金属学全套课件

第一章金属的晶体结构1.1金属金属:具有正的电阻温度系数的物质.非金属:具有负的电阻温度系数的物质.金属原子的结构特点:孤立的自由原子=带正电的原子核+带负电的核外电子核外电子=内层电子+外层电子价电子=最外层的电子金属原子的结构特点:外层

4个价电子;正电性元素.非金属原子的结构特点:外层4-7个价电子;负电性元素.过渡族金属原子的结构特点:化合价可变.二.金属键离子键:氯化钠共价键:金刚石金属键:电子云三.结合力与结合能原子间结合力=原子间吸引力+排斥力do:平衡点,吸引力=排斥力.结合力=0.dc:最大结合力=理论抗拉强度.原子间结合能=原子间吸引能+排斥能do:结合能最低,原子的势能最低、最稳定。EAB:原子间结合能

当大量原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定状态，大量原子间必须保持一定的平衡距离，是固态金属的原子趋于规则排列的重要原因。1.2金属的晶体结构晶体:在三维空间作有规律的周期性排列的物质.非晶体：内部原子是散乱分布的。在一定条件下，晶体和非晶体可以互相转换。一.晶体的特性有一定熔点.各向异性.二.晶格与晶胞阵点(结点)：原子（离子、分子、原子群、分子群）抽象的几何点。空间点阵(晶格)：用直线将阵点连接起来，构成一个描述晶体中原子排列规律的三维空间格架。晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元。晶格常数（点阵常数）：晶胞的棱边长度，X、Y、Z轴为a,b,c.轴夹角：晶胞的棱边夹角，Y-Z、Z-X、X-Y为、、。三.三种典型的金属晶体结构(一)体心立方晶格---BCC(bodycenteredcubic)结构特点原子半径原子数:1+1/8x8=2配位数:8(与任一原子等距离、最近邻的原子总数）致密度：0.68(K=nV1/V)(二)面心立方晶格---FCC(facecenteredcubic)结构特点:原子半径原子数:1/8x8+1/2x6=4配位数:3x4=12致密度:0.74(三)密排六方晶格---HCP(hexagonalclose-packed)结构特点原子半径:a/2原子数:1/6x12+½x2+3=6配位数:6+2x3=12致密度:0.74c/a=1.633(四).晶体中的原子堆垛方式和间隙密排面:晶体中,原子间最紧密排列的平面.

密排六方晶格:底面;

面心立方晶格:(111)

体心立方晶格:(110)(次密排面)1.晶体中的原子堆垛方式体心立方晶格:ABABAB面心立方晶格:ABCABCABC密排六方晶格:ABABAB2.晶体中的间隙体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格四.晶向指数和晶面指数晶向[uvw]:晶体中,任意两个原子之间的连线所指的方向.晶面(hkl):晶体中,由一系列原子所组成的平面.1.晶向指数确定方法:晶向族<uvw>:原子排列相同但是空间位向不同的所有晶向.某一晶体中,一个晶向表示一组平行的原子分布相同的直线.若两个晶向数字和顺序相同,但是符号(正负号)相反表示直线方向相反.2.晶面指数确定方法晶面族{hkl}:在同一晶体结构中,虽然空间位向不同,但是其原子排列的情况完全相同的所有晶面.某一晶体中,一个晶面表示一组平行的原子分布相同的平面.若两个晶面数字和顺序相同,但是符号(正负号)相反表示两组晶面平行.3.六方晶系的晶向指数和晶面指数晶向[uvtw],t=-(u+v)晶面(hkil),i=-(h+k)4.晶向指数和晶面指数的关系五.晶体的各向异性(原因:原子在不同晶向上的紧密程度不同)多晶体伪等向性六.多晶型性多晶型转变(同素异构转变)立方结构的晶体中,当晶向[uvw]平行(位于)晶面(hkl)时,满足:hu+kv+lw=0当晶向[uvw]垂直晶面(hkl)时,满足:h=u;k=v;l=w

1.3实际金属的晶体结构晶体缺陷:一些原子偏离规则排列的不完整区域.晶体缺陷类型:点缺陷,面缺陷,线缺陷.一.点缺陷(一)空位形成;运动;消失;

作用:扩散晶体畸变:(二)间隙原子(三)置换原子二.线缺陷----位错刃型位错,螺型位错.(一)刃型位错位错线分类:正(负)刃型位错形成:切应力滑移面应力场:刃型位错与间隙(置换)原子的相互作用刃型位错的特征1.刃型位错有一个额外的半原子面.2.位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变的管道,有正应变,也有切应变.对于正刃型位错,滑移面上的晶格受压应力,滑移面下的晶格受拉应力.3.位错线与晶体滑移的方向相垂直,既位错运动方向垂直于位错线.(二)螺型位错形成:切应力分类:左(右)螺型位错右(左)手法则:拇指代表螺旋的前进方向,其余四指代表螺旋的旋转方向.螺型位错的位错线平行于晶体滑移方向.螺型位错特征1.螺型位错没有额外半原子面.2.螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道,只有切应变,无正应变.3.位错线与滑移方向平行,位错线运动的方向与位错线垂直.(三)柏氏失量概念:一个表示位错性质,晶格畸变的大小和方向的矢量.确定方法:三个步骤.柏氏失量确定位错类型位错线方向(习惯正向):由里向外,由左向右,由下向上.刃位错确定方法:如图螺位错确定方法:柏氏失量与位错方向相同的为右螺型位错,相反者为左螺型.柏氏失量重要特性判断位错类型。位错线与柏氏失量垂直是刃位错，位错线与柏氏失量平行是螺位错。表示位错区晶格畸变总量的大小。表示晶体滑移的方向和大小。一个位错的柏氏失量是恒定的，与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关。刃型位错线与柏氏失量垂直，它们构成的滑移面只有一个；螺型位错线与柏氏失量平行，它们构成的滑移面无限个。混合型位错：当柏氏矢量和位错线交成任意角度时，则位错是刃型和螺型位错的混合型。(四)位错密度

