第四章合金的结构与结晶

1、第四第四/ /五章五章 合金的结构与结晶合金的结构与结晶4.1、合金的相结构、合金的相结构 组成合金的元素可以是全部组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金是金属，也可是金属与非金属。属。 合金显著改变组成金属的结合金显著改变组成金属的结构、组织和性能；构、组织和性能； 强度、硬度、耐磨性等力学性强度、硬度、耐磨性等力学性能。能。 电、磁、化学稳定性等化学性电、磁、化学稳定性等化学性能能Al-Cu两相合金两相合金合金合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质；是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质；通过冶炼、烧结或其它方法将一种金属元素同一种或几种其通过冶炼、烧结或

2、其它方法将一种金属元素同一种或几种其他元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。他元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。 组成合金的最基本、能够独立存在的组成合金的最基本、能够独立存在的物质称为物质称为组元组元。 组成合金的元素相互作用可形成不同组成合金的元素相互作用可形成不同的的相相。所谓。所谓相相是指金属或合金中凡成是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。界面分开的均匀组成部分。 显微组织显微组织实质上是指在显微镜下观察实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的到的金属中各相或各晶粒的形态、数形态、数量、大小

3、和分布量、大小和分布的组合。的组合。 固态合金中的相，按其晶体结构分为固态合金中的相，按其晶体结构分为分为分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合金合金（一）（一） 固溶体固溶体 当合金由液态结晶为固态时，组成元素间会像合金当合金由液态结晶为固态时，组成元素间会像合金溶液那样相互溶解，形成一种在某种元素的晶格结溶液那样相互溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含其他元素原子的新相，成为构中包含其他元素原子的新相，成为固溶体固溶体。1. 1. 固溶体的分类固溶体的分类l按溶质原子所处位置按溶质原子所处位置 分为分为置换固溶体置换固溶体和和 间隙固溶体间隙固溶

4、体。 按溶解度可分为按溶解度可分为有限固溶体有限固溶体和和无限固溶体无限固溶体。 溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体无序固溶体，呈有序分布呈有序分布的的称称有序固溶体有序固溶体。 2. 固溶体的性能固溶体的性能 随溶质含量增加随溶质含量增加, 固溶体固溶体的强度的强度、硬度增加硬度增加, 塑性、塑性、韧性下降韧性下降固溶强化固溶强化。 产生固溶强化的原因是产生固溶强化的原因是溶质原子使溶质原子使晶格发生畸变晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。及对位错的钉扎作用。l与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度

5、要低得多，而塑性和性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。韧性则要高得多。 （二）（二） 金属化合物金属化合物 当溶质含量超过固溶体的溶解度时，组元可形成晶体结构和当溶质含量超过固溶体的溶解度时，组元可形成晶体结构和特性不同于任一组元的新相，称为特性不同于任一组元的新相，称为金属化合物金属化合物或或中间相中间相。金金属化合物具有属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性较高的熔点、硬度和脆性，并，并可用分子式表示可用分子式表示其组成。其组成。1. 正常价化合物正常价化合物符合正常原子价规律。如符合正常原子价规律。如Mg2Si2. 电子化合物电子化合物符合电子浓度规律。如符合电子浓

6、度规律。如Cu3Sn。 电子浓度电子浓度为价电子数与原子数的比值。为价电子数与原子数的比值。3. 间隙化合物间隙化合物由过渡族元素与由过渡族元素与C、N、B、H等小原等小原子半径的非金属元素组成。子半径的非金属元素组成。 (1). 间隙相：间隙相：r非非/r金金 0.59时形时形 成的具有简单晶格结构成的具有简单晶格结构的间隙化合物。的间隙化合物。 间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定；分布合间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定；分布合理时，间隙相可有效地提高钢的强度、热硬性和耐磨性。理时，间隙相可有效地提高钢的强度、热硬性和耐磨性。 部分碳化物和所有氮化物属于间隙相部分碳

7、化物和所有氮化物属于间隙相。 (2). 具有复杂结构的间隙化合物具有复杂结构的间隙化合物 当当r非非/r金金0.59时形成复杂结构间隙化合物。时形成复杂结构间隙化合物。 如如M3C、M7C3、M3C6等。等。 熔点高、硬度高、脆性大熔点高、硬度高、脆性大 Fe3C称称渗碳体，渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜是钢中重要组成相，具有复杂斜 方晶格。方晶格。 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析进行分析. . 相图相图表示合金系中各种平衡条件和相平衡状态之间关系的表示合金系中各种平衡条件和相平衡状态之间关系的图解，图解，又称又称状态图状态图或或平衡图平

