第2章材料的组织结构1

1、第第2 2章材料的组织结构章材料的组织结构金属的晶体结构金属的晶体结构金属的结晶与细化金属的结晶与细化材料的同素异构现象材料的同素异构现象铁碳合金相图铁碳合金相图http:/ 2-1 金属的晶体结构金属的晶体结构1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构固态固态物质物质（1）晶体：晶体：晶体是指原子（离子、分子）在三维空间晶体是指原子（离子、分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物体，其排列的方式称为有规则的周期性重复排列的物体，其排列的方式称为晶体结构，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。晶体结构，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。晶晶 体体非晶体非晶体（2）非晶体：非晶体：原子（离子、原子（离子、分

2、子）在空间分子）在空间无规则排列的无规则排列的物体称为非晶物体称为非晶体，如普通玻体，如普通玻璃、松香、石璃、松香、石蜡等。蜡等。 晶体与非晶体的结构比较晶体与非晶体的结构比较晶晶 体体非晶体非晶体从液态快速冷却从液态快速冷却高温长时间加热高温长时间加热1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构无固定熔点无固定熔点有固定熔点有固定熔点v(3) 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的三维空间格的三维空间格架。架。直线的交直线的交点（原子中心）点（原子中心）称结点。称结点。由结由结点形成的空间点形成的空间点的阵列称点的阵列称空空间点阵间点阵。1 金属

3、的理想晶体结构金属的理想晶体结构（4）晶胞：晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律性，征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。这个最小的几何单元称为晶胞。 123（5）体心立方晶格体心立方晶格*体心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的体心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的8个顶角个顶角上和立方体中心各有上和立方体中心各有1个原子。个原子。 铬、钨、钼等 体心立方晶格体心立方晶格示意图示意图 （6）面心立方晶格面心立方晶格* 面心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的面心立方晶格的晶胞如图所

4、示，在立方体的8个顶角个顶角上和上和6个面的中心各有个面的中心各有1个原子。具有这种晶格的金个原子。具有这种晶格的金属有铝、铜、镍、铅、金、银和属有铝、铜、镍、铅、金、银和9121394的铁的铁等。等。 面心立方晶格面心立方晶格示意图示意图 （7）密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞如图所示，在六棱柱的上、下密排六方晶格的晶胞如图所示，在六棱柱的上、下六角形面的顶角上和面的中心各有六角形面的顶角上和面的中心各有1个原子，在六棱个原子，在六棱柱体中间还有柱体中间还有3个原子。具有这种晶格的金属有镁、个原子。具有这种晶格的金属有镁、锌、镉和铍等。锌、镉和铍等。 密排六方晶格密排六方晶格示意

5、图示意图 2、金属的实际晶体结构、金属的实际晶体结构l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m, 铸造金属可达几铸造金属可达几mm。纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图v 单晶体与多晶体单晶体与多晶体v单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体。全一致的晶体。v多晶体：多晶体：v晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为些小晶体称为晶粒晶粒。铅锭宏观组织铅锭宏观组织Nb-Hf-W plate with an electron beam weldv晶界：晶界

6、：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。v晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。v多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图（2）晶体缺陷）晶体缺陷金属的实际晶体结构，除了具有多晶体结构以外，与理金属的实际晶体结构，除了具有多晶体结构以外，与理想晶体结构不同之处是存在着晶体缺陷。实际金属中存想晶体结构不同之处是存在着晶体缺陷。实际金属中存在大量的晶体缺陷，按其几何形状的特点，晶体缺陷可在大量的晶体缺陷，按其几何形状的特点，晶体缺陷可分为以下三类。分为以下三类。点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺

7、陷晶晶体体缺缺陷陷v 晶体缺陷晶体缺陷v在晶体内部及边界在晶体内部及边界存在偏离晶体完整存在偏离晶体完整性的微观区域，称性的微观区域，称为晶体缺陷为晶体缺陷称称晶体晶体缺陷缺陷。v实际金属中存在着实际金属中存在着大量的晶体缺陷，大量的晶体缺陷，按形状可分三类按形状可分三类, 即点、线即点、线、面缺陷面缺陷。v 点缺陷点缺陷 v空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子va. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。vb. 间隙原子：间隙原子：挤进晶挤进晶格间隙中的原子。格间隙中的原子。可可以是基体金属原子，以是

8、基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四面体和八面体间隙vc. 置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原取代原来原子位置的外来原子称置换原子。子称置换原子。v点缺陷破坏了原子的平衡状点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称态，使晶格发生扭曲，称晶晶空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子格畸变格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子空位和间隙原子引起的晶格畸变引起的晶格畸变v 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错v位错：位错：晶格中一部分晶体相晶格中一部

