机械工程材料第二章

第二章纯金属和合金的结晶液体晶体结晶结晶的概念：一切物质从液态向固态转变的过程，称为凝固。如果在这个过程中能够形成晶体，则称之为结晶

2.1纯金属的结晶

结晶：

液体-->晶体

凝固：

液体-->固体（晶体或非晶体）冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）2.1.2结晶的宏观过程：通过分析此过程有两个特点：2.1.2.1过冷现象：2.1.1过冷度：金属的实际结晶温度T1与理论结晶温度T0之差，称为过冷度，以△T表示。△T=T0－T1；显然，△T越大，则T1越低。2.1.2结晶潜热：金属在结晶时，从液态转变为固态时会放出能量，此能量称为结晶潜热。从图中可以看出：当液态金属的温度达到结晶温度T1时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境中的热量，所以在冷却平曲线上出现了平台，平台延续的时间就是结晶过程所需的时间。冷却速度越大，则过冷度越大。为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定的过冷度条件下才能进行呢？这是由热力学条件所决定的。热力学第二定律指出：在等温等压的条件下，物质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变。2.1.3结晶的热力学条件：当T=T0（Tm)时，GS=GL，两相可以同时共存，具有同样的稳定性，既不熔化也不结晶，处于热力学平衡状态，所以T0（Tm)就是理论结晶温度，即熔点。当T＜T0（Tm)时，GS＜GL，所以液态金属可以自发地转变为固态金属，而两相的自由能差（△G）就构成了金属结晶的驱动力。当T＞T0（Tm)时，GS＞GL，所以固态金属可以自发的熔化为液态。综上所述，只有当T＜T0时，即存在一定的过冷度时，液态金属才能结晶。GL（纯金属的液态自由能）、GS（纯金属的固态自由能）都随温度的升高而降低，而液相自由能曲线的斜率较固相的大，所以两曲线必然在某一温度相交。交点处的温度用T0（Tm)表示。液相和固相自由能随温度变化示意图液态金属形核晶核长大完全结晶金属的结晶包括晶核的形成和晶核长大的过程2.1.4、金属结晶的过程：两种形核方式——

自发形核

与

非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——

是依附于外来杂质上生成的晶核。2.1.5晶核的形成方式晶核的形成：利用x射线研究金属的结构时发现：在液态金属中，原子并不是散乱地分布，而是在微小的范围内存在着紧密接触、规则排列的原子集团，称为“近程有序”集团，而且它们不是固定不动的，而是处于不断的变化之中，它会瞬时消失，瞬时产生，此起彼伏，不断变化，我们把这种不断变化的近程有序集团称为“结构起伏”或“相起伏”。晶胚：在液态金属中，每一瞬间都会涌现出大量尺寸不等的相起伏，尺寸较大的相起伏在结晶时，有可能转变为晶核。这些相起伏就是晶核的胚芽。所以，尺寸较大的相起伏叫做晶胚。结构起伏为晶胚的出现提供了必要的结构条件。金属结晶的结构条件2.1.6晶核的长大：晶核形成后，便开始晶核的长大。宏观上，晶体的长大是晶体的界面向液相中逐步推移的过程。而在微观上，晶体的长大是液相中的原子逐步向晶体表面扩散的过程。长大的条件：⑴需要一定的过冷度。（10-3~10-4℃即可）⑵液相温度足够高，以完成原子由液相到固相的迁移。a）在晶核长大的初期，其外形还比较规则。b）由于晶体棱角的形成，棱角的散热条件优于其他部位，因此得到优先成长。就如树枝一样先长出枝干，再长出分枝，最后再把晶间添满。这种长大方式叫做“枝晶成长”。书P17图1-15长大过程：综上所述：我们可以把金属的结晶过程用图示意出来。在枝晶的成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力作用，以及彼此之间的碰撞、杂质元素的影响等种种原因，会使某些枝轴发生偏斜或折断，以致造成晶粒中的亚晶界、位错等各种缺陷。晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。

晶粒的大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性、韧性也越好。那么怎样控制晶粒的大小呢？细化晶粒的措施2.1.7、晶粒大小的控制：1.提高过冷度2.变质处理3.振动或搅动长大速率（成长率）：单位时间内晶体向周围长大的线速度。用G表示。N、G与过冷度之间的关系：书P19图1-17。从图中可知，当△T=0时：N=0、G=0，所以既不形核也不长大；当△T增大时，N、G都增大，而且N/G