8、衡图。 相平衡：合金中共存相的数目、各相的化学成分、相对质相平衡：合金中共存相的数目、各相的化学成分、相对质量达到稳定状态。量达到稳定状态。 4.2 合金相图合金相图 （一）合金相图的表（一）合金相图的表示方法（二元相图为示方法（二元相图为例）例） 用用温度成分温度成分坐标系坐标系的平面图来表示；的平面图来表示； 横坐标：成分；横坐标：成分； 纵坐标：温度。纵坐标：温度。 在成分和温度坐标平在成分和温度坐标平面上的任意一点称为面上的任意一点称为表象点，表象点，对应于一个对应于一个成分和一个温度成分和一个温度。成分成分（wt%B）温度温度（）ABE（二）二元相图的建立（二）二元相图的建立 几乎所

9、有的相图都是通过实验得到的几乎所有的相图都是通过实验得到的 常用的有常用的有热分析法、膨胀法、热分析法、膨胀法、X射线分析法射线分析法。 二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为： 以以Cu-Ni合金合金(白铜白铜)为例为例 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。n3. 将垂线上相将垂线上相同意义的点连同意义的点连接起来，并标接起来，并标上相应的数字上相应的数字和字母。和字母。

10、时间时间温度90 70 50 30AB温度温度温度时间时间温度90 705030AB温度A温度B温度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:液固共存区液固共存区AB温度4.3 4.3 二元合金的结晶二元合金的结晶l两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称 二元匀晶相图二元匀晶相图。l以以Cu-Ni合金合金为例进行分析。为例进行分析。(一一) 匀晶反应的固溶体合金的结晶匀晶反应的固溶体合金的结晶匀晶相图及其合金的结晶过程匀晶相图及其合金的结晶过程 合金的结晶过程合金的结晶过程

11、 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合合金为例说明。金为例说明。l当液态金属自当液态金属自高温冷却到高温冷却到 t1温温度时，开始结晶度时，开始结晶出成分为出成分为 1的固的固溶体，其溶体，其Ni含量含量高于合金平均成高于合金平均成分分L L+ 随温度下降，随温度下降，固溶体重量增固溶体重量增加，液相重量减加，液相重量减少少。同时，。同时，液相液相成分沿液相线变成分沿液相线变化，固相成分沿化，固相成分沿固相线变化固相线变化。 成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴时，最后一滴L3成分的液

12、体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变固溶体的成分又变回到合金成分回到合金成分 3上来。上来。 这种从液相中结晶这种从液相中结晶出单一固相的转变称出单一固相的转变称为为匀晶转变或匀晶反匀晶转变或匀晶反应。应。液固相线不仅是液固相线不仅是相区分界线相区分界线, 也是结也是结晶时两相的成分变化晶时两相的成分变化线线；匀晶转变是变温匀晶转变是变温转变转变。 杠杆定律杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用成分，还可用杠杆定律杠杆定律求出两平衡相的相对重量。求出两平衡相的相对重量。 现以现以Cu-Ni

13、Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律： 确定两平衡相的成分确定两平衡相的成分：设合金成分为设合金成分为x x，过，过x x做成做成分垂线。在成分垂线相当于分垂线。在成分垂线相当于温度温度t 的的o点作水平线，其与点作水平线，其与液固相线交点液固相线交点a、b所对应的所对应的成分成分x1、x2即分别为液相和即分别为液相和固相的成分。固相的成分。12 t 则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得解方程组得121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1

14、x(ao)的长度。的长度。l 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为，液相重量为QL，固相重量为，固相重量为Q 。 因此两相的相对重量百分比为：因此两相的相对重量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQL21121221L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杠杆定律杆定律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于合金在某温度下两平衡相的重量比等于该该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律

15、中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。 例例（如图）（如图）%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ 合金的结晶只有在缓慢冷却合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的条件下才能得到成分均匀的固溶体。固溶体。但实际冷速较快，但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及结晶时固相中的原子来不及扩散，使扩散，使先结晶出的枝晶轴先结晶

16、出的枝晶轴含有较多的高熔点元素含有较多的高熔点元素（如如Cu-Ni合金中的合金中的Ni）, 后结晶后结晶的枝晶间含有较多的低熔点的枝晶间含有较多的低熔点元素元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。l 枝晶偏析枝晶偏析 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作现象称作枝晶偏析枝晶偏析。 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工

17、等性能。l生产上常将铸件加热到固相线以下生产上常将铸件加热到固相线以下100-200长时长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火扩散退火。Cu-Ni合金的合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织 当两组元在液态下当两组元在液态下完全互溶，在固态下完全互溶，在固态下有限互溶有限互溶,并发生并发生共晶共晶反应反应时所构成的相图时所构成的相图称作称作共晶相图。共晶相图。共晶反应：共晶反应：合金中，合金中，一个均匀的液相可以一个均匀的液相可以同时