=L/VV:晶体体积;L:晶体中位错线的总长度，单位：m-2;三.面缺陷(一)晶体表面：指金属同外部介质相接触的界面。表面能：表面层产生晶格畸变，使其能量升高，单位面积上升高的能量叫比表面能，简称表面能。影响表面能的因素：外部介质，裸露面原子密度，晶体表面的曲率等。(二)晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒间的界面。大角度晶界：位向差大于10度。小角度晶界：位向差小于10度。(三)亚晶界：每个晶粒内，存在位向很小的亚结构，亚结构间的界面叫。。(四)堆垛层错：实际晶体中，晶面堆跺顺序发生局部差错而产生的晶体缺陷。层错能：堆垛层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量升高，产生单位面积层错所需要的能量叫。(五)相界：具有不同晶体结构的两相间的分界面。共格相界；半共格相界；非共格相界。(六)晶界的特性二.结晶过程的微观过程结晶过程:孕育期-----晶核形成------晶核长大.问题:1.液态金属能否在理论结晶温度下结晶??2.过冷度在金属结晶过程中起什么作用??2.2金属结晶的热力学条件液固相的自由能差,就是转变的驱动力:热力学第二定律:在等温等压条件下,物质系统总是自发第从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变.当T<Tm

时,Gv=LmT/TmTm理论结晶温度;Lm熔化潜热.过冷度T越大,相变驱动力越大.Gv单位体积自由能变化;Gs固态金属自由能;GL

液态金属自由能.2.3金属结晶的结构条件:结构起伏(相起伏)结晶:大的过冷度------尺寸较大的相起伏(晶胚)--------晶核形成------晶核长大.近程有序:液体中的小范围内,存在着紧密接触规则排列的原子集团,但是在大范围内原子却是无序排列的.远程有序:在晶体中,大范围内的原子呈有序排列.结构起伏(相起伏):在液态金属中,近程有序的原子集团处于瞬间出现,瞬间消失,此起彼伏,变换不定的状态中,仿佛在液态金属中不断涌现一些极其微小的固态结构一样,这种不断变化的近程有序原子集团,叫…2.4晶核的形成一.均匀形核(均质形核或自发形核)自由能变化:既:临界晶核半径既:形核方式:均匀形核:液相中各个区域出现新相晶核的几率相同.

非均匀形核:新相优先出现于液相中的某些区域.(一)形核时的能量变化

G和临界晶核半径rKV:晶胚的体积;S:表面积;GV;液固两相单位体积自由能差;S:单位面积的表面能.T:过冷度;Tm理论结晶温度;Lm熔化潜热.

当r<rK时,随晶胚尺寸增大,自由能增加,晶胚瞬间消失,不能变成晶核.当r>rK时,随晶胚尺寸增大,自由能降低,晶胚比较容易形成晶核.当r=rK时,晶胚可能消失,也可能长大形成晶核.过冷度

T越大,临界形核半径rK越小.最大相起伏(晶胚)尺寸rmax越大.当

T>TK时,rmax>rK,尺寸较大的晶胚能够形成晶核.(二)形核功能量起伏:在一定温度下,系统有一定的自由能,这是指宏观平均能量.但是在微区各处的能量此起彼伏,变化不定.微区能量偏离平衡能量的现象,叫…形核功:形成临界晶核时,体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3,还有1/3的表面能需要另外供给,既需要对形核作功,这部分功叫….形核功与过冷度的关系:过冷度增大,临界形核功显著降低,结晶过程容易进行.晶核形成=过冷液体中的相起伏+能量起伏(三)形核率形核率的影响因素:形核功;扩散.二.非均匀形核(异质形核或非自发形核)(一)临界晶核半径和形核功体系自由能变化:临界晶核半径:形核功:=0,GK’=0.不需要形核功,液体中的固体相质点就是现成的晶核,可以在上面直接结晶长大.=180o,GK’=GK.均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同.0<<180o,GK’<GK.越小,非均匀形核越容易,需要的过冷度也越小.(二)形核率1.过冷度的影响2.固体杂质结构的影响3.固体杂质形貌的影响4.过热度的影响5.其他因素的影响小节:金属形核的要点液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行,液态金属的过冷度必须大于临界过冷度,晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rK.前者提供形核的驱动力,后者是形核的热力学要求.2.rK值大小与晶核的表面能成正比,与过冷度成反比。过冷度越大，则rK值越小，形核率越大，但是形核屡有一个极大值。如果表面能越大，形核所需要的过冷度也应越大，因此，能够降低表面能的办法都能够促进形核。均匀形核需要结构起伏，也需要能量起伏，二者都是液体本身存在的自然现象。晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀形核的方式进行的。

2.5晶核长大一.固液界面的微观结构(一)光滑界面：显微尺寸看粗糙，原子尺寸看光滑平整。(二)粗糙界面：显微尺寸看平整，原子尺寸看界面高低不平。二.晶体长大机制(一)二维晶核长大机制(二)螺型位错长大机制(三)垂直长大机制三.固液界面前沿液体中的温度梯度(一)正温度梯度:结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失(二)负温度梯度:结晶潜热通过结晶的固相和型壁,还有液体散失四.晶体生长的界面形状---晶体形态(一)正温度梯度下结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失,相界面向液相中的推移速度受散热速率的控制.

