28510材料科学基础电子课件付华fh636节fe c相图

19:22材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience石家庄铁道大学材料科学与工程学院材料科学系：付华联系电话：QQ:11152798990绪论第1章原子结构与结合键AtomicStructureandbindingbond第2章晶体学基础BasisofCrystallography第3章晶体结构CrystalStructure第4章晶体缺陷Crystaldefects第5章非晶体与准晶结构AmorphousandQuasicrystalStructure第6章相图PhaseDiagram第7章固体扩散SolidDiffusion第8章凝固与结晶SolidificationandCrystallization第9章烧结与聚合SinteringandPolymerization第10章固态相变SolidPhaseTransformation

材料科学与工艺的基础理论第6章相图PhaseDiagram6.1相图的基本知识相与组织、相图与相律6.2单元相图(Unitphasediagram)6.2.1纯铁相图6.2.2SiO2相图6.2.3聚合物相图6.3二元相图（Binarydiagram）6.3.1匀晶相图与杠杆定律6.3.2二元共晶相图与共析相图6.3.3包晶相图与包析相图6.3.4其他类型二元相图6.3.5二元相图的几何规律及分析方法6.3.6铁碳相图6.3.7无机材料专业相图6.4三元相图(Ternarydiagram)6.4.1等边三角形的成分表示法6.4.2三元相图中的基本法则6.4.3三元匀晶相图6.4.4固态互不溶解的三元共晶相图6.4.5三元相图的几何规律及分析6.4.6典型的三元相图6.5相图热力学第6章相图6.3二元相图6.3.1匀晶相图与杠杆定律6.3.2二元共晶相图与共析相图6.3.3包晶相图与包析相图6.3.4其他类型二元相图6.3.5二元相图的几何规律及分析方法6.3.6铁碳相图6.3.7无机材料专业相图相图的测定：二元相图：4000个（81%）（4950）；三元相图：8000(5%)（161700）。四元相图：1000（0.1%）（3921225）问题：成分难控制，高熔点，难以达到相平衡测定不准确需校准。6.3.6铁碳相图(Iron-carbonphasediagram)钢铁材料都是铁碳合金，使用最广泛的材料。铁碳平衡相图的发展：

（iron-carbonequilibriumdiagram）1868年，俄国学者切尔诺夫（Чернов）-----把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，沿用奥斯蒙以法文标志临界点。A(驻点Arrestation)代表转变点,下标c(加热chauffage)r(冷却refroidissement)分别代表升温及降温的转变点。α、β、γ也是延用Osmond的符号。确立铁的同素异构理论。1899年英国人罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；1897年完成初稿，1899年彻底完成。洛兹本(H.W.BakhiusRoozeboom)首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律修订铁碳相图,1900年制定出较完整的铁碳平衡图。相图的出现,是金属学发展的一个里程碑。平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。如何画？？6.3.6铁碳相图C的存在形式：(1)渗碳体Fe3C(2)石墨(C,G)。实际使用合金含碳量不超过5%;Fe-Fe3C相图。Fe-C(G)。相图的形式：一、铁碳合金的组元和基本相1、纯铁同素异晶转变铁素体(F或α)晶胞示意图奥氏体(A或γ)晶胞示意图铁碳合金中的基本相：(1)α相：C溶于α-Fe的间隙固溶体，bcc；仅由α相形成的组织-----铁素体F(Ferrite)。拉丁文的铁Ferrum.(2)γ相：C溶于γ-Fe的间隙固溶体，fcc；仅由γ相形成的组织---奥氏体A(Austenite)。英国Roberts-Austen(1843-1902)(3)δ相：bcc，高温铁素体。罗伯茨-奥斯汀爵士

Roberts-Austen(1843～1902)英国冶金学家。18岁进入皇家矿业学院，后在造币厂从事金、银和合金成分的研究，铸币权威。用量热计法测定银铜合金的凝固点，并首先用冰点曲线表示其实验成果。1876年与J.洛基尔一起用光谱仪作定量分析，以辅助传统的试金法。1885年开始研究钢的强化，研究少量杂质对金的拉伸强度的影响。奥斯汀采用Pt/（Pt-Rh）热电偶高温计，得以测定了高熔点物质的冷却速度，创立共晶理论。用显微镜照相研究金属的金相形貌。为纪念他，把γ-铁及其固溶体的金相组织命名为奥氏体。铁素体F与奥氏体A的性能特点：铁素体(F或α)：F的溶碳能力比A小得多。F性能与纯铁基本相同。强度低，塑性好。奥氏体(A或γ)：A的溶碳能力大；A塑性很好，易于塑性变形，A是顺磁性。郭可信院士(1923-2006)