9、分晶体相对于另一部分晶体发生局部对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移，滑移面上滑移区与未刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错位错。分。分刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。刃型位错和刃型位错和螺型位错螺型位错刃位错的形成刃位错的形成v刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。v半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“ ”表示

10、。表示。v半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“ ”表示。表示。v位错密度：位错密度：单位体积内所包单位体积内所包含的位错线总长度。含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)v金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2v位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的金属的塑性变形主要由位错运动引塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。化金属的主要途径。v减少或增加位错密度都可以减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2) 加

11、工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2) 电子显微镜下的位电子显微镜下的位错错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线( (黑线黑线) )v 面缺陷面缺陷晶界晶界v晶界是不同位向晶粒的过度部位晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为，宽度为510个个原子间距，位向差一般为原子间距，位向差一般为2040。晶界的过渡结构示意图晶界的过渡结构示意图 工业上使用的金属材料绝大多数都工业上使用的金属材料绝大多数都是多晶体。在多晶体中两个相邻晶是多晶体。在多晶体中两个相邻晶粒之间的晶格位向是不同的，所以粒之间的晶格位向是不同的，所以晶界处原子排列是不规则的，它是晶界处原子排列是不规则的，它

12、是从一种位向逐渐过渡到另一种位向从一种位向逐渐过渡到另一种位向的过渡层，如图所示。的过渡层，如图所示。 一般情况下，晶体缺陷的存在可以一般情况下，晶体缺陷的存在可以提高金属的强度，而且晶体缺陷常提高金属的强度，而且晶体缺陷常常降低金属的耐腐蚀性能，可以通常降低金属的耐腐蚀性能，可以通过腐蚀观察金属的各种缺陷。过腐蚀观察金属的各种缺陷。 3、金属材料的结构特点、金属材料的结构特点v合金合金是指由两种或两种以上是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的元素组成的具有金属特性的物质。物质。v组成合金的元素（组元）可组成合金的元素（组元）可以是全部是金属，也可是金以是全部是金属，也可是金属与非金属。

13、属与非金属。v组成合金的元素相互作用可组成合金的元素相互作用可形成不同的形成不同的相相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜v所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀其它部分有界面分开的均匀组成部分。组成部分。v组织组织实质上是指在显微镜下实质上是指在显微镜下观察到的金属中各组成相或观察到的金属中各组成相或各晶粒的形态、数量、大小各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。和分布的组合。v固态合金中的相分为固态合金中的相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v 固溶体固溶体v合

14、金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称相称固溶体固溶体。用用 、 、 表示。表示。l与固溶体晶体结构相同的元素与固溶体晶体结构相同的元素称称溶剂溶剂。其它元素称其它元素称溶质溶质。l固溶体是合金的重要组成相固溶体是合金的重要组成相, ,实实际合金多是际合金多是单相固溶体合金单相固溶体合金或或以固溶体为基的合金以固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换置换固溶体固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体v固溶体的性能固溶体的性能v随溶质含量增加，固溶体的强度、随溶质含

15、量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降硬度增加，塑性、韧性下降称作称作固溶强化固溶强化。v产生固溶强化的原因：产生固溶强化的原因：溶质原子使溶质原子使晶格发生畸变晶格发生畸变.v与纯金属相比，固溶体的强度、硬与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。度高，塑性、韧性低。但与金属化但与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。性和韧性则要高得多。固溶体合金成分与性能关系固溶体合金成分与性能关系v 金属化合物金属化合物v合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称的固相称金属化合物金属化

16、合物。v金属化合物具有金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，并可用可用分子式表示分子式表示其组成。其组成。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3Cl合金中出现金属化合物合金中出现金属化合物,可提高其强度、硬度和可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。耐磨性，但降低塑性。l金属化合物也是合金的金属化合物也是合金的重要组成相。重要组成相。 复习复习1 金属的理想晶体结构金属的理想晶体结构固态固态物质物质晶晶 体体非晶体非晶体体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 晶格晶格晶胞晶胞金属的结晶：金属的结晶：金属从液态变为固态的过程称为结晶。从金属从液

17、态变为固态的过程称为结晶。从原子排列的情况来看，结晶就是原子从一种排列状态原子排列的情况来看，结晶就是原子从一种排列状态(晶态或非晶态晶态或非晶态)变为另一种规则排列状态的过程。变为另一种规则排列状态的过程。 2-3 2-3 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与细晶强化一一. 结晶的过程结晶的过程 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现。来实现。液态金属结晶液态金属结晶时，首先在液态中形成一些极微小的晶体时，首先在液态中形成一些极微小的晶体（称为（称为晶核晶核），然后再以它们为核心不断地长大。在这），然后再以它们为核心不断地长大。在这