液固界面基本呈平直状.光滑界面:小晶面互成一定角度,呈锯齿状.粗糙界面:平行于等温面的平直界面.(二)负温度梯度下晶界的移动不受已结晶的固相和型壁的散热控制.树枝晶:液态金属在结晶中各个方向上发展不同,而形成的树枝状晶体.等轴晶:如果枝晶在三维空间得到均衡发展,各个方向上的一次轴近似相等,这样形成的晶粒,叫.柱状晶:如果枝晶在一个方向上的一次轴长得很长,而在其他方向上受到阻碍,而形成的细长晶粒.五.长大速度长大速度与过冷度关系非金属当过冷度小时，液固两相自由能差小，结晶的驱动力小，晶体的长大速度小。当过冷度大时，温度过低，原子的扩散困难，晶体的长大速度小。金属结晶温度高，形核与长大都快，它的过冷能力小，所以未到过冷到较低温度时，结晶已经结束了。六.晶粒大小的控制

晶粒度：晶粒的大小，通常用晶粒的平均面积或直径表示。晶粒大小的影响因素：形核率和长大速度。晶粒的大小取决于形核率N与长大速度G的比值，N/G。

工业中细化晶粒的方法控制过冷度：在一定范围内，过冷度越大，N/G越大，晶粒越细。变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。振动和搅拌：相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。分类:固溶体：合金的组元间以不同的比例相互混合，混合后形成的晶体结构与某一组元的晶体结构相同，这种相就是固溶体，这种组元叫溶剂，其他的组元叫溶质。金属化合物：在合金系中，组元间发生相互作用，形成一种具有金属性质的新相。它具有独立的晶体结构和性质，与各个组元的晶体结构和性质都不同。影响相结构的因素:负电性,原子尺寸,电子浓度.3.1合金中的相3.2合金的相结构一。固溶体分类：位置：置换，间隙。固溶度：有限固溶，无限固溶。相对分布：无序，有序。结构：晶格畸变、偏聚与有序性能:强度、硬度高，塑性、韧性差。二。金属化合物（中间相）分类：

1.正价化合物、

2.电子化合物、

3.间隙相（rx/rm<0.59）和间隙化合物（rx/rm>0.59

）。三。间隙相与间隙固溶体区别间隙相是一种化合物，它具有与其他组元完全不同的晶体结构；而间隙固溶体仍保持着溶剂组元的晶格类型。3.3二元合金相图的建立一.二元相图的表示方法二.二元相图的测定方法三.相律和杠杆定律(一)杠杆定律:WL/Wa=rb/ar(二)相律:f=c-p+2C:系统的组元数;P:平衡条件下系统的相数;f:自由度数;常数2代表:温度和压力.当压力为常数时:f=c-p+1C:系统的组元数;P:平衡条件下系统的相数;f:自由度数.（三）相律的应用：确定系统中可能存在的最多平衡相数.单元系:C=1,当f=0时,P=1-0+1=2,说明同时共存的相最多两个.二元系:C=2,当f=0时,P=2-0+1=3,说明同时共存的相最多三个.解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别单元系:C=1,p=2时,f=0,说明纯金属结晶时只能在恒温下.二元系:C=2,P=2时,f=1,说明二元合金在一个温度范围内进行;当三相共存(P=3)时,f=0,说明结晶只能在各个因素完全不变的条件下进行.3.4匀晶相图及固溶体的结晶一.相图分析匀晶相图:两组元在液相和固相都无限互溶的二元合金所形成的相图.在t1-t3间:f=c-p+1=2-2+1=1二.固溶体合金的平衡结晶过程概念:平衡结晶:合金在极其缓慢的冷却条件下进行结晶的过程.成分起伏:虽然液态合金在宏观上成分平均,但是在微观上,由于原子运动的结果,在任一瞬间,液相中总有些微小体积可能偏离液相的平均成分,这些微小的体积的成分、大小、位置都是在不断地变化的。异分结晶（选择结晶）：结晶的晶体同液态母相化学成分不同的结晶。同分结晶：结晶的晶体同液态母相化学成分完全相同的结晶。固溶体形核的条件：结构起伏，能量起伏，成分起伏。固溶体结晶特点异分结晶平衡分配系数：k0=C

/CLC

、CL为固相和液相的平衡浓度。

K0的大小反映了溶质组元重新分配的强弱程度。需要一定温度范围（下页）固溶体的结晶过程

固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）造成相内（液相或固相）的浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏了相界面处的平衡，因此晶体必须长大，才能使相界面处重新达到平衡。固溶体晶体的长大过程：平衡---不平衡---平衡---不平衡。三.固溶体合金的不平衡结晶过程不平衡结晶：偏离平衡结晶条件的结晶。晶内偏析(枝晶偏析)：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。由于固体晶体通常呈树枝状，使树干和树枝间的化学成分不同，所以又叫枝晶偏析。假设：液体内充分混合，而固相内没有扩散。偏析的大小与k0有关。偏析的最大值(液固相线间的水平距离)：C0-C0=C0-C0K0=C0

