第二章金属材料组织与性能的控制(新增)

结晶的概念物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。玻璃制品水晶2.1纯金属的结晶冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度

T=T0

–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。§2-1-1

冷却曲线和过冷现象纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。自由能（G）：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这一部分能量。理论结晶温度（Ｔ0）：结晶速度与溶解速度相等时所对应的温度(Ｆ液=Ｆ晶）。结晶驱动力△Ｆ＝Ｆ液－Ｆ晶1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。§2-1-2

纯金属的结晶过程2、晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核（自发晶核）。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核（外来晶核）。非均匀形核更为普遍。3、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。实际金属结晶主要以树枝状长大.因晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。树枝状长大的实际观察2023/2/48树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶二、结晶时晶核的形成和成长过程结晶过程：晶核的形成和成长（晶核分自发晶核与外来晶核）。成长方式：枝晶成长。缺陷的形成：在枝晶成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力作用和彼此间的碰撞，以及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，以致造成晶粒中的嵌镶块、亚晶界、位错等。三、影响晶核的形成和成长速率的因素过冷度影响因素液体中的不熔杂质表面细晶粒层四、金属铸锭的组织柱状晶粒层中心等轴晶粒层细晶组织机械性能较粗晶好。铸造时细化晶粒的主要方法1、增加冷却速度:

例如：由砂型铸造改为金属模铸造，可以提高铸件的力学性能。2、变质处理:

例如铸铁和铝硅合金（前者加Si-Fe合金，后者加NaF+NaCl混合盐)3、物理方法:

振动、搅拌等2.2二元合金相图一、相图的意义及几个名词的涵义合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.相图:是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。二元相图的表示方法平衡条件下的温度－成分坐标系：二元相图采用两个坐标轴,纵坐标用来表示温度,横坐标用来表示成分。令A和B代表合金的两个组元,则横坐标的一端代表纯组元A,另一端代表纯组元B,任何一个由A,B二组元组成的合金,其成分都可以在横坐标上找到相应的一点---坐标系中的点称表象点.1、组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。2、合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,

如Fe-C合金中的Fe3C。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。Cu-Ni合金相图L成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi二、二元相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。二元相图的建立步骤为：[以Pb-Sn

为例]1.

配制不同成分的Pb-Sn合金。2.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）.3.建立坐标系（纵坐标：温度，横坐标：成分），作成分垂线,将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。4.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中,结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。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。以Cu-Ni合金为例进行分析。

Cu-Ni合金相图§2-2-2匀晶相图一、相图分析相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

LL+成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi液相线固相线二、合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分LL+随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。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L3成分的液体也转变为固溶体，此时

固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。三、二元相图的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成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t

的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。12t则

QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程组得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。②确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。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（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例（如图）合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。四、固溶体合金中的偏析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枝晶偏析。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。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，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扩散退火。当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以Pb-Sn相图为例进行分析。共晶反应:Pb-Sn合金相图成分（wt%Sn）温度（℃）PbSn在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。§2-2-3共晶相图一、相图分析①相：相图中有L、、三种相,是溶质Sn在

Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。②相区：相图中有三个单相区：L、、；三个两相区：

L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。AB④固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。③液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。AB⑤共晶线：水平线CED叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（183

℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE

⇄(C+D)AB机械混合物：以一定的重量比例相混合，在显微镜下可以区分各自晶粒的组织。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。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶体长大示意图Sn原子扩散Pb原子扩散具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共

晶点以右的合金称过共晶合金。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。L+CDAB二、合金的结晶过程①含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。.2温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。H由于二次相析出温度较低，一般十分细小。室温下Ⅱ的相对重量百分比为：由析出的二次用Ⅱ

表示。随温度下降，

和

相的成分分别沿CF线和DG线变化，Ⅱ的重量增加。Ⅰ合金室温组织为

+Ⅱ

。成分大于D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似，室温组织为

+

Ⅱ

。ABCDEFG②共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE⇄(C+D)

。19.2wt%Sn温度,℃1’析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。共晶组织形态

层片状(Al-CuAl2定向凝固)条棒状(Sb-MnSb横截面)螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织形态针状共晶树枝状共晶放射状共晶螺旋状共晶在共晶转变过程中，L、