“金相学史话”共六篇1金相学的兴起2β-Fe的论战3Fe-C平衡图4合金钢的早期发展史5X射线金相学6电子显微镜在材料科学中的应用《材料科学与工程》2000-2002年郭可信（1923-2006）中科院院士、物理冶金和晶体学家。中国科学院北京电子显微镜开放实验室主任、研究员。浙江大学化学工程系，瑞典皇家工学院。合金钢中碳化物及金属间化合物的X射线及电镜结构研究。1984/85年：发现五重旋转和Ti-V-Ni二十面体准晶，1987年国家自然科学一等奖；1987年：首先发现八重旋转对称准晶;1988年：首先发现稳定的Al-Cu-Co十重旋转对称准晶及一维准晶;1997-2000年：获得准晶覆盖理论的实验证据。(1)渗碳体CementiteFe3C相：6.69%组织--渗碳体，Fe3C或Cm。发现者称水泥.2.碳Fe3C熔点1227℃。硬度高，HB800，塑性接近于0。一定的铁磁性，磁性转变点A0：230℃。复杂正交晶系。强度/硬度/塑性/韧性都极低。耐高温,导电,润滑性;灰口铸铁的基本组成相。(2)石墨(Graphite)石墨：游离态存在，100%C，组织：G(Graphite)。（相图----虚线）二、Fe-Fe3C相图分析（一）概况ABCD液相线。AHJECF－固相线。2条磁性转变线：770℃：MO虚线,F磁性转变线（A2）。230℃：Cm渗碳体的磁性转变线。(A0)5个单相区，7个两相区，3条水平线。1.五个单相区：液相区L，高温固溶体，奥氏体(A)，铁素体(F)渗碳体Fe3C（Cm）2.七个双相区：L＋，＋L＋，L＋Fe3C＋Fe3C，＋，＋Fe3C(1)包晶转变:HJB线:（L＋）→3.三个三相区：发生在高温，在随后的冷却过程中组织还会变化。此转变不作讨论。（简化Fe-Fe3C相图）(2)共晶转变:ECF线:共晶组织(＋Fe3C)为莱氏体，Ld(Ledeburite)Ld：纪念德国冶金学家A.莱德堡(Ledebur)而命名。Ld：高硬度，脆性较大。(3)共析转变：PSK线:（A1温度）(＋Fe3C)：两相层片交替分布的共析体组织,称为珠光体P(Pearlite)2500×4.三条重要的固溶度曲线(1)GS线——降温时----中开始析出升温时----全部溶入的转变线。记为A3温度。A3(2)SE线——碳在中的溶解度曲线。记为Acm温度。低于此温度，奥氏体中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII。Acm(3)PQ线C在F中溶解度曲线。727℃时，碳在F中最大解度为0.0218％；F从727℃冷却时会析出极少量的渗碳体，三次渗碳体Fe3CIII。室温下含<0.0008%C。相图中各点的参数及含义：tion/三、铁碳合金的平衡结晶过程及组织（1）工业纯铁(C%<0.02%)（3）共析钢(C%≈0.77%)（2）亚共析钢(C%=0.02～0.77%)（4）过共析钢

(C%=0.77～2.11%)（5）亚共晶白口铁

(C%=2.11～4.3%)（7）过共晶白口铁(C%=4.3～6.69%)（6）共晶白口铁

(C%=4.3%)（1）工业纯铁(C%<0.02%)组织转变工业纯铁结晶过程工业纯铁的室温组织含碳量大于Q点(0.0008%)时，α-Fe中析出三次Fe3C；但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。通常的组织为单一铁素体F。（2）共析钢(C%≈0.77%)相变过程组织转变过程L→→L+A→→P相:＋Fe3C：％=(6.69-0.77)/6.69＝88%Fe3C%=0.77/6.69=12%组织：P，100％相与组织的量：T8钢退火组织500×

显微组织：片状珠光体(P)共析钢的室温组织2500×片状珠光体(P)材料之美

材料微观世界与自然界珠光体梯田材料之美

材料微观世界与自然之美珠光体指纹珠光体P(Pearlite)的生长及形态：

MicrostructureofplaincarbonUNSG10800steelshowingcoloniesofpearlite.4%picraletch.Originalmagnification200×（注：OM）4%picral（苦味酸酒精溶液）MicrostructureofpearlitecoloniesinplaincarbonUNSG10800steeltakeninthescanningelectronmicroscope.4%picraletch.Originalmagnification2000×（SEM）4%picral（苦味酸酒精溶液）

MicrostructureofpearlitecoloniesinplaincarbonUNSG10800steeltakeninthescanningelectronmicroscope.Theplatesofcementiteareclearlyrevealed.4%picraletch.Originalmagnification10,000×（注：SEM）4%picral（苦味酸酒精溶液）（3）亚共析钢

(C%=0.02～0.77%)组织转变L→A→F+A→F+P相:＋Fe3C：％=(6.69-0.4)/6.69＝94%Fe3C%=0.4/6.69=6%组织：F+P:F％=(0.77-0.4)/(0.77-0.02)=49%,P%=(0.4-0.02)/(0.77-0.02)=51%40钢（0.4%C)相与组织的量：Wc=0.20%Wc=0.40%亚共析钢的室温组织20钢(0.2%C)40钢(0.4%C)60钢(0.6%C)（4）过共析钢

(C%=0.77～2.11%)组织转变：L→L＋A→A→A＋Fe3CII→P＋Fe3CII相:＋Fe3C：％=(6.69-1.2)/6.69＝82%Fe3C%=1.2/6.69=18%组织：P+Fe3CⅡ:P％=(6.69-1.2)/(6.69-0.77)=93%,Fe3CⅡ%=(1.2-0.77)/(6.69-0.77)=7%T12钢（1.2%C)相与组织的量：T12钢退火组织400×