增大，晶粒也就越小。(1)增加过冷度形核率：单位时间、单位体积液相中形成的晶核的数目。用N表示。

工业生产中，我们经常用提高液态金属的冷却速度，来提高△T，具体做法有：用金属型代替砂型；增加金属型的厚度；局部加冷铁；以及采用水冷铸型等等。在液体金属中故意加入某些难熔杂质（变质剂），以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。例如：铝合金中加入钛、硼；钢中加入钛、锆、钒：铸铁中加入硅铁、硅钙合金等。(2)变质处理:振动和搅拌也可以细化晶粒，因为金属结晶时，对其进行振动、搅拌，使正在结晶的树枝晶破碎，使晶核的数目增加，从而细化晶粒。常见的方法有：机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。应当指出的是：利用增加过冷度的方法细化晶粒只对小型、薄壁的铸件有效，因为当铸件的断面较大时，只是表层冷的快，而心部冷的慢，因此无法使整个铸件体积内都获得细小而均匀的晶粒，所以工业上广泛应用的是变质处理和振动、搅拌的方法。

(3)振动或搅动作业：1、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？2、在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒的大小？在生产中如何应用变质处理？举例说明？3、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：⑴金属模浇注与沙模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄件与铸成厚件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；

2.1.8、金属的铸锭组织：自学

2.2合金的结晶合金在结晶之后，既可获得单相的固溶体组织，又有可得到单相的化合物组织，还可得到由固溶体和化合物或几种固溶体组成的多相组织。并且组元成分、温度还影响到结晶后所获得的相的性质、数目和相对含量。为了研究清楚这些问题，我们需要利用相图这一工具。几个名词：1.合金系：由两个或两个以上组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系，例如，Pb-Sn系、Fe-Fe3C系；2.相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解，称为相图。相图上表示的组织都是在极其缓慢冷却的条件下所获得的，都是接近平衡状态的组织，又叫做平衡图。3.组织：在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分。2.2.1.1二元合金相图的建立：比较常见的是利用热分析法建立；Cu—Ni相图的建立过程：配置合金测定冷却曲线标定临界点绘制合金相图2.2.1.2二元合金相图的基本类型（一）匀晶相图：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金系所形成的相图。例如：Cu—Ni、Cu—Au、Au—Ag、Fe—Ni等。1、相图分析：1.1点：A：Cu的熔点；B：Ni的熔点；1.2线：AB线（上面）：液相线；

AB线（下面）：固相线；1.3面：液相区；固相区；液固两相共存区；匀晶合金的结晶过程匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。l1bcdT,CtLLL匀晶转变

L

冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+12344321l2l3l4液态合金冷至t1温度，开始从液态合金中析出α相，此时结晶出的α成分为α1，液相的成分为L1（即为合金的成分）；随着温度的降低，L→α，到达t2温度，液相的成分沿着液相线变为L2，固相沿着固相线变为α2；同时，液相的数量逐渐的降低，α相的数量逐渐的增加；温度冷至t3时，液相成分沿着液相线变化为l3，固溶体成分沿着固相线变化为α3，并与l3相平衡。温度冷至t4时，液相全部结晶为α相，α成分沿固相线变为α4（即合金的成分）。温度继续下降，就为固溶体α的简单冷却。液态合金冷至t1温度，开始从液态合金中析出α相，此时结晶出的α成分为α1，液相的成分为L1（即为合金的成分）；随着温度的降低，L→α，到达t2温度，液相的成分沿着液相线变为L2，固相沿着固相线变为α2；同时，液相的数量逐渐的降低，α相的数量逐渐的增加；温度冷至t3时，液相成分沿着液相线变化为l3

，固溶体成分沿着固相线变化为α3，并与l3相平衡。温度冷至t4时，液相全部结晶为α相，α成分沿固相线变为α4（即合金的成分）。温度继续下降，就为固溶体α的简单冷却。2、平衡结晶过程：以如图所示合金1为例来分析平衡结晶过程：注意：①合金在平衡结晶时，结晶出的固相成分沿固相线变化，液相的成分沿液相线变化；②液（固）相线表示在无限缓慢冷却的条件下，液、固两相平衡共存时，液（固）相的化学成分随温度的变化情况。从图中可知：合金1在t1温度时是L、α两相平衡共存，液相的成分为x1，固相的成分为x2，合金的成分为x。求：L、α两相的相对含量？设：合金的总重量为1；在温度t1时，液相的质量为QL，固相的质量为Qα；则有：Qα=aC/ab；QL=Cb/ab；QL/Qα=aC/Cb3、杠杆定律：解决二元合金在冷却结晶过程中，液固两相平衡共存时的相对含量；如图杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+12ABxacbT1T21.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。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=cb/ac杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL=(x2-x)/(x2-x1)Q=(x-x1)/(x2-x1) =1-QLx1x2例：求30%Ni合金在1280时相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ac30a1b1c11280C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论，