、三相共存,三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时，和相的相对重量百分比为：E(61.9)D(97.5)C(19.2)共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶

中析出Ⅱ

，从共晶中析出Ⅱ

，由于共晶组织细，Ⅱ与共晶结合，

Ⅱ与共晶

结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？Pb-Sn共晶合金组织③亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成分变化到E点,

此时两相的相对重量为：在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：

L⇄(+)

，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等,即QE=QL反应结束后，在共晶温度下、

两相的相对重量百分比为：温度继续下降，将从一次

和共晶

中析出Ⅱ，从共晶

中析出Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。亚共晶合金的结晶过程如何求室温下三种组织组成物的相对重量？④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

,二次相为Ⅱ室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。Pb-Sn合金的结晶过程三、组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。Ⅰ和Ⅰ,Ⅱ和Ⅱ,共晶体(+)都是组织组成物。相与相之间的差别主要在结构和成分上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ

、Ⅱ和共晶的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织组织组成物在相图上的标注第五节二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。以Pt-Ag相图为例简要分析L+L+L+⑴相图分析单相区：L、、β二相区：L+、L+、+三相区：L++

（水平线PDC）包晶反应:在一定温度下，由一个固相与包围它的液相反应生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P⇄βD

。该反应是液相L包着固相,新相β在L与α的界面上形核，并向L和两个方向长大。⑵合金的结晶过程①

包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为β+II②PD成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+βII+β+II时间温度③DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出室温组织为β+II。时间温度第六节形成稳定化合物的二合金元相图稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其

成分,顶点是其熔点,结晶过程同纯金属.分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+Mg

共析转变也是固态相变.

最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:

S⇄

P+Fe3C

。共析反应(共析转变)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相的过程。PS(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)§2-2-4共析相图共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亚共析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线上共析点以右的合金)。铁碳合金相图共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。珠光体总结：二元相图的分析步骤实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析.⒈

分清相图中包括哪些基本类型相图⒉确定相区⑴相区接触法则相邻两个相区的相数差为1⑵单相区的确定①液相线以上为液相区；Fe-Fe3C相图②靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；③

相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；④

相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；⑤

相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。Cu-Zn相图+⑶两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相

区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。⑷三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。Fe-Fe3C相图恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。

⇄

+共析反应恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。L

+

⇄包晶反应恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。L⇄+共晶反应说明反应式图形特征反应名称常见三相等温水平线上的反应⑴作出典型合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线的特征是:①在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。⒊

分析典型合金的结晶过程②由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点:a.

由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;b.

由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。③发生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。

⑵分析合金结晶过程①画出组织转变示意图。②计算各相、各组织组成物相对重量百分比：a.在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。b.

在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。c.

在三相区，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。合金成分相1成分相2成分相1重量相2重量合金成分组织1成分组织2成分组织1重量组织2重量••••••一、填空题1、屈服强度是表示金属材料抵抗

微量塑性

变形的能力。

2、随着固溶体中溶质原子含量增加，固溶体的强度、硬度__升高____。3、金属的结晶包括

形核

和

长大

两个基本过程。4、金属的实际结晶温度___低于_____其理论结晶温度，这种想象称为过冷。5、理论结晶温度与实际结晶温度之差△T称为__过冷度______。6、金属结晶时，冷却速度越快，则晶粒越___细小_______。7、合金发生共晶反应，液相

L

生成共晶体__（α+β）________。共晶反应式为__________，共晶

反应的特点是__________。8、枝晶偏析是指__________。二、选择题(单选)1、金属材料抵抗塑性变形的能力主要取决于材料的（D）A.冲击韧性B.弹性C.塑性D.强度2、固溶强化的基本原因是（D）

A.晶格类型发生变化B.晶粒变细

C.晶格发生滑移D.晶格发生畸变

3、间隙相的性能特点是（C）

A.硬度高、熔点低B.熔点高、硬度低C.硬度高、熔点高D.硬度低、熔点低4、实际晶体的线缺陷表现为（B）A.晶界B.位错C.空位和间隙原子D.亚晶界5、晶体中的间隙原子属于（D）