（1-K0

）影响偏析的因素：溶质扩散能力，冷却速度。消除偏析的方法:均匀化退火(低于固相线100-200C,长时间保温).四.区域偏析和区域提纯(一)区域偏析：固溶体合金不平衡结晶中造成的大范围内化学成分不均匀现象。区域偏析的形成情况1。假定：液体内化学成分充分混合（靠扩散、对流和搅拌），而固相内无扩散。情况2。假定：液体内溶质原子仅靠扩散混合（无对流和搅拌）固相内无扩散。情况3。实际不平衡结晶如曲线d.(二)区域提纯五.成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响思考问题：固溶体的晶体生长形态是什么样？？（固液界面前液体分别在正、负温度梯度下）(一)形成成分过冷的条件及其影响因素成分过冷：固溶体合金在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形成溶质的浓度梯度，产生一个过冷区，由于这个过冷度是由液相中成分的变化引起的，所以叫。。。1。纯金属固液界面的温度梯度对结晶形状的影响平面生长树枝状生长(二)固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响2。固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响G1:平面生长G2:生长方式G3:树枝生长3.5共晶相图及合金的结晶概念:共晶相图：共晶转变：由一个液相同时结晶出两个固相的过程。一.相图分析MF、NG固溶度曲线；AE、BE液相线；AMNB固相线；三个单相区；三个两相区；一个三相共存区MEN。共晶转变（反应）：LE

M+N共晶线MEN；共晶点E；共晶温度；共晶合金；过共晶合金；亚共晶合金。二.典型合金的平衡结晶极其组织合金ILL++IIw=100%xF4/FGW=100%x4G/FG脱溶过程(二次结晶);二次相.共晶合金(合金II)共晶转变（反应）：LE

M+NwM=100%xME/MNWN=100%xEN/MNL--------

+------(

+)

+(II+II)通常下：(II+II)省略。所以组织：

+共晶组织的生长方式:片层状生长亚共晶合金(合金III)L------L+

------

+(

+)------

+(

+)+II先共晶相和剩余液体质量比:W

=100%xE2/MEWL=100%xM2/ME过共晶合金(合金IV)L------L+

------

+(

+)------+(

+)+II不同合金的组织组成物2点:先共晶相和共晶组织含量:w

=100%x2E/MEW+=100%x2M/ME

相组成物的含量:W

=100%x2N/MNw

=100%xM2/MN三.非平衡结晶极其组织(一)伪共晶在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的亚(过)共晶合金,也能得到全部共晶组织,这种非共晶成分的合金所得到的共晶组织,叫伪共晶.

伪共晶区的形状决定于共晶相中两个单相单独生长时的长大速度和过冷度的关系.

如果两个相的长大速度和过冷度的关系相差悬殊,其中一个相的长大速度随过冷度的增加下降很快,次相的生长会被抑制,使伪共晶区歪斜地偏向该相边.结果共晶成分合金结晶出亚(过)共晶组织.离异共晶在先共晶相数量较多而共晶组织较少情况下,有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相,会依附于先共晶相上生长,剩下的另一相则单独存在于相界处,从而使共晶组织的特征消失,这种两相分离的共晶叫…离异共晶会给合金性能带来不良影响.对不平衡组织可用均匀化退火消除.四.比重偏析和区域偏析包晶相图及其合金的结晶包晶相图包晶反应（转变）一.相图分析PE\DF固溶度曲线；ACB液相线；APDB固相线；三个单相区；三个两相区；一个三相(L、、）共存区PDC。包晶反应（转变）：Lc+

p

D包晶点D，包晶温度tD，包晶线PDC。二.典型合金的平衡结晶过程及组织(一).合金I结晶过程:L----L+--------------+IID点:WL=100%xPD/PCW

=100%xDC/PC包晶反应(二).合金II结晶过程:L----L+----------+----++II+II包晶反应2点:WL=100%xPH/PCW

=100%xHC/PC(二).合金III结晶过程:L----L+----------+L----------+II包晶反应2点:WL=100%x2D/DCW

=100%x2C/DC三.不平衡结晶及组织包晶偏析:包晶转变的不平衡组织可用长时间扩散退火消除.四.包晶转变的实际应用在轴承合金中细化晶粒作用3.7二元相图的分析和使用一.相图分析步骤(1).看是否存在稳定化合物,将相图分解.(2).确定单相区、两相区和三相区。(3).确定三相平衡转变性质.(4).综合分析结晶过程和组织.例如:I包晶反应:L+

II包晶反应:L+III包晶反应:L+IV共析反应:+V共析反应:+VI共析反应:+VII共析反应:+VIII包析反应:+IX包析反应:+X熔晶反应:+LXI共晶反应:L+(二)铁素体和奥氏体铁素体:碳溶于铁中的间隙固溶体,为BCC结构,表示:F或.奥氏体:碳溶于铁中的间隙固溶体,为FCC结构,表示:A或.(三)纯铁的性能与应用塑性和韧性好,强度低.二.滲碳体铁和碳的间隙化合物Fe3C,含碳量6.69%.表示Cm.正交晶系.硬度很高,塑性和差.4.2Fe-Fe3C相图分析

一.相图中的点线区的意义符号国际通用,不能随便改变.液相线ABCD,固相线AHJECF.五个单相区:液相区(L),固相区(

),奥氏体区(A或),铁素体区(F或),渗碳体区(Fe3C).七个两相区:L+,L+,L+Fe3C,+,+,+Fe3C,+Fe3C.两条磁性转变线:

MO(铁素体转变),230oC(渗碳体转变).三条水平线:HJB包晶转变线,ECF共晶转变线,PSK共析转变线.二.包晶转变(HJB线)1495oC,液相(LB)+铁色体(

H)

奥氏体(

J)三.共晶转变(ECF水平线)1148oC,液相(LC)奥氏体(

E)+渗碳体区(Fe3C)

莱氏体:奥氏体+渗碳体区的混合物.塑性差.四.共析转变(PSK水平线)727oC,奥氏体(

s)铁素体(p)+渗碳体(Fe3C)

珠光体:共析转变的产物.用符号P表示.