Q/

QH

=a1b1/a1c1=12/48=1/4答：所求合金在1280时相的相对质量为1/4。产生原因：在实际生产中，冷却速度较快，使合金内部，尤其是固相内部的原子来不及充分扩散；4、枝晶偏析：在晶粒内部化学成分不均匀的现象叫做晶内偏析，也叫枝晶偏析；危害：严重影响机械性能，特别是使塑性、韧性下降，抗蚀能力下降；消除方法：采用扩散退火（均匀化退火）：即将铸件加热到低于固相线100~200℃的温度进行长时间的保温，使偏析元素充分的扩散，从而使合金的成分均匀化。二元共晶相图：当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并能发生共晶转变的二元相图叫做二元共晶相图。例如：Pb—Sn、Cu—Ag、Zn—Sn相图等；（二）、二元共晶相图1、相图分析：如图所示：1.1点：a点：Pb的熔点；b点：Sn的熔点；c点：共晶点；1.2线：acb：液相线；adceb线：固相线；df线：α固溶体的溶解度曲线（α固溶体是以Pb为溶剂，以Sn为溶质的有限固溶体）；eg线：β固溶体的溶解度曲线（β固溶体是以Sn为溶剂，以Pb为溶质的有限固溶体）；1.3面：单相区：液相区、α固溶体区、β固溶体区；两相区：L+

α、L+

β、

α+

β；ced线是L+

α+

β三相共存区，dce线也叫共晶线；图2-10Pb-Sn二元合金相图如图2-10所示，在dce线所对应的温度下，成分为c的液相（Lc）会同时结晶出成分为d的αd和成分为e的βe两个固相，所以发生了共晶反应。表达式为：

1.4共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶转变或共晶反应。几个概念：dce线叫做共晶线；c点叫做共晶点；c点所对应的温度叫做共晶温度tc；成分为c点的合金叫做共晶合金；成分在d~c之间的合金叫做亚共晶合金；成分c~e在之间的合金叫做过共晶合金。所生成的产物αd+

βe叫做共晶产物。2．共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+

L

+L

+固溶线固溶线共晶转变分析PbSnT,CL+

L+L+共晶反应线表示从d点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示c点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。dLd

c+e冷却到c点，合金的温度冷到了tc（183℃），合金的成分为共晶成分，所以发生共晶反应：Lc→αd+

βe，得到共晶组织，计算一下它们的相对含量：

2、合金的平衡结晶过程：

2.1共晶合金的结晶过程：如图所示：合金Ⅱ为WSn=61.9%的共晶合金，它的冷却过程如图所示：Qβ=1-Wα=1-45.4%=54.6%温度冷到c（1点）点以下时，α相和β相均冷却，其中，α相的溶解度沿着df线变化，β相的溶解度沿着eg线变化，各自分别生出次生相，αⅡ、βⅡ，可忽略。所以，共晶合金的室温组织为α+

β；如图所示。结晶过程分析

（共晶合金）T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体冷却曲线(+)PbSnT,CL+

L

+L+

183dec12如图所示，α和β相呈层片状交替分布，其中白色组织为β相，黑色组织为α相。1点以上是液相的简单冷却；1~2点是L→α；2点：发生共晶反应：

Lc→αd+

βe；此反应一直进行到液相用完为止，所以此时的组织：α（初晶）+（αd+

βe）2点以下是次生相的析出，同理，

αd+

βe的次生相可以忽略，但初晶α的次生相

βⅡ不能忽略。所以，亚共晶合金的室温组织为：

α先+（αd+

βe）+βⅡ2.2亚共晶合金的结晶过程：如图所示，合金Ⅲ为WSn=50%的亚共晶合金，它的冷却结晶过程如图所示：合金结晶过程分析

（亚共晶合金）X1T,CtLL+

(+)++

Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+

L

+L

+183decL+(+)+图中黑色的树枝状晶为初晶α，其中的白色组织为βⅡ，黑白相间分布的是共晶组织（α+β）。cefgX1T,CtLLLL+

冷却曲线+

ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+

L

+L+183ced2.3边际固溶体合金含Sn量小于d点（19%）的合金的结晶过程：如图所示：合金Ⅰ为WSn=10%，它的结晶过程如图3-9所示1以上是L的冷却；1~·2点L→α；2~3点α相的冷却；3~4点α→βⅡ；所以，室温组织为：α+βⅡ。计算它们的相对含量：

QβⅡ=1-Qα=1-90%=10%二元包晶相图：当两组元在液态时无限互溶，在固态时只能有限互溶，并且发生包晶反应时所构成的相图叫做二元包晶相图。例如：Pt—Ag、Cu—Zn相图等。（三）二元包晶相图1、相图分析：Pt—Ag二元包晶相图；1.1点：a点：Pt的熔点；b点：Ag的熔点；d点包晶点；1.2线：aeb线：液相线；acdb线：固相线；cf线：Ag在Pt中的溶解度曲线；dg线：Pt在Ag中的溶解度曲线；1.3面：三个单相区：L、α、β；

三个两相区：L+α、L+β、α+β；cde线是L、α、β的三相共存线。1.4包晶反应:在一定的温度下，由一定成分的固相和一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的过程.其中，d点为包晶点；d点所对应的温度td叫做包晶温度；cde线叫做包晶线。

