第二章金属材料的凝固与固态相变

第二章金属材料的凝固与固态相变2.1纯金属的结晶2.2合金的凝固2.3铁碳合金相图2.4钢在加热时的转变2.5钢在冷却时的转变2.1纯金属的结晶

(CrystalofSimpleMetal)2.1.1凝固与结晶的概念2.1.2结晶的现象与规律2.1.3同素异晶(构)转变2.1.1凝固与结晶的概念1.凝固(coagulation)

物质由液态转变成固态的过程。2.结晶(crystal)

*晶体物质由一种原子排列状态转变成另一种原子规则排列状态的过程。*物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。2.金属结晶的结构条件近程有序结构结构起伏结晶远程有序结构2.1.2结晶的现象与规律(1)结晶的一般过程微小晶核长大晶体To(2)结晶的过冷现象1.纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台(是由结晶潜热导致)2.过冷现象与过冷度过冷现象(supercooling)过冷度(degreeofsupercooling)

ΔT=T0–Tn过冷是结晶的必要条件。

(3)结晶的一般规律形核长大1.晶核的形成在一定的过冷度下晶核就形成。晶核形成的形式:

*自发形核晶体核心是从液体结构内部自发长出的。

*非自发形核晶核是依附于外来杂质而生成的。2.晶核的长大方式—树枝状I次晶轴II次晶轴III次晶轴金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶3.影响形核和长大的因素过冷度的影响难熔杂质的影响形核率：在单位时间内，单位体积中所产生的晶核数称为形核率，以N表示。长大率：单位时间内晶核长大的平均速度，以G表示。1)过冷度的影响2)难熔杂质的影响金属结晶过程中，非自发形核的作用往往是主要的。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，将强烈的促使非自发形核，提高形核率。（4）细化晶粒的途径提高冷却速度V冷△TN晶粒细小变质处理机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。晶粒度：晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目Zv或单位面积上晶粒的数目Zs表示。纯铁的同素异晶(allomorph)转变反应式:2.1.3金属的同素异晶转变1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe

纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe2.2合金的凝固

2.2.1二元合金相图与凝固相图（phasediagram)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及相与相之间关系的图形。热分析法相图的建立时间温度90705030AB温度A温度B温度名称A金属B金属晶格类型bccbcc熔点高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%abab:液相线ab

:固相线LL+SSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区AB温度（1）匀晶相图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构成的相图称为二元匀晶相图。TLTSTnbac杠杆定理QS=(bc／ab)100%

QL=(ac／ab)100%QS+QL=1aQS+bQL=cABabLS温度QLQs（2）共晶相图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的相图称为二元共晶相图。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.共晶合金的结晶过程固相中析出的固相称做次生相或二次相，以下标II表示。2.亚共晶合金的结晶过程3.不同成分合金的结晶组织例2.12.12.11.2.3.3.4.（3）共析相图是双层相图，上层是匀晶相图，下层类似共晶相图，称共析相图。共析转变的特征：反应相是固相，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。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，称为包晶转变。两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶并发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图。

2.2.2相图与合金物理、力学性能之间的关系

合金的流动性、缩孔性质

与相图之间的关系2.3铁碳合金相图

(Iron–CarbonPhaseDiagram)2.3.1Fe-Fe3C相图组元和基本组织的结构与性能2.3.2Fe-Fe3C相图分析2.3.3碳的质量分数对铁碳合金组织、

性能的影响2.3.4Fe-Fe3C相图的应用。

2.3.1Fe-Fe3C相图组元和基本

组织的结构与性能(1)组元

*铁(ferrite)

*

渗碳体(Cementite)(2)基本组织1.铁素体(F)(Ferrite)

碳溶于α–Fe中形成的间隙固溶体。2.奥氏体(A)

Austenite

碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。3.渗碳体(Fe3C)

Cementite铁与碳形的金属化合物。4.珠光体(P)

---Pearite铁素体和渗碳体组成的机械混合物。5.莱氏体(Ld)---Ledeburite奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。2.3.2Fe-Fe3C相图分析Fe-Fe3C

相图五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:EF、ES、GS、FK。三个重要转变:包晶转变反应式、共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148℃、727℃。1.包晶转变反应式:LB

+H

AJ1495℃3.共析转变反应式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶转变反应式:LC

(

AE

+Fe3C)Le

1148℃2.3.3典型铁碳合金的结晶过程分析工业纯铁(ingotiron)共析钢(eutectoidsteel)亚共析钢(hypoeutectoidsteel)过共析钢(hypereutectoidsteel)共晶白口铁(eutectoidwhiteiron)亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron)过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron)127654312341231234123112233P’E’C’K’S’(1)工业纯铁(Wc<0.0218%)

工业纯铁组织金相图（2）共析钢(Wc=0.77%)

共析钢组织金相图（3）亚共析钢(Wc=0.45%)

亚共析钢组织金相图（4）过共析钢(Wc=1.2%)

过共析钢组织金相图（5）共晶白口铁(Wc=4.3%)

共晶白口铁组织金相图（6）亚共晶白口铁(Wc=3.0%)

亚共晶白口铁组织金相图（7）过共晶白口铁(Wc=5.0%)

过共晶白口铁组织金相图

组织组成物:F;

Fe3CF;P0.77-0.45F=100%=43%0.77-0.020.45-0.02P=100%=57%0.77-0.02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

合金组织、性能的影响

碳的质量分数对平衡组织的影响。碳的质量分数对力学性能的影响。碳的质量分数对工艺性能的影响。(1)碳的质量分数对平衡组织的影响(2)碳的质

量分数对

力学性能

的影响(3)碳的质量分数对

工艺性能的影响对铸造性能的影响。对锻造性能的影响。对焊接性能的影响。对切削加工性能的影响。

2.3.2Fe-Fe3C

相图的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用(1)选择材料方面的应用1.分析零件的工作条件,根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。2.根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律,确定选定材料的工作范围。(2)制定热加工工艺方面的应用2.4.1转变温度

2.4.2奥氏体的形成

2.4.3奥氏体晶粒度及对力学性能的影响2.4钢在加热时的组织转变2.4.1转变温度(transformationtemperature)

奥氏体的形成FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA

形核A

长大残余Fe3C溶解A均匀化2.4.22.4.3奥氏体晶粒度及对

力学性能的影响（1）奥氏体晶粒度:1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。

2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。

3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃

以下,随温度升高,晶粒长大的程度。

钢的本质晶粒度示意图（2）奥氏体晶粒大小对钢的

力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2.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。2.5钢在冷却时的组织转变2.5.1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2.5.3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

热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却2.5.2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变曲线----TTT曲线(C曲线)T---timeT---temperatureT---transformation

共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1（2）共析碳钢TTT曲线的分析稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;

贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf（3）转变产物的组织与性能1.珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;

片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

细片状P---索氏体(S);

片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P---屈氏体(T);

片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。

珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌

索氏体形貌像

屈氏体形貌像电镜形貌光镜形貌2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状

上贝氏体组织金相图2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):350～230℃:B下;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状

下贝氏体组织金相图3.马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和固溶体。2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。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6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100残余奥氏体量

(%)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:M形成时体积膨胀造成很大内应力。4)马氏体的组织形态:板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。

低碳板条状马氏体组织金相图4)马氏体的组织形态:针、片状---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。

高碳针片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)

2000抗拉强度σb(Mpa)

1800

1400

1000

600

2005)马氏体的性能:

主要取决于马氏体中的碳浓度。

亚共析钢的TTT曲线

FAP+FS+FTBM+A残A3时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf

过共析钢的TTT曲线P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A残

Fe3CⅡAACM时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf

（4）影响TTT