18、些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失。液体金属消失。二二. 结晶温度结晶温度 金属结晶时，都存在着一个平衡结晶温度金属结晶时，都存在着一个平衡结晶温度Tm，这时，液，这时，液体中的原子结晶到晶体上的数目，等于晶体上的原子溶体中的原子结晶到晶体上的数目，等于晶体上的原子溶人液体中的数目。从宏观范围来看，此时既不结晶，也人液体中的数目。从宏观范围来看，此时既不结晶，也不熔化，液体和晶体处于动平衡状态。不熔化，液体和晶体处于动平衡状态。 只有冷却到低于平衡结晶温度时才能有效地进行结晶。只有冷却到低于平衡结晶温度时才能有效地进行结

19、晶。因此，实际结晶温度因此，实际结晶温度T1，总是低于平衡结晶温度，总是低于平衡结晶温度Tm。两。两者之差者之差(Tm- T1)称为过冷度称为过冷度T。过冷度的大小与冷却速。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度愈快，过冷度愈大。度有关，冷却速度愈快，过冷度愈大。 三、结晶的一般过程三、结晶的一般过程v1、结晶的基本过程、结晶的基本过程v结晶由晶核的形成和晶核结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成的长大两个基本过程组成.v液态金属中存在着原子排液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚时聚时散，称为晶胚。在。在T0以下以下, 经一段时间后经一段时间

20、后(即即孕育期孕育期), 一些大尺寸的晶一些大尺寸的晶坯将会长大，称为坯将会长大，称为晶核晶核。T0T1T液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化晶胚半径与晶胚半径与G关系关系气体、液体、晶体的结构气体、液体、晶体的结构v晶核形成后便向各方向生长，同晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。时又有新的晶核产生。晶核不断晶核不断形成，不断长大，直到液体完全形成，不断长大，直到液体完全消失消失。每个晶核最终长成一个晶每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。粒，两晶粒接触后形成晶界。v2、晶核的形成方式、晶核的形成方式v形核有两种方式，即形核有两种方式，即自发形核自发形核和

21、和非自发形核非自发形核。v由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核自发形核。v以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核非自发形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。均匀形核均匀形核非均匀形核示意图非均匀形核示意图v3、晶核的长大方式、晶核的长大方式v晶核的长大方式有两种，晶核的长大方式有两种，即即均匀长大均匀长大和和树枝状长大。树枝状长大。均匀长大均匀长大v当过冷度很小时，晶体生长以平面状态向前推进当过冷度很小时，晶体生长以平面状态向前推进。正温度梯度正温度梯度v实际金属结晶主要以树枝状长实际金属结晶主要以树枝状长

22、大。大。是因其冷却速度大是因其冷却速度大，且且晶晶核棱角处散热好核棱角处散热好，生长快，先，生长快，先形成形成一次轴一次轴，一次轴产生，一次轴产生二次二次轴轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。负温度梯度负温度梯度树枝状长大树枝状长大树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察( (定向凝固定向凝固) )金属的树枝状结晶金属的树枝状结晶（1）细晶强化）细晶强化细晶强化：细晶强化：金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高，称为高，称为细晶强化细晶强化。四晶核的形成与细晶强化四晶核的形成与细晶强化（2）细晶强化的方法

23、）细晶强化的方法增加液态金属结晶时的过冷度增加液态金属结晶时的过冷度细晶细晶强化强化的方的方法法变质处理变质处理附加振动附加振动晶体的同素异构晶体的同素异构同素异构转变：同素异构转变：某些金属，例如铁、锰、钛、锡、钴某些金属，例如铁、锰、钛、锡、钴等，凝固后在不同的温度下有着不同的晶格形式，这等，凝固后在不同的温度下有着不同的晶格形式，这种金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现种金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现象称为同素异构转变。象称为同素异构转变。2-4 2-4 材料的同素异构现象材料的同素异构现象纯铁的冷却曲线和晶格变化纯铁的冷却曲线和晶格变化。 由图可知，液态纯铁冷却到

24、由图可知，液态纯铁冷却到1538时，结晶成具有时，结晶成具有体心立方晶格的体心立方晶格的-Fe；继续冷到；继续冷到1394时发生同素时发生同素异晶的转变，体心立方晶格异晶的转变，体心立方晶格-Fe转变为面心立方晶格转变为面心立方晶格-Fe；再继续冷却到；再继续冷却到912时，时，-Fe又转变为体心立又转变为体心立方晶格的方晶格的-Fe。纯铁变为固态后发生了两次同素异晶。纯铁变为固态后发生了两次同素异晶转变。转变。 在不同的温度在不同的温度状态下，由于状态下，由于温度变化而发温度变化而发生的晶格结构生的晶格结构改变的现象称改变的现象称为金属的同素为金属的同素异构。异构。金属的同素异构转变金属的同