共析温度:A1表示珠光体中铁素体和渗碳体体的含量:WF=SK/PKWFe3C=100%-WF五.三条重要的特性曲线(一)GS线(A3线)冷却中,由奥氏体析出铁素体的开始线.或加热中,铁素体溶入奥氏体的终了线.(二)ES线(ACm)碳在奥氏体中的溶解度曲线.二次渗碳体.(三)PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线.三次渗碳体.4.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织分类:(按有无共晶转变)碳钢(Wc<2.11%)铸铁(Wc>2.11%)工业纯铁(Wc<0.0218%)七种类型:(根据组织,按含碳量分类)工业纯铁(Wc<0.0218%)共析钢(Wc=0.77%)亚共析钢(Wc=0.0218-0.77%)过共析钢(Wc=0.77-2.11%)共晶白口铁(Wc=4.3%)亚共晶白口铁(Wc=2.11-4.3%)过共晶白口铁(Wc=4.3-6.69%)各种类型合金平衡结晶过程冷却曲线一.Wc=0.01%的工业纯铁L---L+-------+(奥氏体)------+(铁素体)------+Fe3CIII(三次渗碳体区)二.共析钢L---L+(奥氏体)------------------(铁素体)+Fe3C(共析渗碳体)–

+Fe3C+Fe3CIII(三次渗碳体区)省略Fe3CIII,最终组织:+Fe3C(既:P(珠光体))共析反应共析反应:727oC,

0.77--------0.0218+Fe3C(P珠光体)W0.0218=(6.69-0.77)/(6.69-0.218)=88%WFe3C=1-88%=12%P(珠光体):铁素体()+渗碳体(Fe3C)三.亚共析钢(Wc=0.40%)L---L+-------------L+(奥氏体)------+(铁素体)--------------+P(珠光体)-----+P+Fe3CIII(三次渗碳体)省略Fe3CIII,最终组织:(铁素体)+P(珠光体)包晶反应共析反应包晶反应:L+-(奥氏体)共析反应后的与P含量:WP=5P/SPW

=S5/SP四.过共析钢(Wc=1.2%)L---L+(奥氏体)------+Fe3CII(二次渗碳体)----P(珠光体)+Fe3CII(二次渗碳体)共析反应后的Fe3CII与P含量:WP=4V/SVWFe3CII=4S/SV五.共晶白口铁(Wc=4.3%)L---------------

E(奥氏体)+Fe3C(共晶渗碳体)--------------P(珠光体)+Fe3C(共晶渗碳体)+Fe3CII(二次渗碳体)共晶反应共析反应共晶反应:LC

E(奥氏体)+Fe3C(共晶渗碳体)共析反应:(奥氏体)P(珠光体)P(珠光体):(铁素体)+Fe3C(渗碳体)Ld(莱氏体):(共晶奥氏体)+Fe3C(共晶渗碳体)Ld’(低温莱氏体或变态莱氏体):P(珠光体)+Fe3C(共晶渗碳体)+Fe3CII(二次渗碳体)L--------Ld(莱氏体)------------Ld’(低温莱氏体或变态莱氏体)共晶反应共析反应六.亚共晶白口铁(Wc=3.0%)L---L+(初晶奥氏体)-----------(初晶奥氏体)+Ld(莱氏体)–-----(初晶奥氏体)+Ld(莱氏体)+Fe3CII(二次渗碳体)-----------------P(珠光体)+Ld’(低温莱氏体）+Fe3CII(二次渗碳体)共晶反应共析反应共晶反应后,该铸铁中组织组成物中，初晶奥氏体含量：W

=（4.3-3.0)/(4.3-2.11)=59.4%莱氏体含量:WLd=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)=40.6%七.过共晶白口铁(Wc=5.0%)L---L+Fe3CI(一次渗碳体)---------------Ld(莱氏体)+Fe3CI(一次渗碳体)–-------------Ld’(低温莱氏体）+Fe3CI(一次渗碳体)共晶反应共析反应

易混淆的概念重结晶：在固态下的相变结晶过程。Fe3CI(一次渗碳体)：从液相中结晶出的先共晶渗碳体。Fe3CII(二次渗碳体)：从奥氏体中析出的次生的渗碳体。Fe3CIII(三次渗碳体)：从铁素体中析出的渗碳体。4.4含碳量对铁弹合金平衡组织和性能的影响一.对平衡组织的影响相组成物:L、、、、Fe3C组织组成物：L、、、、P、Ld、Ld’Fe3CI

、Fe3CII、Fe3CIII、成分变化相变化组织变化二.在成分三角形中具有特定意义的直线平行于三角形某一边的直线:B组元含量不变.通过三角形任一顶点的直线:A,C组元含量比一定.WA/Wc=Ba1/Bc1=Ba2/Bc2=Ba/Bc=EC/AEBCA5.2

三元系平衡相的定量法则

问题:如果将两个已知成分的合金熔配到一起,那么,所得到的新的合金的成分是多少?一.直线法则和杠杆定律直线法则(共线法则):三元合金在两相平衡时,合金的成分点和两个平衡相的成分点,必须在同一条直线上.利用直线法则和杠杆定律可以计算三元合金中两相平衡时相对的含量.