包晶反应的表达式为：

Le+αc→βd（td）2、平衡结晶过程：以合金Ⅰ为例，分析其结晶过程：温度在1点以上为液相的简单冷却；1~·2点为L→α；随温度降低，α的成分沿ac线变化，液相的成分沿液相线ae变化冷至2点，温度冷至包晶温度td，液相的成分达到e点，α的成分达到c点，其含量可用杠杆定律求得：td温度，液相L和固相α发生包晶反应：Le+αc→βd，包晶反应的示意图如图。反应结束后，液相和α恰好全部转变为β相。2~3点，Pt在β相中的溶解度沿dg线变化，生成次生相αⅡ。所以，合金的室温组织为β+αⅡ；3．包晶相图包晶转变：Le+cdPtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L+L+L+cdefgT,CtLL+L+

+Ⅱba以合金Ⅱ10.5%~42.4%为例，分析其结晶过程：温度在1点以上为液相的简单冷却；1~·2点为L→α；冷至2点，液相的成分变到e点，α的成分沿ac线变到c点，温度冷至包晶温度.用杠杆定理可算出二者的含量：至此将发生包晶反应：Le+αc→βd，反应结束后，除形成新相β外，α相有剩余。在td以下温度，随着固溶体溶解度变化，从β固溶体和α固溶体中将不断析出二次相βⅡ和αⅡ。合金的室温组织为α+β

+βⅡ

+αⅡ；反应结束后，除形成β相外，L相有剩余。

当温度从2点降低时，剩余的液相将继续结晶出β固溶体，此时β相成分沿着db线变化，当温度达到3点后，液相全部结晶为与合金成分相同的β固溶体。

3~4点之间，合金为单相固溶体合金，不发生变化。

在4点以下，将从β固溶体中析出二次相βⅡ。

合金Ⅲ的室温组织为β+αⅡ；用杠杆定律可算出，在包晶转变时系统中液相的数量比包晶转变时所需的量多，即以合金Ⅲ为例，分析其结晶过程：

温度在1点以上为液相的简单冷却；

1~·2点为L→α；

冷至2点，液相的成分变到e点，α的成分沿ac线变到c点，温度冷至包晶温度，所以可以发生包晶反应：Le+αc→βd，

（四）其他类型的相

1、形成稳定化合物的二元相图2、二元共析相图共析转变：在一定温度下，由成分一定的固相同时析出两种成分一定且不相同的新固相的转变。dce线为共析线，c点为共析点，共析反应：γc→αd+βe；αd+βe叫做共析组织；共析线所对应的温度叫做共析温度。4.共析相图共析转变：

(+)共析体ABT,C+

+

+cedL

+L（五）二元合金相图小结：两个单相区只能交于一点。根据相区接触法则，即在二元合金相图中相邻相区的相数相差一个（点接触除外），得出：两个单相区之间必定有由这两个相所组成的两相区，两个两相区之间必定以单相区或三相共存水平线隔开。三相共存线和与之接触的三个单相区是点接触,1.3分析转变类型：找出三相共存线和与之点接触的三个单相区,根据它们的位置配置来确定转变类型：如表所示；注意：

1.利用相图分析合金的平衡结晶时，应注意：在单相区内，该相的成分即为合金的成分；在两相区内，不同温度下两相的成分沿着其相界线变化，两相的相对含量可以用杠杆定律计算；在三相平衡时，三个相的成分是固定的。在反应前和反应后，各组成相的相对含量也可利用杠杆定律进行计算。

2.相图反映的是平衡结晶过程，在生产实践中冷却速度较快，所以相的相对含量及组织可能会产生较大的变化，如：偏析等情况。如图，固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质浓度↑→强度、硬度↑塑性有所降低（固溶强化）。电阻率增大，电阻温度系数减小。合金固溶体随温度下降，会有二次相析出。弥散强化：二次相以细小粒子，均匀、弥散地在固溶体晶粒中析出时，会使合金的强度硬度增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称为合金的弥散硬化。弥散硬化的效果与二次相粒子的细密程度，即与弥散度有关，弥散度越高，强度效果越大。

单相固溶体合金所能达到的强度和硬度是有限的。因而总体说来，单相固溶体的强度低，塑性、韧性好，适于压力加工，不适宜做结构材料。因它的电阻率大而电阻温度系数又小，所以适宜做电阻合金材料，例如：Cr20Ni80、Cu50Ni50；合金的性能与相图的关系一、合金的力学性能、物理性能与相图的关系2.2形成两相合金：