25、素异构转变重结晶（二次结晶）重结晶（二次结晶） 金属的同素异晶转变是金属从一种晶格类型的固态转变为另金属的同素异晶转变是金属从一种晶格类型的固态转变为另一种晶格类型固态的转变。它也是一个结晶过程，只不过这一种晶格类型固态的转变。它也是一个结晶过程，只不过这个结晶是在固态下进行的，因此把这种固态转固态的结晶称个结晶是在固态下进行的，因此把这种固态转固态的结晶称为重结晶或二次结晶。为重结晶或二次结晶。复习复习点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷晶晶体体缺缺陷陷2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构3 金属材料的结构特点金属材料的结构特点合金合金相相组织组织1 1 金属的结晶与细晶强化金属的结晶与

26、细晶强化复习复习2 2 材料的同素异构现象材料的同素异构现象1) 结晶的过程结晶的过程2) 结晶温度结晶温度3)晶核的形成与细晶强化晶核的形成与细晶强化晶体的同素异构晶体的同素异构2-52-5铁碳合金相图铁碳合金相图2.5.1 二元合金相图二元合金相图v合金的结晶过程比纯金合金的结晶过程比纯金属复杂，常用属复杂，常用相图相图进行进行分析分析.v相图相图是用图解的方法表是用图解的方法表示不同成分、温度下合示不同成分、温度下合金系中相的平衡关系。金系中相的平衡关系。又称又称状态图状态图或或平衡图平衡图。v合金系合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系

27、列不同成分的合金。的一系列不同成分的合金。l组元组元是指组成合金的最简是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存单、最基本、能够独立存在的物质。在的物质。l多数情况下多数情况下组元是指组成组元是指组成合金的元素合金的元素。但对于。但对于既不既不发生分解、又不发生任何发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组反应的化合物也可看作组元元, 如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt %Ni）温度（温度（）CuNi一、二元相图的建立一、二元相图的建立v几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是是热分析法热分析法。v

28、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v1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，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）。找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。v2. 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。l3. 将垂线上将垂线上相同意义的相同意义的点连接起来，点连接起来，并标上相应并标上相应的数字和字的数字和字母。母。v相图中，相图中，结晶开始点的连线叫结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了。结晶终了点的连线叫点的连线叫固相线固相线。二、二元相图的基本类

29、型与分析二、二元相图的基本类型与分析l两组元在液态和固两组元在液态和固态下均无限互溶时态下均无限互溶时所构成的相图称二所构成的相图称二元匀晶相图元匀晶相图。l以以Cu-Ni合金为例合金为例进行分析。进行分析。1、二元匀晶相图、二元匀晶相图v相图由两条线构成相图由两条线构成，上面是液相线，下上面是液相线，下面是固相线。面是固相线。v相图被两条线分为相图被两条线分为三个相区三个相区，液相线，液相线以上为以上为液相区液相区L L ，固相线以下为固相线以下为 固固溶体区溶体区，两条线之，两条线之间为两相共存的间为两相共存的两两相区相区（L + L + ）。 LL+ 成分成分（wt%Ni）温度温度（）C

30、uNi液相线液相线固相线固相线ABv 合金的结晶过程合金的结晶过程v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当液态金属自高当液态金属自高温冷却到温冷却到 t1温度温度时，开始结晶出时，开始结晶出成分为成分为 1的固溶的固溶体，其体，其Ni含量高含量高于合金平均成分。于合金平均成分。L L+ v随温度下降，随温度下降，固溶体重量增固溶体重量增加，液相重量加，液相重量减少减少。同时，。同时，液相成分沿液液相成分沿液相线变化，固相线变化，固相成分沿固相相成分沿固相线变化线变化。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变这种从液

31、相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。v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时时,最后一滴最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体固溶体的成分又变回到合金成分的成分又变回到合金成分 3上来上来。v液固相线不仅是相区分界线液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分也是结晶时两相的成分变化线变化线；匀晶转变是变温转变匀晶转变是变温转变。L L+ v 杠杆定律杠杆定律v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

32、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。v现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：v 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，过，过x做成做成分垂线。在成分垂线相当分垂线。在成分垂线相当于温度于温度t 的的o点作水平线，点作水平线，其与液固相线交点其与液固相线交点a、b所所对应的成分对应的成分x1、x2即分别即分别为液相和固相的成分。为液相和固相的成分。12 tLLObaxx1x2ABv则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组解方程组得得121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2

33、-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(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 v因此两相的相对因此两相的相对重量百分比为：重量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或v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，因此称之为杠杆杠杆定律定律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温