如图所示:W

/W

=Ob/Oa举例:已知：合金P、Q成分分别为：P：WA=60%，WB=20%，WC=20%；Q：WA=20%，WB=40%，WC=40%；P合金质量占新合金R的75%。解答：RQ/PQ=75%RQ/PQ=R1/Q1R1/Q1=（R1C-20）/（60-20）=0。75R1C=50%同理：R2A=25%R合金成分：WA=50%，WB=25%，WC=25%；问题:如果将三个已知成分的合金熔配到一起,那么,所得到的新的合金的成分是多少?二.重心法则

如图:将由N成分的合金分解为、、三个相,其成分点分别为D、E、F,则合金N的成分必定位于三个两相平衡的连接线所组成的三角形DEF的重心位置上，而合金的质量和三个相的质量有以下关系：

WNNd=W

DdWNNe

=W

EeWNNf=W

Ff其中，分别代表N合金和、、相的质量，这就是三元合金的重心法则。根据上式可以求出各相的含量：

W

=Nd/DdW

=Ne/EeW

=Nf/Ff()()()5.3三元匀晶相图概念：三个组元在液态和固态都无限溶解的相图。一.相图分析温度轴,A、B、C熔点,液相面,固相面,单相区,两相区.二.三元固溶体合金的结晶过程合金结晶的蝴蝶形规律.注意:在同一温度下,尽管三元合金的液相和固相成分的连接线是条水平线,但是,液相和固相成分的变化轨迹不在同一个平面上.三.等温截面(水平截面):在某一温度下的状态.单相区,两相区,液(固)相等温线(或者称:液(固)相线).合金O在t1温度下的固相

和液相L和含量为:W=nO/mn;WL=mO/mn.四.变温截面(垂直截面):在不同温度下的状态下的组织变化情况.

两种变温截面;单相区,两相区,液(固)相线;凝固过程.变温截面同二元相图的区别:根据三元固溶体合金结晶时的蝴蝶形规律,在两相平衡时,平衡相的成分点不是落在一个垂直面上.因此,变温截面的液(固)相线不能表示平衡相的成分,不能应用杠杆定律计算相的相对含量.五.投影图5.4三元共晶相图一.组元在固态完全不溶的共晶相图(一).相图分析液相面（3个）；固相面（1个）；二元共晶点(线3条）；二元共晶面（6个）；三元共晶点(面1个).三个液相面、六个二元功晶面、一个三元共晶面将相图分成九个相区：液相区：L两相区：（L+A、L+B、L+C）三相区：（L+A+B、L+B+C、L+C+A）三相区：（A+B+C）四相区：（L+A+B+C）（二）等温截面(三)变温截面2.O点结晶过程:L----L+A----------L+A+(A+C)-----------A+(A+C)+(A+B+C)二元共晶三元共晶1.变温截面分析通过成分三角形顶点的变温截面(四)投影图1.投影图分析2.合金O结晶过程L----L+A------------L+A+(A+B)---------------A+(A+B)+(A+B+C)二元共晶三元共晶3.合金O在室温下的相和组织含量相含量:WA=Oa1/Aa1WB=Ob1/Bb1WC=Oc1/Cc1组织组成物含量:M点时,初晶A的含量:WA=Om/Am三元共晶组织的含量:WA+B+C=Og/Eg二元共晶组织的含量:WA+B=1-(Om/Am)-(Og/Eg)各个区域平衡结晶后的组织二.组元在固态有限溶解,具有共晶转变的相图(一)相图分析1.液相面（3个）2.固相面3个固溶体相区的固相面1个三元共晶面3个二元共晶转变结束面3.二元共晶区(3个)4.溶解度曲面（6个）

和两个溶解度曲面:a点:组元B和C在相

中最大溶解度.ao点:组元B和C室温时在相

中最大溶解度.注意:aao

、bbo、cco为溶解度曲面的交线,

也是

、、三相的成分变温线(单变量曲线).5.相区4个单相区:6个两相区:4个三相区:1个四相区:(二)等温截面二元相图中的相区接触法则对三元相图也适用.(三)变温截面三元共晶的典型特征(a)截到四相平衡平面:

水平线上：3个三相平衡区；水平线下：一个三相平衡区。(b)截到三相共晶转变的开始面和结束面:

顶点朝上的曲边三角形。(四)投影图区域划分:三元共晶投影图特征:

液态单变量线走向从高温到低温.VI区合金结晶过程:L----L+-----L++(+)--------L++(+)+(++)---L++(+)+(++)+II+II+II5.5三元相图总结一.三元系的两相平衡二.三元系的三相平衡等温截面变温截面三相平衡反应形式判定方法三.三元系的四相平衡四相平衡反应的类型:三元共晶:L++包共晶:L++三元包晶:L++说明:四相平衡是由四个成分点构成的等温面,四个成分点既四个相的成分.四相平衡中,任何两个相(任何三个相)也必然平衡.四相平衡平面与三相区的邻接关系根据变温截面判断四相反应类型注意:如果垂直截面不能同时与四个三相区相截,则不能用上面方法.根据单变量线的位置和温度走向判断四相反应类型根据液相单变量温度走向判断四相反应类型例子P1:包共晶反应:L+Ni3Al+;P2:包共晶反应:L++;P3,P4,P5都是包共晶反应(略)Pr包晶反应:L++Ni2Al3Y5.6三元合金相图应用举例一.Fe-C-Si三元系变温截面二.Fe-C-Cr三元系等温截面(一)O点合金(二)C点合金(三)o’点平衡相含量计算:Wr=o’P/CPWc1=(1-Wr)AP/ABWc2=(1-Wr)BP/AB三.Al-Cu-Mg三元系液相面投影图四相平衡反应L++S(ET)L+QS+T(P1)L+S+T(P2)L+T+(Eu)习题二.热处理与相图能进行热处理的合金的条件:具有固态相变.