在相图的端部，是单相固溶体区，它们的性能如前所述；在两相区内，合金性能介于两个组成相之间与成分呈直线关系，为两相性能的平均值。

注意：在共晶转变和共析转变形成两相机械混合物时，合金的性能还与两相的细密程度有关，当十分细密时，合金的强度、硬度将偏离直线关系而出现如虚线所示的峰值。

两相合金一般都比单相固溶体合金的强度、硬度高，塑性低，可做结构材料。

2.3形成化合物：形成化合物时，合金的强度、硬度高，塑性、韧性低，具有某些特殊的物理、化学性能。加工性能较差，不宜作结构材料，但可作为烧结合金的原料，用来生产硬质合金等制品。相图与合金物理、力学性能之间的关系2.合金的工艺性能与相图的关系合金的铸造性能主要表现在流动性、缩孔、偏析及热裂倾向等方面。相图中液相线和固相线的之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。液、固相线距离越大，形成枝晶偏析的倾向性大，合金的流动性差；易形成分散缩孔；且铸造时有较大的热裂倾向；所以，纯金属和共晶成分或接近共晶成分的合金具有很好的铸造性能。

合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系

●锻造、轧制性能单相固溶体合金，

变形抗力小，变形均匀，

不易开裂。1、解释下列名词：合金、组元、相、固溶体、化合物、组织、固溶强化、晶内偏析2、指出下列名词的主要区别：置换固溶体与间隙固溶体间隙相与间隙化合物固溶体与化合物相组成物和组织组成物3、在Pb-Sn相图中：指出组织中含βⅡ最多和最少的成分？指出组织中共晶体最多和最少的成分？初生相α及β，共晶体α+β，二次相αⅡ及βⅡ，它们在组织形态上有何区别？画出它们的组织示意图？作业：高于300℃；刚冷到183℃，共晶转变还未开始；在183℃，共晶转变完毕；5、已知A（熔点600℃）与B（熔点500℃）在液态无限互溶，在固态300℃时A溶于B的最大溶解度为30%，室温时为10%，但B不溶于A；在300℃，含40%B的液态合金发生共晶反应，作出A-B合金的相图？6、一个二元共晶反应如下：L（75%B）→α（15%B）+β（95%B）求：1、含50%B的合金完全凝固时，初晶α与共晶（α+β）的相对含量？2、α相及β相的相对含量？4、根据上题图，说明含28%Sn的Pb-Sn合金在下列各温度时组织中有哪些相，并求出相的相对含量？7、有形状、尺寸相同的两个Cu-Ni合金铸件，一个含90%Ni，另一个含50%Ni，铸件自然冷却后，问哪一个铸件的偏析较严重？3、共晶体中的α和β相的相对含量？

2.2.2铁碳合金及相图

碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。碳钢和铸铁都是在铁中加入一定比例的碳，所以，碳和铁是钢铁材料中最基本的组元。为了更好的掌握钢铁材料，我们先从铁入手，之后，研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质，并了解它的成分、组织结构与性能之间的关系。

Fe—Fe3C相图是研究铁碳合金的基础，由于当Wc﹥6.69%时，铁碳合金的脆性极大，在工业上没有使用价值，所以只研究Fe—Fe3C部分

2.2.2.1Fe—Fe3C相图中的组元（一）铁：铁是元素周期表中的第26个元素，相对原子质量为55.85，属于过渡族元素，在一个大气压下，它的熔点为1538℃，在2738℃时气化，在20℃时的密度为7.87g/cm3。1.纯铁的同素异构转变：

同素异构转变：当外部条件（如温度、压强）改变时，有些金属可以由一种晶体结构转变为另一种晶体结构，这种转变叫做晶体的同素异构转变。δ-Fe→γ-Fe→α-Fe（1）纯铁在1538℃开始结晶为δ-Fe(bcc)。（2）当温度冷却到1394℃时，发生δ-Fe→γ-Fe的转变，此种转变也叫A4转变。（γ-Fe为fcc）。（3）当温度继续冷却到912℃时，发生γ-Fe→α-Fe的转变，此种转变也叫做A3转变。（α-Fe为bcc结构）综上所述：铁有三种同素异晶状态：δ-Fe、γ-Fe、α-Fe（4）、α-Fe在770℃将发生磁性转变，由高温的顺磁状态转变为低温的铁磁状态，这种转变叫做A2转变，转变温度称为铁的居里点.发生磁性转变时，铁的晶格类型不变。工业纯铁的含铁量WFe=99.8~99.9%，含有0.1~0.2%的杂质，其中主要是碳。性能特点—强度低、硬度低、韧性、塑性好抗拉强度σb：180~230MPa

屈服强度σ0.2：100~178MPa

延伸率δ：30~50%

断面收缩率ψ：70~80%

冲击韧性αK：1.5~2MJ/cm2

硬度HBS：50~80

很少作结构材料，它的主要用途是利用它的铁磁性，作为各种仪器、仪表的铁芯。2.纯铁的性能与应用：（二）渗碳体Fe3C

:Fe与C的间隙化合物，含碳量为6.69%,一般用Fe3C或Cm表示,它的复杂晶格属正交晶系；2.1渗碳体的性能：性能特点—熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。抗拉强度σb=30MPa硬度800HBak=0ψ=0δ=0在室温平衡状态下，铁碳合金中的碳基本上是以Fe3C的形式存在。230℃以下铁磁性（一）α相铁素体F