18、结晶出两个成分同时结晶出两个成分截然不同的固相，成截然不同的固相，成为共晶反应。为共晶反应。( (二二) ) 共晶反应的合金的结晶共晶反应的合金的结晶PbSn PbSn 合金相图合金相图相图分析相图分析 相相：相图中有相图中有L L、 、 三种相三种相, , 是溶质是溶质SnSn在在 PbPb中的固溶体中的固溶体， 是溶质是溶质PbPb在在SnSn中的固溶体中的固溶体。 相区相区：相图中有相图中有三个单相区：三个单相区： L L、 、 ；三个两三个两相区：相区： L+L+ 、L+L+ 、 + + ；一个三相区：一个三相区：即水平线即水平线cdecde。 液固相线：液固相线：液相线液相线adba

19、db，固相线固相线acdebacdeb。a a、b b分别分别为为PbPb、SnSn的熔点。的熔点。 固溶线固溶线: : 溶解度点的连线称溶解度点的连线称固溶线固溶线。相图中的相图中的cfcf、egeg线分别为线分别为 SbSb在在 PbPb中和中和 PbPb在在 SbSb中的固溶线。中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。固溶体的溶解度随温度降低而下降。 共晶线：共晶线：水平线水平线cdecde叫做叫做共晶线共晶线。在共晶线对应在共晶线对应的温度下（的温度下（183 183 ），），d d点成分的合金同时结晶出点成分的合金同时结晶出c c点成分的点成分的 固溶体和固溶体和e e点成分的点

20、成分的 固溶体固溶体，形成这，形成这两个相的机械混合物：两个相的机械混合物：L Ld d ( ( C C + + e e) )该反应叫该反应叫共晶共晶转变转变或或共晶反应。共晶反应。 具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，。在共晶线上，凡凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共位于共晶点以右的合金称晶点以右的合金称过共晶合金。过共晶合金。l凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。都将发生共晶反应。 共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶反应的产物，即两相的机

21、械混合物称共晶体或共共晶体或共晶组织晶组织。发生共晶反应的温度称发生共晶反应的温度称共晶温度共晶温度。代表共晶温代表共晶温度和共晶成分的点称度和共晶成分的点称共晶点共晶点。合金的结晶过程合金的结晶过程 含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称从液相中结晶出的固相称一次相或初生相一次相或初生相。.2温度降到温度降到3点以下，点以下， 固溶体被固溶体被Sn过饱和，由于晶格过饱和，由于晶格不稳，开始析出不稳，开始析出（相变过程相变过程也称也称析出析出）新相

22、新相 相相由已有固相析出的新固相称由已有固相析出的新固相称二次相二次相或或次生相次生相。形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出, 是固态相变的一种。是固态相变的一种。H 由于二次由于二次相析出温度相析出温度较低，一般较低，一般十分细小。十分细小。%1004fgfQ室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿cf线和线和eg线变线变化，化， 的重量增加的重量增加。PbSn PbSn 合金相图合金相图 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 液态合金冷却到

23、液态合金冷却到d点时同时点时同时Pb和和Sn饱和饱和, 发生共发生共晶反应：晶反应：Ld ( C+ e) 。PbSb PbSb 合金相图合金相图 析出过程中析出过程中两相相间两相相间形核、互相促进、共形核、互相促进、共同长大同长大，因而共晶组，因而共晶组织较细，织较细，呈片、棒、呈片、棒、点球等形状点球等形状。共晶组织共晶组织形态形态层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状螺旋状Pb-SnPb-Sn共晶组织共晶组织共晶组织形态共晶组织形态针状共晶针状共晶树枝状共晶树枝状共晶放射状共晶放射状共晶螺旋状共晶螺旋状共晶 在共晶转变过程中，在共晶

24、转变过程中，L、 、 三相共存三相共存, 三个相的三个相的量在不断变化，但它们各自量在不断变化，但它们各自成分是固定的。成分是固定的。 共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相.共晶转变结束时，共晶转变结束时， 和和 相的相对重量百分比为：相的相对重量百分比为：%6 .54%100%4 .45%1002 .195 .979 .615 .97%100QQcedeQd(61.9)e(97.5)c(19.2) 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成点，固相成分变化到分变化到C点，液相成分变化到点，液