34、度下与各自相区距离较远的成分线段之比。度下与各自相区距离较远的成分线段之比。v在杠杆定律中，在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。v杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。v例题例题（如图）（如图）%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ 1L245%Ni58%Ni53%Ni L121300T0100%Cu100%Ni2、二元共晶相、二元共晶相图图v当两组元在液态当两组元在

35、液态下完全互溶，在下完全互溶，在固态下有限互溶固态下有限互溶,并发生并发生共晶反应共晶反应时所构成的相图时所构成的相图称作共晶相图称作共晶相图。v以以 Pb-Sn 相图为相图为例进行分析例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSnv 相图分析相图分析v 相：相图中相：相图中有有L、 、 三种相三种相, 是溶质是溶质Sn 在在 Pb中的固溶体，中的固溶体， 是溶质是溶质Pb在在Sn中的固溶体。中的固溶体。ABl 相区：相图中有相区：相图中有:l三个单相区：三个单相区： L 、 、 ；l三个两相区：三个两相区：L+ 、L+ 、 + ；l一个三相区：即水一个三

36、相区：即水平线平线CED。v 固溶线固溶线: 溶解度溶解度点的连线称固溶线。点的连线称固溶线。相图中的相图中的CF、DG线分别为线分别为 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的中的固溶线。固溶线。l 液固相线液固相线: 液相线液相线AEB, 固相线固相线ACEDB. A、B分分别为别为Pb、Sn的熔点。的熔点。ABl 和和 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。在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应. .v

37、共晶线：水平线共晶线：水平线CED叫做共晶线。叫做共晶线。v在共晶线对应的温度下在共晶线对应的温度下 (183 ) ，E点成分的合金点成分的合金同时结晶出同时结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固固溶体，形成这两个相的机械混合物：溶体，形成这两个相的机械混合物： LE ( C + D )AB183 v共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织L+

38、CDABv具有共晶成分的合金称共晶合金。共晶线上，凡具有共晶成分的合金称共晶合金。共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于 共晶点以右的共晶点以右的合金称过共晶合金称过共晶合金。合金。l凡具有共晶线凡具有共晶线成分的合金液成分的合金液体冷却到共晶体冷却到共晶温度时都将发温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+ CDABv最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变: S P+ Fe3C 。 ( 奥氏体，奥氏体， 铁素体，铁素体，Fe3C渗碳渗碳体体)l3、共析反应二元相图、共析反应二元相图l共析反应共析

39、反应(转变转变)是指在一定是指在一定温度下，由一定成分的固相温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完同时析出两个成分和结构完全不同新固相的过程。全不同新固相的过程。共析共析转变也是固态相变。转变也是固态相变。4、形成稳定化合物的、形成稳定化合物的二元相图二元相图v稳定化合物稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如如Mg-Si系的系的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C) 。其成分固定，。其成分固定，在相图中是一条垂线在相图中是一条垂线(代表一个单相区代表一个单相区)。垂足是其。垂足是其 成分成分, 顶点是其熔点顶点是其熔点, 结结晶过程同纯金属。晶过

40、程同纯金属。l分析这类相图时，可把分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个看待，将相图分成几个部分进行分析。部分进行分析。Mg2SiMg2Si+SiMg+ Mg2SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mg3 3 二元合金相图二元合金相图复习复习1)二元匀晶相图二元匀晶相图2) 二元共晶相图二元共晶相图3)二元共析相图二元共析相图 1L245%Ni58%Ni53%Ni L121300T0100%Cu100%Ni杠杆定理杠杆定理v铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铸铁铁，是工业应用最广，是工业应用最广的合金。的合金。v含碳量为含碳量为0.021

41、8% 2.11%的的称称钢钢v含碳量为含碳量为2.11% 6.69%的的称称铸铁铸铁。2.5.2 Fe-Fe3C相图相图坐标坐标Fe- Fe3C相图中纵坐标为温度；横坐标为碳的质量分数。相图中纵坐标为温度；横坐标为碳的质量分数。横坐标上任何一点均表示一种成份的铁碳合金。横坐标上任何一点均表示一种成份的铁碳合金。v铁和碳可形成一系列稳定化合物铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3Cv它都可以作为纯组元看待。它都可以作为纯组元看待。v含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。v实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是F

42、e- Fe3C相图。相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 铁碳合金相图是研铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本究铁碳合金最基本的工具，是研究碳的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、钢和铸铁的成分、温度、组织及性能温度、组织及性能之间关系的之间关系的理论基理论基础础,是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和铸热处理、冶炼和铸造等工艺造等工艺依据。依据。铁碳合金的相结构主要有固溶体和金属化合物两类。铁碳合金的相结构主要有固溶体和金属化合物两类。属于固溶体相的有属于固溶体相的有铁素体铁素体和和奥氏体奥氏体，属于金属化合，属于金属化合物相的主要为物相的主要为渗碳体渗碳体。（1）铁碳合金的基本组织

