轮机工程基础第三章合金结构与铁碳合金状态图课件

●合金的基本概念●铁碳合金的基本组织●铁碳合金状态图●铁碳合金的成分与其组织和性能的关系●铁碳合金状态图的应用第三章合金结构与铁碳合金状态图第一节合金的基本的概念及结构组元组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化合物。如，Cu-Zn，Fe-Fe3C合金中，Cu、Zn、Fe、Fe3C均为组元组元通常为元素，也可以是化合物相化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相——固溶体和化合物合金由两种或两种以上的金属或非金属组成的具有金属特性的物质。一、基本概念组织（显微组织）指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌组织由相构成，观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。亚共析钢x400过共析钢x400组织是合金中各种相的综合体，可以是单一相也可以是多相混合物，相的形态，数量和分布等都影响组织性能。固溶体类型ZXY间隙原子

间隙固溶体置换固溶体置换原子

YXZ固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变

2、金属化合物

定义：合金组元间发生相互作用而生成的一种新相。可以是正常价化合物、电子化合物还可以是间隙化合物特点：晶格不同于任一组元且复杂，熔点高、硬度高、脆性大。注意：①金属化合物是合金中重要的组成相②金属化合物在合金中起到重要的强化作用

3、机械混合物

定义：由纯金属、固溶体或金属化合物按一定比例构成的多相组织，各组成部分仍保持各自的晶体结构和性能。特点：其机械性能取决于组成相的数量、形态、大小和分布情况。注意：合金中的基本相—固溶体和金属化合物第二节铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳的基本结合方式有两种，即：

形成固溶体形成金属化合物一、铁素体（F）

定义：碳溶于α-Fe中的间隙固溶体。特性：具有体心立方晶格；溶解碳的能力小（727℃时,最大为0.0218％);

塑性、韧性好，强度、硬度低。低温相二、奥氏体（A）

定义：碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体。特性：具有面心立方晶格；溶解碳的能力较大（1148℃时,最大为2.11%，727℃时，为0.77%);

塑性好，变形抗力小；是高温相。三、渗碳体（Fe3C）

定义：铁与碳的金属化合物。特性：含碳量为6.69％,熔点约1227℃；硬度大，韧性很差，极脆，晶格复杂；有五个不同的来源，存在的形式也各异（片状、网状、颗粒状、板条状等），其数量、形状、大小和分布对钢的性能影响很大。

Fe3C是一个亚稳定相，一定条件下会分解匀晶相图相图（平衡图、状态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区L

L+

共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线共晶反应要点PbSnT,CL+L+L+183ced共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。共析相图共析转变：

(+)ABT,C+

+

+cedL+LABT,C+

+

+ced共析反应要点共析转变在恒温下进行。转变结果是从一种固相中析出两个不同的固相。存在一个确定的共析点。成分在共析线范围的合金都要经历共析转变。枝晶偏析CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+b实际生产中，一般合金的冷却速度都很大，由于合金中固相内部的原子扩散来不及充分进行，先结晶的树状枝晶含Ni量高于后结晶的含Ni量，造成晶粒内部和表层成分不均匀，这种现象叫晶内偏析或枝晶偏析。一般用高温扩散退火消除。第三节铁碳相图(Fe-Fe3C相图)(1)Fe-Fe3

C相图的组元

●Fe——α–Fe、δ-Fe(bcc)和γ-Fe(fcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。

●Fe3

C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3

C相图的相

●Fe3

C（Cm，渗碳体）——金属化合物

●液相L

●γ相（A，奥氏体）——γ-Fe（C）固溶体

●α相（F，铁素体）——α-Fe（C）固溶体(3)相图中重要的点和线和相区相图中的特性线及其意义ACD线—液相线（结晶开始线）；AECF线—固相线（结晶终了线）；ECF线—共晶线（将发生共晶反应生成Ld）；ES线—（Acm线）固溶线（表示C在A中的溶解度,有Fe3CⅡ析出）GS线—（A3线）同素异构转变线（AF开始线）；PSK线—（A1线）共析线（将发生共析反应生成P）;GP线—同素异构转变线（AF终了线）；PQ线—固溶线（表示C在F中的溶解度，有Fe3CⅢ析出）。相图中的相区三个单项区—L、A、F；五个两项区—L+A、L+Fe3CⅠ、A+Fe3CⅡ、F+A、F+Fe3CⅢ；两个三项区—L+A+Fe3C、A+F+Fe3C(2)共析钢(C%=0.77%)结晶过程室温组织:

层片状

P

(

F

+

共析

Fe3C

) 500×珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C

和

F

之间。(3)亚共析钢(C%=

0.4%)结晶过程室温组织:

F

+

P，500×(4)过共析钢(C%=

1.2%)结晶过程室温组织:

P

+

Fe3CII

400×(5)共晶白口铁(C%=

4.3%)结晶过程室温组织:（低温）莱氏体Ld′

（P+Fe3CII+

共晶

Fe3C

）,500×莱氏体Ld′的性能：硬而脆(６)亚共晶白口铁(C%=

3%)结晶过程室温组织:Ld′+

P

+

Fe3CII200×(６)过共晶白口铁

(C%=5%)结晶过程室温组织:Ld′+

Fe3CI500×标注了组织组成物的相图第四节铁碳合金的

成分-组织-性能关系含碳量与相的相对量关系：

C

%↑→F

%↓，Fe3C

%↑含碳量与组织关系：

图（a）和（b）含碳量与性能关系

HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓注意：机械性能的变化是由于渗碳体的数量和形状的变化而引起的，工程中使用的钢，其含碳量一般不超过1.3％~1.4％。合金的使用性能与相图的关系

1)固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑

2)组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。第五节铁碳相图的应用相图性能用途2.合金的工艺性能与相图的关系1）铸造性能

液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。

2）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。局限性相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注