几条重要的曲线热处理中重要的因素:温度,时间,速度.三.固态相变的特点(一)相变阻力大(二)新相和母相间有一定的晶体学位向关系.惯习面惯习方向惯习现象(三)母相缺陷对相变起促进作用(四)容易出现过度相上述的原因:固态转变一方面力求使自由能尽可能降低;另一方面又力求沿着阻力最小,

做功最小的途径进行.四.固态相变的类型扩散型相变非扩散型相变半扩散型相变7.2钢在加热过程时的转变奥氏体化:共析钢奥氏体的形成过程当温度高于AC1时,珠光体转变为奥氏体:(一)奥氏体的形核(二)奥氏体的长大(三)剩余渗碳体的溶解(四)奥氏体成分均匀化亚(过)共析钢的加热温度要超过AC3和ACM并保温足够的时间后,才能获得单相奥氏体.二.影响奥氏体形成速度的因素(一)加热温度和保温时间孕育期:

加热速度越快(V2),孕育期越短,奥氏体开始转变的温度和转变终了的温度越高.(二)原始组织的影响(三)化学成分的影响1.碳碳含量的提高奥氏体形成速度加快.2.合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度.改变钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度.合金元素的均匀化.三.奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体对冷却后的钢的组织和性能影响很大.(一)奥氏体晶粒度表示方法:单位面积内晶粒的数目或每个晶粒的平均面积(直径)描述.三个概念:起始晶粒度本质晶粒度实际晶粒度(二)影响奥氏体晶粒大小的因素奥氏体晶粒长大,晶界的迁移,本质是原子在晶界的扩散.1.加热温度和保温时间2.加热速度的影响3.钢的化学成分的影响4.钢的原始组织的影响一般,原始组织越细小,碳化物弥散度越大,则奥氏体晶粒越小.7.3钢在冷却时的转变两种冷却方式:连续冷却,等温冷却.

过冷奥氏体:临界温度以下,不稳定的奥氏体.过冷奥氏体的分解:是个点阵重构和碳的扩散过程.不同冷速下的组织:缓冷:珠光体(P)较快冷:贝氏体(B)快冷:马氏体(M)

过冷奥氏体的等温转变曲线(共析钢):TTT图转变开始时间转变终了时间过冷奥氏体区过冷奥氏体正在转变区过冷奥氏体转变终了区珠光体转变区(扩散型转变)贝氏体转变区(半扩散型转变)马氏体转变区(非扩散型转变)C-曲线特点及其原因C-曲线鼻子处:过冷奥氏体最不稳定.转变速度最快.过冷奥氏体转变速度与形核率和生长速度相关,而形核率和生长速度受控制于过冷度.过冷奥氏体的连续冷却转变曲线(共析钢):CCT图虚线:TTT曲线实线:CCT曲线钢种:共析钢连续冷却转变过程====无数个温差很小的等温转变过程Vc’和Vc是不同产物的分界线.Vc:上临界冷却速度或临界淬火速度.Vc’:下临界冷却速度.CCT曲线:过冷奥氏体转变开始线过冷奥氏体转变终了线过冷奥氏体转变终止线有F析出区和B转变区.数字的意义:例如:以V2速度冷却有先共析滲碳体,无B转变区.CCT曲线的作用获得真实的临界淬火速度.是制定正确的冷却规范的依据.估计淬火后钢件的组织和性能.三.影响过冷奥氏体等温转变的因素过冷奥氏体越稳定,孕育期越长,转变速度越慢,C-曲线右移.(一)奥氏体成分的影响含碳量合金元素(二)奥氏体状态的影响加热速度越快,保温时间越短,奥氏体晶粒越小,成分越不均匀,未溶的第二相越多,则等温转变速度越快,C-曲线左移.(三)应力和塑性变形的影响三种典型的转变珠光体(P)转变:马氏体(M)转变:贝氏体(B)转变:转变特点见下页组织组织组成物形貌分类性能形成条件形成机制转变特点珠光体(P)铁素体(

)F+滲碳体(Fe3C)片层状;(粒状是片层状球化来的)珠光体;索氏体;屈氏体;(由片间距决定)性能由片间距决定缓冷扩散马氏体(M)碳在

-Fe中的过饱和固溶体.板条状;片状;板条(位错)马氏体;片状(孪晶)马氏体;高硬度;高强度;快冷非扩散(切变)无扩散.切变共格.转变有共格和惯习面.在一定温度范围内.转变可逆.贝氏体(B)碳的过饱和铁素体(

)F+碳化物(FeXC)羽毛状;针状;粒状;上贝氏体;下贝氏体;粒状贝氏体;强度高+韧性好(下B)较快冷半扩散(切变+扩散)形核与长大.铁素体切变产生.碳化物分布随温度.魏氏体组织7.4钢在回火时的转变

回火:将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度,

保温并以适当的冷却方式冷到室温的热处理方法.

