转变。 两组元在液态无限互溶，两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶并发生包晶在固态有限互溶并发生包晶转变的二元合金系相图，称转变的二元合金系相图，称为包晶相图。为包晶相图。BHJLA 2.2.2相图与合金物理、力学性能之间的关系相图与

11、合金物理、力学性能之间的关系 合金的流动性、缩孔性质合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系与相图之间的关系2.3铁碳合金相图铁碳合金相图 ( Iron Carbon Phase Diagram ) 2.3.1 Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的相图组元和基本组织的 结构与性能结构与性能2.3.2 Fe - Fe3C 相图分析相图分析2.3.3 碳的质量分数对铁碳合金组织、碳的质量分数对铁碳合金组织、 性能的影响性能的影响2.3.4 Fe - Fe3C 相图的应用。相图的应用。 2.3.1 Fe - Fe3C 相图组元和基本相图组元和基本 组织的结构与性能组织的结构与性能 (1)(1)组

12、元组元 * * 铁铁 ( ferrite ) * * 渗碳体渗碳体 ( Cementite )(2)基本组织基本组织1.铁素体铁素体 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于碳溶于Fe中形成中形成的间隙固溶体。的间隙固溶体。2.奥氏体奥氏体 ( A ) Austenite 碳溶于碳溶于-Fe中形成中形成的间隙固溶体。的间隙固溶体。3. 渗碳体渗碳体 ( Fe3C ) Cementite 铁与碳形铁与碳形的金属化合物。的金属化合物。 4.珠光体珠光体 ( P ) - Pearite 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。5.莱氏体莱氏体 ( Ld ) - Ledebu

13、rite 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。2.3.2 Fe - Fe3C 相图分析相图分析 Fe - Fe3C 相图相图五个重要的成份点五个重要的成份点: P、S、E、C、K。四条重要的线四条重要的线: EF、ES、GS、FK。三个重要转变三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶包晶转变反应式、共晶 转变反应式、共析转变反应式。转变反应式、共析转变反应式。二二个重要温度个重要温度: 1148 、727 。1.包晶转变反应式包晶转变反应式:LB + H AJ14953.共析转变反应式共析转变反应式:AS ( FP + Fe3C ) P 7272.共晶转变反应式共晶转变

14、反应式:LC ( AE + Fe3C ) Le 11482.3.3典型铁碳合金的结晶过程分析典型铁碳合金的结晶过程分析工业纯铁工业纯铁 ( ingot iron )共析钢共析钢 ( eutectoid steel )亚共析钢亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )过共析钢过共析钢 ( hypereutectoid steel )共晶白口铁共晶白口铁 ( eutectoid white iron )亚共晶白口铁亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )过共晶白口铁过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )12765431234

15、1231234123112233PECKS(1)工业纯铁工业纯铁( Wc 0.0218% ) 工业纯铁组织金相图工业纯铁组织金相图（2）共析钢共析钢 ( Wc = 0.77% ) 共析钢组织金相图共析钢组织金相图（3）亚共析钢）亚共析钢( Wc = 0.45% ) 亚共析钢组织金相图亚共析钢组织金相图（4）过共析钢）过共析钢( Wc = 1.2% ) 过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图（5）共晶白口铁）共晶白口铁( Wc = 4.3% ) 共晶白口铁组织金相图共晶白口铁组织金相图（6）亚共晶白口铁）亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% ) 亚共晶白口铁组织金相图亚共晶白口铁组织金相图（7）过

16、共晶白口铁）过共晶白口铁( Wc = 5.0% ) 过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铁组织金相图 组织组成物组织组成物:F ; Fe3CF ; P 0.77-0.45F = 100%=43% 0.77-0.02 0.45-0.02P = 100% = 57% 0.77-0.02相组成物相组成物: 6.69-0.45F = 100% = 94% 6.69-0.02P = 1 WF = 57%Fe3C = 1 - WF = 6%0.020.450.776.692.3.4碳的质量分数对铁碳碳的质量分数对铁碳 合金组织、性能的影响合金组织、性能的影响 碳的质量分数对碳的质量分数对平衡组织平衡组织的影响