：（碳在α-Fe中的间隙固溶体bcc常用F或α表示，σb↓,HB↓,δ↑,αk↑,铁磁性（室温：C%=0.0008%,

727度:C%=0.0218%）

所以工业纯铁在室温时的组织大约为100%F。（二）奥氏体：（C固溶到γ-Fe中的间隙式固溶体）fcc常用A或γ表示，HB↓,δ↑,顺磁性A的最大溶解度为2.11%(在1148℃时实现的)。（三）δ铁素体：（C固溶到δ–Fe中的间隙固溶体）

bcc顺磁性（四）渗碳体：性能特点—熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。（五）液相：在熔化温度以上，铁和碳所形成的均匀的液体，即液相。22.2.2Fe—Fe3C相图中的基本相

2.2.2.3Fe—Fe3C相图分析（一）相图中的点：（二）相图中的线：

液固相线：ABCD为液相线、AHJECF为固相线；三条水平线：HJＢ—包晶转变线、ECF—共晶转变线、PSK—共析转变线；MO为铁素体的磁性转变线；230℃虚线为渗碳体的磁性转变线。相区：5个单相区，7个两相区，3条三相水平线三条水平恒温转变线：（1）包晶转变（水平线HJB）：

即：在1495℃的恒温下，成分为B点（WC=0.53%）的液相与成分为H点（WC=0.09%）δ铁素体发生包晶反应，生成成分为J点（WC=0.17%）的奥氏体，此反应只能在WC=0.09~0.53%的铁碳合金中发生。

包晶转变（2）共晶反应（水平线ECF）：莱氏体Ld共晶转变莱氏体Ld：A与Fe3C的机械混合物成分：4.3%C性能：硬而脆塑性极差形态：点状、短条状A分布于Fe3C基体上此反应只能在WC=2.11~6.69%的铁碳合金中发生。AS0.77

FP0.0218+Fe3C或A0.77

P0.77727℃727℃（3）共析转变（水平线PSK）：

凡是含碳量大于0.0218%的铁碳合金都会发生共析转变。

其中，PSK线称为共析线，也叫A1线；共析转变珠光体P：F与Fe3C的机械混合物成分：0.77%C性能：适中，介于F和Fe3C之间抗拉强度σb=770MPa延伸率δ=20％～35％硬度180HBak=3×10～4×10J/㎡断面收缩率ψ=40％～60％形态：层片状，粒状珠光体P三条重要的特性曲线：GS线：又称为A3线，它是在冷却过程中由奥氏体中析出铁素体的开始线。（GS线是由G点（A3点）演变而来的，随着含碳量的增加，奥氏体向铁素体转变的温度逐渐下降，从而由A3点演变为A3线）。ES线：碳在奥氏体中溶解度曲线。碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%(在1148℃时实现的)，而在727℃的溶解度只为0.77%，所以含碳量大于0.77%的铁碳合金从1148℃冷却到727℃时，都会从奥氏体中析出Fe3C，叫做二次渗碳体（Fe3CⅡ），以区别从液相中直接结晶出的一次渗碳体（Fe3CⅠ）。ES线也叫Acm线。PQ线：是碳在铁素体中的溶解度曲线。从该曲线上看，碳在铁素体中的最大溶解度是0.0218%(在727℃实现的),在室温时仅为0.0008%。所以，当铁素体从727℃冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体，叫做Fe3CⅢ。

注意：Fe3CⅠ、

Fe3CⅡ、

Fe3CⅢ仅在来源与分布上有所不同，并无本质区别，其含碳量、晶体结构和本身的性质均相同。ABCD以上—液相区（L）、AHNA—δ固溶体区（δ）、NJESGN—奥氏体区（A或γ）、GPQG—铁素体区（F或α）、DFKL—渗碳体区（Fe3C或Cm）；共五个单相区。同时，相图中还有七个两相区，它们是：L+δ、L+γ、L+

Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+Fe3C、α+Fe3C；（三）相图中的面：铁碳合金分类工业纯铁

<0.0218%C钢

0.0218-2.11%C

亚共析钢0.0218-0.77%C

共析钢0.77%C

过共析钢0.77-2.11%C白口铸铁（生铁）2.11-6.69%C碳以渗碳体的形式存在,断口呈白亮色,叫做白口铸铁)