25、相成分变化到d点点, 此时此时两相的相对重两相的相对重量为：量为：%1002%,1002)(cddQcdcQQdLPbSnPbSn合金相图合金相图 温度继续下降，将从一次共晶温度继续下降，将从一次共晶 中析出中析出 ，从共，从共晶中晶中 析出析出 。其室温组织其室温组织 + ( + ) + 。PbSnPbSn合金相图合金相图 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似，不同的是一次相为与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 , 二次相为二次相为 室温组织为室温组织为 +( + )+ 。Pb-Sn合金的结晶过程合金的结晶过程（三）包晶反应的合金的结晶（三）包晶反应的合金的结晶 当两组元在

26、液态下完全互溶，在固态下有限互溶，当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生并发生包晶反应包晶反应时所构成的相图称作时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。 在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称新固相的反应称包晶转变包晶转变或或包晶反应包晶反应。L+ L+L+ L + l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、 、l二相区：二相区：L+ 、 L+ 、 + l三相区：三相区：L+ + （水（水平线平线PDC） 水平线水平线PDC称称包晶线包晶线，与该线成分对应的合与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：金在该温度下发生包晶

27、反应：LC+ D P 。该反应是液相该反应是液相L包着固相包着固相 , 新相新相 在在L与与的的界面上形核，并向界面上形核，并向L和和 两个方向长大。两个方向长大。 合金的结晶过程合金的结晶过程 包晶成分合金包晶成分合金 室温组织为室温组织为 + II PD成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。 室温组织为室温组织为 +II+ + II时间温度 DC成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出 室温组织为室温组织为 + II。时间温度 共析转变也是固共析转变也是固态相变。态相变。 最常见的共析转最常见的共析转变是铁碳合金中变是铁碳合金中的珠光体转变的珠光体转变:

28、S P+ Fe3C 。（四）具有共析反应的二元相图（四）具有共析反应的二元相图l共析反应共析反应(共析转变共析转变)是指在一定温度下，由一定成是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。相的过程。PS( 奥氏体，奥氏体， 铁素体，铁素体，Fe3C渗碳体渗碳体)铁碳合金相图铁碳合金相图 共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称铁碳合金中的共析体称珠珠光体光体），），也是两相的机械混合物也是两相的机械混合物（铁素体（铁素体+渗碳体渗碳体)。l与共晶反应不同与共晶反应不同的是，的是，共析反应共析

29、反应的母相是固相，的母相是固相，而不是液相。而不是液相。l另外，由于固态另外，由于固态转变过冷度大，转变过冷度大，因而共析组织比因而共析组织比共晶组织细。共晶组织细。珠光体珠光体4.4 相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系( (一一) ) 合金的使用性能与相图合金的使用性能与相图的关系的关系 两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金: : 性能与合金成分呈直性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算线关系，是两相性能的算术平均值，如：术平均值，如：HBHB混混=HB=HB QQ +HB+HB QQ ( (QQ 、QQ 为两相相对重量为两相相对重量) ) 单相固溶体的合金：单相固溶体的

30、合金： 性能随成分呈曲线变性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，化，随溶质含量增加，、HB、 增加，塑性下增加，塑性下降。降。 形成稳定化合物的形成稳定化合物的合金：合金： 性能性能-成分曲线出现拐成分曲线出现拐点。点。(二二) 合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系 l固溶体合金固溶体合金液固相液固相线间距越大、偏析倾向线间距越大、偏析倾向大大, 树枝晶发达树枝晶发达, 流动性流动性降低降低, 补缩能力下降补缩能力下降, 分散缩孔增加分散缩孔增加. l共晶合金共晶合金结晶温度结晶温度低，流动性好，缩孔集低，流动性好，缩孔集中，中， 偏析小，偏析小， 铸造性铸造性能好。能好。4.

31、5 4.5 铁碳合金的结晶铁碳合金的结晶 铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用最，是工业应用最广的合金。广的合金。 含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%的称的称钢钢 含碳量为含碳量为 2.11% 6.69%的称的称铸铁铸铁。纯铁同素异构转变纯铁同素异构转变 构转变构转变。同素异构转变属于同素异构转变属于相变之一相变之一固态相变固态相变。 铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：1394912 -Fe -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变

32、纯铁的同素异构转变 -Fe、 -Fe为体心立方结构为体心立方结构(BCC)， -Fe为面心立为面心立方结构方结构(FCC)。都是铁的。都是铁的同素异构体同素异构体。 -Fe -Fe（一）（一） Fe- Fe3C相图相图 铁和碳铁和碳Fe3C（渗（渗碳体），含碳量大于碳体），含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，已无实时，合金太脆，已无实用价值。用价值。实际所讨论的实际所讨论的铁碳合金相图是铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图相图。1. 铁碳合金的组元铁碳合金的组元 碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称 -铁素体，铁素体，用用 表示表示。 是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力