17、。的影响。碳的质量分数对碳的质量分数对力学性能力学性能的影响。的影响。碳的质量分数对碳的质量分数对工艺性能工艺性能的影响。的影响。(1)(1)碳的质量分数对平衡组织的影响碳的质量分数对平衡组织的影响(2)(2)碳的质碳的质 量分数对量分数对 力学性能力学性能 的影响的影响(3)(3)碳的质量分数对碳的质量分数对 工艺性能的影响工艺性能的影响对对铸造性能铸造性能的影响。的影响。对对锻造性能锻造性能的影响。的影响。对对焊接性能焊接性能的影响。的影响。对对切削加工性能切削加工性能的影响。的影响。 2.3.2 Fe - Fe3C 相图的应用相图的应用选择材料方面的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方

18、面的应用制定热加工工艺方面的应用(1)(1)选择材料方面的应用选择材料方面的应用1. 分析零件的工作条件分析零件的工作条件, , 根据铁碳合金根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料。行选择材料。2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律的变化规律 , 确定选定材料的工作范确定选定材料的工作范 围。围。(2)(2)制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用 2.4.1 转变温度转变温度 2.4.2 奥氏体的形成奥氏体的形成 2.4.3 奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度及对力学性能的影响2.

19、4 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变2.4.1转变温度转变温度( transformation temperature ) 奥氏体的形成奥氏体的形成FFe3C未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残余残余Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化2.4.22.4.3奥氏体晶粒度及对奥氏体晶粒度及对 力学性能的影响力学性能的影响（1）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度: 1.起始晶粒度起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。体的晶粒大小。 2.实际晶粒度实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。体晶粒的大小。 3.本质晶粒度本

20、质晶粒度:度量钢本身晶粒在度量钢本身晶粒在930 以下以下,随温度升高随温度升高,晶粒长晶粒长 大的程度。大的程度。 钢的本质晶粒度示意图钢的本质晶粒度示意图（2）奥氏体晶粒大小对钢的）奥氏体晶粒大小对钢的 力学性能的影响力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。工件产生较大的变形甚至开裂。2.5 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2.5.1 钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式2.5.2 过冷奥氏体的等温冷却转变过

21、冷奥氏体的等温冷却转变2.5.3 过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变2.5.1钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式 热热加加保温保温时间时间温度温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却2.5.2过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变（1）建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转）建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线 - TTT曲线曲线 ( C 曲线曲线 )T - timeT - temperatureT - transformation 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-

22、100100200500600700温度温度()0400A1（2）共析碳钢）共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止转变终止线线 A +产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区转变区。时间时间(s)300102103104

23、1010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf（3）转变产物的组织与性能）转变产物的组织与性能1.珠光体型珠光体型 ( P ) 转变转变 ( A1550 ) :A1650 : P ; 525HRC; 片间距为片间距为0.60.7m ( 500 )。650600 : 细片状细片状P-索氏体索氏体(S); 片间距为片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。600550:极细片状极细片状P-屈氏体屈氏体(T); 片间距为片间距为0.2m ( 电镜电镜 ); 3540HRC。 珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌

24、光镜形貌电镜形貌 索索 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌2.贝氏体型贝氏体型 ( B ) 转变转变 ( 550230 ) :550350: B上上; 4045HRC;B上上 =过饱和碳过饱和碳 -Fe条状条状 + Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状 上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图2.贝氏体型贝氏体型 ( B ) 转变转变 ( 550230 ) :350230: B下下; 5060HRC;B下下 =过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状 + Fe3C细片状细片状过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶

25、状Fe3C细片状细片状针叶状针叶状 下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图3.马氏体型马氏体型 ( M ) 转变转变 ( 230 -50 ) :1)定义:马氏体是一种碳在 Fe中的 过饱和固溶体。2)转变特点转变特点:在一个温度范围内在一个温度范围内连续冷却完成连续冷却完成;转变速度极快转变速度极快,即瞬间形核与长大即瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变( Fe、C原子均不扩散原子均不扩散 ), M与原与原A的成分相同的成分相同,造成晶格畸变。造成晶格畸变。转变不完全性转变不完全性, QM = f ( T )奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003

26、004002001000-100-2000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.21.4 1.6 1.8 2.00温度 Wc 100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100残余奥氏体量 ( % )奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响3)马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构: 4)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:板条状板条状 - 低碳马氏体低碳马氏体(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。 低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图4

27、)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:针、片状针、片状 - 高碳马氏体高碳马氏体(1%C); 66HRC左右左右 ; 1%。 高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度 ( HRC ) 2000抗拉强度b ( Mpa ) 1800 1400 1000 600 2005)马氏体的性能马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的主要取决于马氏体中的碳浓度碳浓度。 亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线 FAP + FS + FTBM + A残残A3时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf 过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线P + Fe3CS + Fe3CTBM + A残残 Fe3CAACM时间时间(s)3001