亚共晶白口铸铁2.11-4.3%C

共晶白口铸铁4.3%C

过共晶白口铸铁4.3-6.69%C2.2.2.4典型合金的平衡结晶过程

1、工业纯铁：合金①是WC=0.01%的工业纯铁,在其冷却过程中与相图交了1、2、3、4、5、6、7共七个点。其结晶过程如图所示：1点温度以上是液相的冷却；

1~2温度区间，按匀晶结晶出δ固溶体；

2~3温度区间是δ的简单冷却；温度到达3点，开始发生固溶体的同素异构转变，由δ→γ，γ的晶核优先在δ相的晶界上形核并长大，此转变在4点结束。4~5温度区间是γ的简单冷却；奥氏体冷到5点，发生γ→α的同素异构转变，在6点结束。此时，奥氏体全部转变为铁素体。6~7温度区间是α的简单冷却；冷到7点时，碳在α中溶解度达到饱和，将从α中析出Fe3CⅢ；温度降到7点以下，Fe3CⅢ不断析出。所以工业纯铁的室温组织是：F+Fe3CⅢ1点温度以上为液相的简单冷却；1~2点温度区间，按匀晶转变结晶出奥氏体，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。2~3点温度区间，奥氏体的简单冷却；温度冷到3点时，温度为727℃，A的成分为0.77%，此时会发生共析转变：AS→FP+Fe3C，形成珠光体P（P中的Fe3C叫做共析渗碳体）；2、共析钢：如图4-2所示，合金②为WC=0.77%的共析钢，它在冷却过程中与相图交了共三个点温度冷到3点以下，F中会析出Fe3CⅢ，但它在共析铁素体和共析渗碳体的相界面上形成并与共析渗碳体连在一起，数量也很少，在显微镜下很难分辨，所以可以将其忽略。所以，共析钢的室温组织为P，如图所示。P中的铁素体和渗碳体的相对含量可以用杠杆定律计算：温度在1点以上是液相的简单冷却；在1~2温度区间，该合金按匀晶结晶出δ固溶体；温度冷到2点时，δ固溶体的含碳量为0.09%，L的含碳量为0.53%，温度冷到1495℃，此时会发生包晶转变：LB+δH→AJ

，形成A。因为合金的含碳量大于0.17%，所以，包晶转变结束后，还有液相剩余。在2~3温度区间，L继续结晶为A，冷到3点时，合金全部转变为A。3、亚共析钢：

如图所示，合金③为WC=0.45%的亚共析钢，它在冷却过程中与相图交了5个点，其结晶过程如图：3~4温度区间，为A的简单冷却；冷到4点，碰到GS线，开始发生同素异构转变，从A中析出F，在F的量逐渐增加的同时，他们的成分也发生变化，F沿GP线变化，A沿GS线变化；冷到5点时，F的成分为0.0218%，我们将此时形成的F叫做先共析铁素体；A的成分为0.77%，温度为727℃，所以发生共析转变，AS→FP+Fe3C，生成P。5点以下，先共析铁素体和珠光体中铁素体都会出Fe3CⅢ

，但其数量太少，也忽略不计了。所以，亚共析钢的室温组织为F先+P，如图所示。

注意：组织组成物与相组成物的区别WC=0.45%的碳钢的室温组织组成物的相对含量为：

下面我们用杠杆定律计算WC=0.45%的亚共析钢的组织组成物与相组成物的相对含量：WC=0.45%的碳钢的室温相组成物的相对含量为：3.亚共析钢温度在1点以上是液相的简单冷却；1~·2温度区间按匀晶析出A，在2点全部变为单相A；2~3温度区间为A的简单冷却；冷到3点碰到ES线，开始从A中析出Fe3CⅡ；4、过共析钢：合金④为WC=1.2%的过共析钢，在冷却过程中它与相图交了4个点，3~4温度区间，Fe3CⅡ不断沿A晶界呈网状析出，此时，A的成分也沿着ES线变化；温度降到4点，A的含碳量为0.77%，温度为727℃，将发生共析转变AS→FP+Fe3C，生成P；所以，过共析钢的室温组织为Fe3CⅡ+P，如图4.14所示。在过共析钢中，Fe3CⅡ的数量随着钢的含碳量的增加而增加，在WC=2.11%，它的数量达到最大：温度在1点以上是液态的简单冷却；合金冷却到1点时，温度为1148℃，会发生共晶转变，LC→AE+

Fe3C，即形成Ld；（此时生成的渗碳体叫做共晶渗碳体）。在1~2温度区间，A沿ES线变化，碳在A中的溶解度不断下降，从而不断的析出Fe3CⅡ（依附在共晶渗碳体之上，难以分辨）；5、共晶白口铁：合金⑤为WC=4.3%的共晶白口铁，在冷却过程中，它与相图交了2个点，温度降至2点，会发生共析转变，AS→FP+Fe3C（727℃），生成珠光体。所以，室温组织为P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶，为P分布在共晶渗碳体基体上，室温下的组织保持了在高温下共晶转变所形成的Ld的形态特征，只是组成物发生了变化，将室温莱氏体叫做变态莱氏体或低温莱氏体，用Ld’（P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）表示；它的形貌如图所示；1~·2温度区间，L→A；（又叫做A先）温度冷至2点，剩余的L发生共晶转变，生成Ld；2~3温度区间，A→Fe3CⅡ；（A共晶→Fe3CⅡ；A先→Fe3CⅡ