A.面缺陷B.体缺陷C.线缺陷D.点缺陷6、晶界、亚晶界是实际晶体材料晶体缺陷中的（A）

A.面缺陷B.体缺陷C.线缺陷D.点缺陷7、过冷度是金属结晶的驱动力，它的大小主要取决于（B）A.化学成分B.冷却速度C.晶体结构D.加热温度8、共晶反应是指（A）A.液相→固相1

+

固相2B.固相→固相1

+

固相2C.从一个固相内析出另一个固相D.从一个液相内析出另一个固相9、共析成分的合金在共析反应γ→（α+β）刚结束时，其相组分为（B）

A.（α+β）B.α+βC.γ+α+βD.γ+（α+β）三、简答题1、金属晶体的常见晶格有哪三种？α-Fe、γ-Fe各是什么晶格？

2、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？

3、实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程共晶转变结束时，和相的相对重量百分比为：成分（wt%Sn）温度（℃）PbSnE(61.9)D(97.5)C(19.2)共晶转变结束时，和相的相对重量百分比为：E(61.9)D(97.5)C(19.2)2.3铁碳合金相图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。2.31纯铁的同素异构转变

1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度变化而变化的现象称同素异构转变（或重结晶）。同素异构转变属于相变之一—固态相变。纯铁的同素异构转变-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。-Fe-Fe2、固态转变的特点⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。2.3.3铁碳合金的基本相和组织不同而不同，600℃时为0.006%，室温下仅为0.0008%,727℃时最大达0.02%，是体心立方间隙固溶体。性能：F叫工业纯铁，韧性很好，延伸率δ=45~50%，强度和硬度均不高，σb=250MPa，HB＝80。晶粒为均匀明亮的多边形。铁素体⒈组元：Fe、Fe3C⒉组成物：⑴铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F

或

表示。α-Fe溶解Ｃ的能力很小，随温度的⑵奥氏体:碳在

-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。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2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。性能：强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行。碳钢室温组织中无奥氏体.奥氏体⑶渗碳体：是Fe和Ｃ形成的稳定化合物，含Ｃ量为6.69%，具有复杂的晶格，用Fe3C表示。性能：Fe3C硬度高(HB约800)、强度低(b35MPa),脆性大,塑性几乎为零，其形状可以是片状、网状和粒状.Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体（４）、P：F和Fe3C组成的机械混合物。性能：其性能介于F和Fe3C之间，（５）、Ld(或Le)：A和Fe3C组成的机械混合物，它只在高温(>727℃)存在，在727℃以下，Ld是由P＋Fe3C组成，用Ld`表示。性能：Ld`与Fe3C相似，HB>700，塑性差。铁碳合金相图：是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.2.3.4

铁碳合金相图的分析一、概述⒈特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

⒉特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECF⑵三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄

J

ECF：共晶线LC⇄

E+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Le（或Ｌd)表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体PSK：共析线

S

⇄FP+Fe3C共析转变的产物是

与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。⑶

其它相线GS,GP—

⇄

固溶体转变线,GS又称A3

线。HN,JN—δ⇄

固溶体转变线，ES—碳在

-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线

⒊相区⑴五个单相区：

L、、、、Fe3C

⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C二、工业纯铁、钢和白口铸铁结晶过程分析⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相

①亚共析钢

(0.0218~0.77%C)

②共析钢(0.77%C)

③

过共析钢

(0.77~2.11%C)铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(<0.0218%C)组织为单相铁素体。亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁⑶白口铸铁

(2.11~6.69%C)

铸造性能好,硬而脆①亚共晶白口铸铁

(2.11~4.3%C)②

共晶白口铸铁(4.3%C)③

过共晶白口铸铁

(4.3~6.69%C)㈠工业纯铁的结晶过程合金液体在1-2点间转变为，3-4点间→，5-6点间→。到7点，从中析出Fe3C。NSJBHL+++

工业纯铁的结晶过程

随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。室温下Fe3CⅢ最大量为:

从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。

Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。㈡共析钢的结晶过程

合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变：

S⇄P+Fe3C,

全部转变为珠光体(P)。共析钢的结晶过程珠光体在光镜下呈指纹状.相变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.珠光体Q室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？Q43219㈢亚共析钢的结晶过程0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.以0.45%C的钢为例合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为。到4点，由中析出。到5点,成分沿GS线变到S点，

发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，

中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.+Fe3CⅢGSPABJH亚共析钢的结晶过程利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:

C%=P面积%×0.77%(忽略中含碳量，P面积%=QP)共析温度下相(+Fe3C)的相对重量为：

组织组成物(+P)的相对重量为：

S’室温下相的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：S’亚共析钢室温下的组织为F()+P。在0.0218~0.77%C

范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织㈣过共析钢的结晶过程

合金在1~2点转变为

,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈网状分布.温度下降,Fe3CⅡ量增加。到4点，

成分沿ES线变化到S点，余下的

转变为P。在共析温度下Fe3CⅡ的相对量？过共析钢的结晶过程室温下两相(+Fe3C)的相对重量百分比：室温下两组织组成物(P+Fe3CⅡ)的相对重量百分比：12345S’㈤共晶白口铁的结晶过程

合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶

与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状.Fe3C共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:C点以下,

成分沿ES线变化，共晶

将析出Fe3CⅡ。

Fe3CⅡ与共晶Fe3C

结合，不易分辨。1’2Fe3C温度降到2点,

成分达到0.77%,此时,相的相对重量:在2点,共晶

发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,用Le’表示.

2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。S共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁室温组织为Le’(P+Fe3C),

它保留了共晶转变产物的形态特征。室温下两相的相对重量百分比为：

㈥亚共晶白口铁的结晶过程合金在1~2点间析出

。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。2~3点间从中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶衬托出来。到3点，转变为P。亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’。室温下组织组成物相对重量百分比为：ECFD1234N室温下相的相对重量百分比?㈦过共晶白口铁的结晶过程1~2点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。DFK3Fe3C1242点以下,Fe3CⅠ成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。

组织组成物与相组成物标注区别主要在+Fe3C和+Fe3C两个相区.+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。

㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注+Fe3C+Fe3CFeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度㈨含碳量对铁碳合金组织和性能的影响⒈含碳量对室温平衡组织的影响

含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：

钢铁素体亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体第三节碳钢1、Mn:0.8%时为杂质,是有益元素。作用为：

①强化铁素体；②消除硫的有害作用。一、钢中常存杂质元素的影响

钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：①强化铁素体；②增加钢液流动性。3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985℃)，热加工时(1150~1200℃)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应控制在0.045%以下.Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔点高(1600℃)。4、P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下.四、Fe-Fe3C相图的应用（含碳量对工艺性能的影响)①切削性能:中碳钢合适②可锻性能:低碳钢好③焊接性能:低碳钢好④铸造性能:共晶合金好⑤热处理性能:第六章介绍铸造焊缝组织模锻切削加工的基本形式车刨钻铣磨五、含碳量与铁碳合金机械性能的关系亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能。＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Le’,合金太脆.2.4金属的塑性加工单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。一、单晶体金属的塑性变形外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片韧性断口脆性解理断口㈠滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。塑性变形的形式：滑移和*孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。

1、滑移变形的特点：⑴

滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力.⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。

一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍.滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。

铜拉伸试样表面滑移带⑷滑移的同时伴随着晶体的转动转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶.当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45°角时，滑移

方向上切应力最大，因而最容易发生滑移.滑移后,滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。A0A1FFA0韧性断口多脚虫的爬行2、滑移的机理把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。刃位错的运动*㈡孪生孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。

孪晶组织孪生示意图与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶二、多晶体金属的塑性变形单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。㈠晶界及晶粒位向差的影响1、晶界的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积2、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。

㈡多晶体金属的塑性变形过程多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒(软位向晶粒)。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。

铜多晶试样拉伸后形成的滑移带σσ㈢晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。晶粒大小与金属强度关系金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。应变应力塑性材料脆性材料通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。

二、合金的塑性变形合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种.合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.珠光体奥氏体一、单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。

产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高.

Cu-Ni合金成分与性能关系二、多相合金的塑性变形与弥散强化当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变

形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。

+钛合金(固溶体第二相)当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；珠光体当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。颗粒钉扎作用的电镜照片位错切割第二相粒子示意图电镜观察2.4.2冷塑性变形对金属组织和性能的影响

一、产生纤维组织金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。二、产生加工硬化随着形变量的增大，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力迅速增大，使硬度和强度升高，塑性和韧性下降。工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%加工硬化：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜产生加工硬化的原因：金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。

没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金