43、）铁碳合金的基本组织1)铁素体铁素体铁素体铁素体是碳在是碳在Fe中形中形成的间隙固溶体，用成的间隙固溶体，用F或或表示。表示。由于由于Fe为体心立方结构，溶碳能力较差为体心立方结构，溶碳能力较差(在在727C时碳的质量分数最大为时碳的质量分数最大为0.0218，随着温度的下降碳随着温度的下降碳的质量分数逐渐减小，在室温时碳的质量分数为的质量分数逐渐减小，在室温时碳的质量分数为0.0008)。铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。其性能指标其性能指标(b=250 MPa，s=120 MPa，硬度值为，硬度值为80 HBS，=50，=85，

44、k=3000kJm2)几乎和纯铁几乎和纯铁相同。相同。0.0218%0.0008%一般来讲铁从不会是纯的一般来讲铁从不会是纯的,其中其中总会有杂质，工业纯铁中常含总会有杂质，工业纯铁中常含有有0.10%-0.20%的杂质的杂质.这这些杂质由碳、硅、锰、硫、磷、些杂质由碳、硅、锰、硫、磷、氧等十几种元素所组成。纯铁氧等十几种元素所组成。纯铁的塑性较好，强度较低，具有的塑性较好，强度较低，具有铁磁性，所以除在电机工业中铁磁性，所以除在电机工业中用做铁芯材料外，在一般的机用做铁芯材料外，在一般的机器制造中很少应用，常用的是器制造中很少应用，常用的是铁碳合金。铁碳合金。由于由于Fe为面心立方结构，为面

45、心立方结构，Fe的溶碳能力较强，在的溶碳能力较强，在727时碳的溶解度为时碳的溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶解，随着温度的升高，溶解度增大，到度增大，到1148时达到最大时达到最大2.11%，固溶强化效果较，固溶强化效果较明显。明显。2）奥氏体）奥氏体奥氏体奥氏体是碳在是碳在Fe中形成的间隙固溶体，用中形成的间隙固溶体，用A或或表示。表示。 0.77%2.11%奥氏体是存在于奥氏体是存在于7271538下的高温组织，强度下的高温组织，强度较高（较高（b=400Mpa，160-200HBS），塑性、韧性），塑性、韧性很好（很好（=4050%），特别适宜于进行压力加工。），特别适宜于进行压

46、力加工。因此，大多数钢材在塑性成形加工时，都要加热到高因此，大多数钢材在塑性成形加工时，都要加热到高温奥氏体状态。温奥氏体状态。 2）奥氏体）奥氏体铁与碳形成的金属化合物称为铁与碳形成的金属化合物称为渗碳体渗碳体，用符号，用符号Fe3C表示。表示。渗碳体的溶解度为渗碳体的溶解度为6.69%，熔点为，熔点为1227，不发生，不发生同素异构转变，硬度很高，而塑性、韧性极差。不同素异构转变，硬度很高，而塑性、韧性极差。不能单独使用，但是碳钢中的主要强化相。能单独使用，但是碳钢中的主要强化相。3）渗碳体渗碳体由于由于Fe3C的形态、数量、分布对铁碳合金的性能影响很大，的形态、数量、分布对铁碳合金的性能

47、影响很大，是铁碳合金中的重要强化相，所以通常将渗碳体进行如下分是铁碳合金中的重要强化相，所以通常将渗碳体进行如下分类：类：一次渗碳体一次渗碳体Fe3CI（由液体中直接结晶生成，以带状分布）；（由液体中直接结晶生成，以带状分布）；二次渗碳体二次渗碳体Fe3CII（由奥氏体中析出，呈网状分布）；（由奥氏体中析出，呈网状分布）；三次渗碳体三次渗碳体Fe3CIII（由铁素体中析出，呈断续片状分布）；（由铁素体中析出，呈断续片状分布）；渗碳体是碳钢中主要的渗碳体是碳钢中主要的强化相强化相，其形状、数量与分布等对钢，其形状、数量与分布等对钢的性能有很大的影响。渗碳体又是一种的性能有很大的影响。渗碳体又是一

48、种亚稳定相亚稳定相，在一定的，在一定的条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳，即条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳，即 Fe3C3FeC（石墨）（石墨）+4）珠光体珠光体珠光体是珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物铁素体与渗碳体的机械混合物，用，用P表示。表示。珠光体是珠光体是共析反应共析反应的产物，其碳的质量分数为的产物，其碳的质量分数为0.77。由于渗碳体在混合物中起强化作用，。由于渗碳体在混合物中起强化作用，因此珠光体具有良好的力学性能。因此珠光体具有良好的力学性能。铁素体 铁素体+珠光体 珠光体 珠光体+二次渗碳体 500倍倍5)莱氏体莱氏体莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用莱氏体是