显微组织：珠光体＋网状渗碳体说明：脆性的渗碳体网分隔了材料，工程中避免出现。硝酸酒精浸蚀苦味酸浸蚀过共析钢的室温组织过共析钢球化退火:球状P(球状Fe3C+F)小结：（5）共晶白口铁(C%≈4.3%)组织转变L→(L＋Ld)→Ld→Ld′共晶白口铸铁铸态组织300×

显微组织：莱氏体Ld(P+Fe3CII+Fe3C)Ld：纪念德国冶金学家A.莱德堡(Ledebur)而命名。Ld：介稳定组织，高硬度，脆性较大。在高速钢(如W18Cr4V)及高碳高铬钢(如Cr12、Cr12MoV)的铸态组织中：鱼骨状莱氏体，提高钢的红硬性和耐磨性。铸铁：莱氏组织，提高耐磨性。（6）亚共晶白口铁(C%=2.11～4.3%)组织转变：L→L＋A→A＋Ld→A＋Fe3CII＋Ld→P＋Fe3CII＋Ld′组织：P+Fe3CⅡ＋Ld′:Ld’%=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)=41%,A%=59%.P％=(6.69-2.11)/(6.69-0.77)×59%=46%Fe3CⅡ%=(2.11--0.77)/(6.69-0.77)×59%=13%亚共晶白口铸铁铸态组织250×

显微组织：树枝状珠光体+二次渗碳体＋莱氏体

(P+Fe3CII＋Ld’)亚共晶白口铁的室温组织P＋Fe3CII＋Ld’（7）过共晶白口铁(C%=4.3～6.69%)组织转变L→L+Fe3CI→Fe3CI+Ld→Fe3CI+Ld’组织：Fe3CI＋Ld’:Ld’%=(6.69-5.0)/(6.69-4.3)=71%Fe3CI%=(5.0-4.3)/(6.69-4.3)=29%显微组织：Fe3CI＋Ld’

过共晶白口铸铁铸态组织100×过共晶白口铁的室温组织Fe3CI+Ld’Fe3C的形式一次渗碳体Fe3CI二次渗碳体Fe3CII三次渗碳体Fe3CIII(共析)珠光体中(共晶)莱氏体中小结：四、碳对铁碳合金的影响1、C%对室温平衡组织的影响按组织组成物标注的

铁碳合金相图C%与相、组织相对量的关系α基体Fe3C成为基体α基体Fe3C成为基体含碳量对平衡状态碳钢机械性能的影响工业纯铁：强度、硬度低，塑性、韧性好。 σb＝180－230Mpa δ＝30-50％ ψ＝70-80％ ak＝160-200J/cm2

50-60HB2、C%对力学性能的影响3、C%对工艺性的影响热处理工艺可锻性铸造性切削加工性标注：

相

组织

小结标注：

相

组织

标注：

相

组织

五、铁－石墨相图1、Fe-C（G）相图概况2、灰口铸铁组织的形成（1）共晶合金（2）亚共晶合金（3）过共晶合金3、石墨与基体对铸铁机械性能的影响（1）石墨对铸铁机械性能的影响（2）基体对铸铁机械性能的影响。1、Fe-C相图概况Fe3C是亚稳相，Fe3C→3Fe＋C（石墨）。Fe－C相图位于Fe-Fe3C相图左上方，高温、极慢冷却条件下优先析出。F+GA+GL+G共晶转变：LC’→（AE’＋G）。共晶石墨。A析出GII。AS’→（F＋G）共析石墨F析出GⅢ。室温组织：F+G（片）2、灰口铸铁组织的形成（1）共晶合金（2）亚共晶合金L→L+A共晶转变：LC’→（AE’＋G）。共晶石墨。A析出GII。AS’→（F＋G）共析石墨F析出GⅢ。室温组织：F+G（片）（3）过共晶合金L→L+G共晶转变：LC’→（AE’＋G）。共晶石墨。A析出GII。AS’→（F＋G）共析石墨F析出GⅢ。室温组织：F+G（片）3）影响石墨化的主要因素A.石墨化程度：冷却速度越缓慢，石墨化的效果越强。2）在高温下，渗碳体易分解为石墨。3）C、Si、Al、Cu、Ni、Co将促进石墨的形成。4）Cr、W、Mo、V、Mn能和碳形成碳化物，阻碍石墨化。铸铁组织依石墨化程度---呈现不同形态：B.石墨形状：变质处理：加少量孕育剂（硅铁、硅钙等），石墨细化。球化处理：加Mg或Re-Mg合金----球状石墨；稀土硅铁、稀土镁钛等-----蠕虫状石墨。蠕虫状絮状球状片状蠕墨铸铁可锻铸铁：团絮状石墨F＋P＋G球球墨铸铁F＋G球P＋G球G球＋B下球墨铸铁应用铸铁石墨化过程：三个阶段第一阶段：液相凝固+共