33、很低是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素铁素体体l 组元：组元：Fe、 Fe3Cl(1)液相液相 Ll(2)相相：高温铁素体，在：高温铁素体，在1394以以上存在上存在l(3) 铁素体铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体, 用用F 或或 表示。表示。 (4) 奥氏体奥氏体: 碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁

34、素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体 (5) 渗碳体：渗碳体： 即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, Fe3C硬度高硬度高、强度低强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零塑性几乎为零.lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解： Fe3C3Fe+C(石墨石墨) l由于碳在由于

35、碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体3. 3. 相图中重要的点和线相图中重要的点和线 （1 1） 特征点特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + （2） 特征线特征线 液相线液相线ABCD， 固相线固相线AHJECFD 三条水平线：三条水平线： HJB：包晶线：包晶线LB+H J ECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机的机械混合物，称作械混合物，称作莱氏体莱氏体, 用用Le表

36、示表示。为蜂窝状为蜂窝状, 以以Fe3C为基，性能硬而脆。为基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体 PSK：共析线：共析线 S FP+ Fe3C 共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称作的机械混合物，称作珠光体珠光体，用用P表示。表示。珠光体珠光体L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3Cl珠光体的组织特点是两相珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布呈片层相间分布,性能介性能介于两相之间。于两相之间。 PSK线又线又称称A1线线 。 其它相线其它相线 GS,GP 固溶固溶体转变线体转变线, GS又称又称A3 线。线。 HN,JN 固溶固溶体转变线，体转变线， ES

37、碳在碳在 -Fe中的中的固溶线。固溶线。又称又称Ac m线。线。 PQ碳在碳在 -Fe中的中的固溶线。固溶线。 三个三相区：即三个三相区：即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C) 、PSK( + + Fe3C)三条水平线三条水平线 l（3 3） 相区相区n五个单相区：五个单相区：L L、 、 、 、FeFe3 3C C n七个两相区七个两相区: : L+L+ 、L+L+ 、L+FeL+Fe3 3C C、 + + 、 +Fe+Fe3 3C C、 + + 、 +Fe+Fe3 3C C （二）、典型铁碳合金的平衡结晶过程（二）、典型铁碳合金的平衡结晶过程n 钢钢( (0.02182.1

38、1%C0.02182.11%C) )，高温组织为单相高温组织为单相 亚共析钢亚共析钢 ( (0.02180.77%C0.02180.77%C) ) 共析钢共析钢 ( (0.77%C0.77%C) ) 过共析钢过共析钢 ( (0.772.11%C0.772.11%C) )n铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：n 工业纯铁工业纯铁( (0.0218% C) 0.6%2.按钢的质量分类按钢的质量分类: :0.0250.0250.0200.030高级优质钢高级优质钢0.0350.0350.0350.035优优 质质 钢钢0.0450.0450.0500.045普通质

39、量钢普通质量钢SPSP合合 金金 钢钢碳碳 素素 钢钢钢钢 类类3.按钢的用途分类按钢的用途分类:碳素结构钢碳素结构钢 ( carbon structural steel ) 用于制造各种机械零件、工程构用于制造各种机械零件、工程构 件。一般为低、中碳钢。件。一般为低、中碳钢。碳素工具钢碳素工具钢 ( carbon tool steel ) 用于制造各种工具。一般为高碳钢。用于制造各种工具。一般为高碳钢。三、碳素钢的编号及用途三、碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢碳素结构钢: : Q 235 A F沸腾钢沸腾钢A等级等级235 MPa屈服强度屈服强度 Q表示表示“屈服强度屈服强度”；屈服强度值

40、单位是；屈服强度值单位是MPa； 质量等级符号为质量等级符号为A、B、C、D、E。由。由A到到E，其，其P、S含量依次下降，质量提高。含量依次下降，质量提高。l脱氧方法符号脱氧方法符号: 沸腾钢沸腾钢F；镇静钢镇静钢Z；半镇静钢；半镇静钢b；特殊镇静钢特殊镇静钢TZ。l新标准中共有：新标准中共有：Q195, Q215, Q235, Q255，Q275 五个强度等级。五个强度等级。1)成分：成分：0.4%C, P、S量量及非金属夹杂较多及非金属夹杂较多.2)性能：性能：可焊性、塑性好。可焊性、塑性好。3)使用状态下组织：使用状态下组织：F+P4)用途用途:常以热轧板、带、常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约棒及型钢使用，用量约占钢材总量的占钢材总量的70%。用用于建筑结构，适合焊接于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。铆接、栓接等。