49、奥氏体和渗碳体的机械混合物，用Ld表示。表示。莱氏体是共晶反应的产物，其碳的质量分数为莱氏体是共晶反应的产物，其碳的质量分数为4.3。高温莱氏体冷却到高温莱氏体冷却到727以下时，将转变为珠光体和以下时，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体。由于莱氏体渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体。由于莱氏体中含渗碳体较多，其力学性能与渗碳体相近，属脆性中含渗碳体较多，其力学性能与渗碳体相近，属脆性组织。组织。4.3%（2）Fe-Fe3C相图的分析相图的分析v相区相区v由前面由前面Fe-FeFe-Fe3 3C C相图可以看出，全图中有四个单相图区：相图可以看出，全图中有四个单相图区：液相区（

50、液相区（L L）、奥氏体相区（）、奥氏体相区（A A）、铁素体相区（）、铁素体相区（F F）和渗碳体相区（指和渗碳体相区（指DFKDFK线）；五个两相：线）；五个两相：L+AL+A区、区、L+ L+ FeFe3 3C CI I区、区、A+FA+F区、区、A+FeA+Fe3 3C C和和F+FeF+Fe3 3C C区。每个两相区都与区。每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，即共晶线相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，即共晶线ECFECF，L L、A A和和FeFe3 3C C三相共存，共析线三相共存，共析线PSKPSK，A A、F F和和FeFe3 3C C三相共存。三相共存。相

51、图中用字母标出的点都具有一定的特性（成分和相图中用字母标出的点都具有一定的特性（成分和温度），称为温度），称为特性点特性点。相图中各条线表示合金内部。相图中各条线表示合金内部组织发生转变的界线，称为组织发生转变的界线，称为组织转变线组织转变线。1）相图中的）相图中的特性点特性点2）相图中的）相图中的组织转变线组织转变线ACDEFGKPSQ纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在碳在Fe中的最中的最大溶解度大溶解度渗碳体的成分渗碳体的成分FeFe同素异构转变点同素异构转变点渗碳体的成分渗碳体的成分碳在碳在Fe中的最大溶中的最大溶解度解度共析点共析点碳在碳在Fe中的溶解度中的溶

52、解度相图中具有特殊意义的点称为特性点，简化相图中具有特殊意义的点称为特性点，简化Fe-Fe3C相图相图各特性点的温度，成分及其含义见下表。各特性点的温度，成分及其含义见下表。在简化简化Fe-Fe3C相图的十个特性点中，有三个特别重要相图的十个特性点中，有三个特别重要且具有特殊意义的点，即且具有特殊意义的点，即“C”点点 、“S”点、点、 “E”点、点、 “P”点和点和“Q”点。点。“C”点为共晶点，在该点将要发生由一定成分的液相点为共晶点，在该点将要发生由一定成分的液相同时生成两个不同成分固相的转变，称为共晶转变。此同时生成两个不同成分固相的转变，称为共晶转变。此时的液相成分为共晶点成份（时的

53、液相成分为共晶点成份（wc =4.3%），转变温度），转变温度为共晶点温度（为共晶点温度（1148），转变出的两种固相分别为），转变出的两种固相分别为A（wc=2.11%）和共晶）和共晶Fe3C（wc=6.69%），他们所组成），他们所组成的机械混合物（的机械混合物（A+Fe3C）称为共晶莱氏体，用符号）称为共晶莱氏体，用符号“Ld”表示。表示。共晶转变所获得的共晶体（共晶转变所获得的共晶体（A+Fe3C）称为高温）称为高温莱氏体莱氏体，用符号用符号“Ld”表示。在表示。在727以下，高温莱氏体中的奥氏体，以下，高温莱氏体中的奥氏体，将转变为珠光体，形成将转变为珠光体，形成珠光体和渗碳体均匀分

54、布珠光体和渗碳体均匀分布的复相组织，称为低温的复相组织，称为低温莱氏体，用符号莱氏体，用符号“Ld”表示，表示，如图所示。如图所示。莱氏体莱氏体组织可以看成组织可以看成是在渗碳体的基本上分布是在渗碳体的基本上分布着颗粒状的奥氏体（或珠着颗粒状的奥氏体（或珠光体）。低温莱氏体的性光体）。低温莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很能与渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性极差。高，塑性、韧性极差。“S”点为点为共析点共析点，在该点将要发生由一个固相同时生成，在该点将要发生由一个固相同时生成两个固相的转变，称为共析转变。将要发生转变的固相两个固相的转变，称为共析转变。将要发生转变的固相成分为共析点成分（成分为共