）；到达3点，发生共析转变，同样A共晶、A先均发生转变；所以，室温组织为P+(Fe3CⅡ)+Ld’；如图所示；6、亚共晶白口铁：合金⑥为WC=5.0%的亚共晶白口铁，在冷却过程中与相图交了3个点，7、过共晶白口铁：合金⑦为WC=5.0%的过共晶白口铁.1~·2温度区间，L→Fe3CⅠ；到达2点，发生共晶转变，生成Ld；以下的转变与共晶白口铁相同；所以，室温组织为Fe3CⅠ+Ld’；7.过共晶白口铁1、碳含量对平衡组织的影响：从相图中可以看出：任何铁碳合金在室温下的平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相所组成。

2.2.2.5碳对铁碳合金的组织与性能的影响随着含碳量增加，铁碳合的组织变化如下：F+Fe3CⅢ（工业纯铁）→F+P（亚共析钢）→P（共析钢）→P+Fe3CⅡ（过共析钢）→P+(Fe3CⅡ)+Ld’（亚共晶白口铁）→Ld’（共晶白口铁）→Ld’+Fe3CⅠ（过共晶白口铁）当WC＜0.0218%时,Fe3CⅢ是从基体相铁素体的晶界上呈片状微量析出。当WC=0.0218~0.77%时，钢发生了共析转变，生成了珠光体，P中的Fe3C是以片状形态分布，并且其数量随着含碳量的增加而增加。当WC=0.77%时，组织完全为P。从上面的分析可以看出：铁碳合金中，随着含碳量的增加，不仅组织中的渗碳体的相对重量增加，而且渗碳体的形态和分布也有变化：

当WC=0.77~2.11%时,除了有P外，还出现了Fe3CⅡ，它是以网状沿A晶界析出的。当WC=2.11~4.3%时,钢会发生了共晶转变,有莱氏体析出(在莱氏体中共晶渗碳体是连续的相)并且其数量随着含碳量的增加而增加。当WC=4.3%时，全部是莱氏体组织。当WC＞4.3%时，会从液相中直接析出粗大长条状的Fe3CⅠ。综上所述：同一种组成相，如果形成条件改变，尽管本质相同，也可形成形态不同的组织，从而影响性能；（一般认为渗碳体为硬脆相，铁素体为软韧相）。室温下含碳量与相和组织的关系一般认为渗碳体为硬脆相，铁素体为软韧相，合金的性能取决于两者的配合。当它们形成片状珠光体时，即得到珠光体的性能，如下：

σb：750MN/mm2；δ：20~25%；HB：180；Ak：42~32J可见，珠光体不仅有较高的强度、硬度，还有一定的塑性和韧性。2、碳对力学性能的影响：由图可知：在亚共析钢中，随着含碳量的增加，P的数量增加，所以强度、硬度增加，但塑性、韧性有所下降。当WC=0.77%时，此时的铁碳合金的性能即为P的性能。在过共析钢中，WC=1.0%时，σb为最大，当含碳量再增加，σb将会减小。（因为Fe3CⅡ

在含碳量大于1%时，于晶界形成了连续的网，使钢的脆性大大增加，从而使强度下降）在白口铁中，由于含有大量的渗碳体，并且是以渗碳体为基，所以，硬度极高，而强度很低。5.铁碳合金的塑性由F来提供，随着含碳量的增加，F在减少，所以塑性下降。当组织中出现以渗碳体为基的莱氏体时，塑性大大下降以至于为0。6.冲击韧性对组织十分敏感，当含碳量增加时，则脆性的渗碳体必定增加，Ak将下降，尤其在出现网状的渗碳体时，Ak将显著下降。7.随着含碳量的增加，硬度增加。综上所述：为了保证工业使用的铁碳合金具有足够的强度的同时，并具有一定的塑韧性，铁碳合金的含碳量一般不超过1.3%

3、对工艺性能的影响:3.1切削加工性能:

低碳钢中的铁素体较多，塑性、韧性好，容易粘刀，而且切屑不易折断，因此，切削加工性能不好。高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具，切削加工性能也不好。

中碳钢硬度和塑性比较适中，切削加工性能较好。一般，钢的硬度约为250HB时，具有合适的加工性能。3.2可锻性：

可锻性是指金属在压力加工时,能改变形状而不产生断裂的能力。

低碳钢的可锻性较好，随含碳量的增加，可锻性变差。奥氏体具有良好的塑性，把钢加热到高温奥氏体状态，具有良好的可锻性。因此，对材料进行大量变形时，大多都在奥氏体相区。开锻温度不能过高，以免发生氧化；终锻温度不能太低，否则塑性变差，易产生裂纹。白口铸铁可锻性很差。3.铸造性：流动性:液态金属充满铸型型腔的能力;收缩