55、析点成分（wc=0.77%），转变温度为共析点转变温度为共析点温度（温度（727），而转变出的固相分别为的），而转变出的固相分别为的F（wc=0.0218%）和共析渗碳体（和共析渗碳体（wc= 6.69%），他们所），他们所组成的机械混合物（组成的机械混合物（F+Fe3C），称为称为珠光体珠光体，用符号，用符号“P”表示。即：表示。即：A0.77 727 F0.0218+ Fe3C共析共析=P0.77 。“E” 点碳在点碳在Fe中的最大溶解度中的最大溶解度(wc=2.11%)1148 时时,同时也是碳钢与生铁的分界点同时也是碳钢与生铁的分界点.铁碳合金的液相铁碳合金的液相线，液态合金开线，液态

56、合金开始结晶出始结晶出奥氏体奥氏体铁碳合金的固相线，也是铁碳合金的固相线，也是Lc-As+Fe3c共晶转换线共晶转换线铁碳合金的液相铁碳合金的液相线，液态合金开线，液态合金开始结晶出始结晶出渗碳体渗碳体铁碳合金的固相铁碳合金的固相线，即线，即奥氏体奥氏体的的结晶终了线结晶终了线奥氏体奥氏体转变为转变为铁铁素体素体的开始线的开始线（常称（常称A3线）线）奥氏体奥氏体转变为转变为铁素体铁素体的终了的终了线线碳在碳在奥氏体奥氏体中中溶溶解度线（常称解度线（常称Acm线），开始线），开始析出二次渗碳体析出二次渗碳体碳在碳在铁素体铁素体中中溶溶解度线，开始析解度线，开始析出三次渗碳体出三次渗碳体As-F

57、p+Fe3c共析转换线（常称共析转换线（常称A1线）线）2）相相图图中中的的特特性性线线特性线特性线相图中各不同成分的合金中具有相同意义的临界点的连接相图中各不同成分的合金中具有相同意义的临界点的连接线称为特性线。简化的线称为特性线。简化的Fe-Fe3C相图中各特性线的符号、相图中各特性线的符号、位置和意义介绍如下：位置和意义介绍如下：AC线线：为液体向奥氏体转变的开始线。：为液体向奥氏体转变的开始线。wc4.3%铁碳合铁碳合金在此线之上为均匀液相，冷却至该线时，液体中开始结金在此线之上为均匀液相，冷却至该线时，液体中开始结晶出固相奥氏体，即：晶出固相奥氏体，即：LA。CD线线：为液体向渗碳体

58、转变的开始线。：为液体向渗碳体转变的开始线。wc4.3%-6.69%之间的铁碳合金在此线之上为均匀液相，冷却至该线时，之间的铁碳合金在此线之上为均匀液相，冷却至该线时，液体中开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用液体中开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用“Fe3CI”表示。即：表示。即：L Fe3CI。ACD线统称为液相线线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号态，用符号“L”表示。表示。AE线线：为液体向奥氏体转变的终了线。：为液体向奥氏体转变的终了线。 wc 2.11%的的液体合金冷至此线，全部转变为单相奥氏体组织。液体合金冷至此线，全部转变为单相

59、奥氏体组织。ECF水平线水平线：为共晶线。碳质量分数：为共晶线。碳质量分数wc2.11%-6.69%之间的液态合金冷至此线时，将在恒温（之间的液态合金冷至此线时，将在恒温（1148）下发生下发生共晶转变共晶转变，形成高温莱氏体。，形成高温莱氏体。AECF线统称为固相线线统称为固相线，液体合金冷却此线全部结晶为固，液体合金冷却此线全部结晶为固体，此线以下均为固相区。体，此线以下均为固相区。ES线线：又称：又称 Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线。线，是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线。1148时奥氏体溶碳量最大为时奥氏体溶碳量最大为wc =2.11%，随着温度，随着温度的降低，奥氏体的溶碳量逐

60、渐减小，当温度降至的降低，奥氏体的溶碳量逐渐减小，当温度降至727时，时，溶碳量减小至溶碳量减小至wc =0.77%。因此，凡是。因此，凡是wc0.77%的的铁碳合金，当温度由铁碳合金，当温度由1148降至降至727时，均会从奥氏时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体，用体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体，用“Fe3CII”表示。即：表示。即：A Fe3CII。GS线线：又称：又称A3线，是线，是wc 0.77%的铁碳合金固态冷却时，奥的铁碳合金固态冷却时，奥氏体向铁素体转变的开始线。随着温度的下降，转变出的铁氏体向铁素体转变的开始线。随着温度的下降，转变出的铁素体量不断增多，剩