回火目的:淬火钢的组织主要是马氏体和残余奥氏体,

它们在室温下为亚稳态,因此必须通过回火,减少或者消除内应力,防止开裂,并获得稳定的组织和性能.回火过程中组织的变化马氏体中碳的偏聚.马氏体分解.残余奥氏体的分解.碳化物的转变.滲碳体的聚集长大和

相的再结晶.回火后的组织回火马氏体(低温)回火屈氏体(中温)回火索氏体(高温)3.固态金属原子的迁移过程原子热振动能量起伏克服势垒Q原子跃迁原子激活激活能:原子克服势垒所必须的能量.原子跃迁的方向原子的醉步:扩散原子的随机跃迁过程二.扩散机理(一).间隙扩散机理固溶体中的间隙扩散方式间隙固溶体中置换固溶体挤列式(b)顶替式(a)扩散的条件:+一定的晶体结构热振动间隙固溶体中绝大部分都空着.(二).换位扩散机理直接换位扩散机制环形换位扩散机制(三).空位扩散机理空位增多温度提高原子偏离平衡位置原子热振动加剧形成空位势能增高原子跃迁到空位的势垒降低原子热振动铜的激活能计算值与实验值比较结论:空位扩散机理在固态金属扩散时可能性最大.三.固态金属扩散的条件问题:溶质原子一般由高浓度向低浓度的方向扩散,浓度差是扩散的驱动力吗?溶质原子是否可以由低浓度向高浓度的方向扩散?扩散的驱动力是什么呢?回答:扩散的驱动力是化学位差.组元原子总是自发的从化学位高的地方向化学位低的地方迁移(扩散).当溶质原子的浓度梯度同化学位梯度一致时,溶质原子就会从高浓度的地方向低浓度地方(迁移)扩散.反之,则向由低浓度的地方向高浓度地方(迁移)扩散.最终目的:降低系统的自由能.问题举例:见下页.(一)温度足够高.(二)时间足够长.(三)扩散原子要固溶.(四)扩散要有驱动力.举例说明

含碳量相近的碳钢(Wc=0.441%)和硅钢(Wc=0.487%,Wsi=3.80%)对焊在一起,

在1050oC13小时后,硅钢侧碳浓度降低,碳钢侧碳浓度上升.原因是硅提高了碳的化学位,所以碳原子从有硅的侧向无硅的侧扩散,以求降低化学位.

其他引起扩散的因素:温度梯度,应力梯度,表面自由能差,电场和磁场等.举例:AL-C合金棒弹性弯曲,并在一定温度下加热,发生扩散.大的铝原子向受拉伸的一边扩散,小的铜原子小受压缩的一边扩散.四.固态扩散的分类(一)根据扩散过程中是否发生浓度变化分类自扩散:互扩散:(二)根据扩散方向是否与浓度梯度的方向相同进行分类下坡扩散:上坡扩散:(三)根据扩散过程中是否出现新相进行分类原子扩散反应扩散6.2扩散定律菲克第一定律在扩散过程中,在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面面积的扩散流量J与浓度梯度dC/dx成正比.

J=-DdC/dxJ为扩散流量;D为扩散系数;为dC/dx体积浓度梯度;负号表示物质的扩散方向与浓度梯度的方向相反.适用范围:稳态扩散(扩散过程中,合金各处的浓度不随时间(dC/dt=0)变化.)菲克第二定律适用范围:非稳态扩散(扩散过程中,合金各处的浓度和浓度梯度随距离和时间变化.)扩散第二定律是由第一定律推导出来,它适用于一般的扩散过程.方程的解具有C=f(x,t)关系.设:I,II为垂直的单位平面;J1,J2为进出两平面的扩散流量;浓度随时间的变化率为;则单元dx内溶质的积累速率为:若扩散系数D为常数,则:菲克第二定律数学表达式:三.扩散应用举例(一)铸锭件的均匀退火

工业生产中,采用高温长时间均匀化退火,通过合金中的熔质原子扩散,减轻(消除)枝晶偏析.溶质原子沿X方向分布,符合正弦曲线:

2

初始边界条件:菲克第二定律的解:因为所以要求:均匀化退火后,成分偏析的振幅降低到原来的1%.因此,减低枝晶间距(打碎枝晶),提高D(提高退火温度),可以减少退火时间.(二)钢的渗碳和渗氮(三)金属的粘接1.钎焊2.镀锌3.包铝8.3

影响扩散的因素扩散系数D为:一.温度温度提高原子震动能提高空位浓度提高原子扩散系数D提高例如:二.晶体结构晶体结构不同扩散系数不同晶体致密度越小原子扩散系数越大三.固溶体类型固溶体类型不同,溶质原子的扩散激活能不同.间隙原子扩散激活能<置换原子扩散激活能间隙原子扩散速度>置换原子扩散速度例如:例如:

四.晶体缺陷表面晶界亚晶界晶体内部扩散速度由快到慢晶体内部位错、空位处晶体内部完整部分原因：缺陷处原子排列不整齐，晶格畸变大，能量较高，所以原子扩散的激活能小，原子容易扩散。二.热处理与相图能进行热处理的合金的条件:具有固态相变.

几条重要的曲线热处理中重要的因素:温度,时间,速度.三.固态相变的特点(一)相变阻力大(二)新相和母相间有一定的晶体学位向关系.惯习面惯习方向惯习现象(三)母相缺陷对相变起促进作用(四)容易出现过度相上述的原因:固态转变一方面力求使自由能尽可能降低;另一方面又力求沿着阻力最小,

做功最小的途径进行.四.固态相变的类型扩散型相变非扩散型相变半扩散型相变7.2钢在加热过程时的转变奥氏体化:共析钢奥氏体的形成过程当温度高于AC1时,珠光体转变为奥氏体:(一)奥氏体的形核(二)奥氏体的长大(三)剩余渗碳体的溶解(四)奥氏体成分均匀化亚(过)共析钢的加热温度要超过AC3和ACM并保温足够的时间后,才能获得单相奥氏体.二.影响奥氏体形成速度的因素(一)加热温度和保温时间孕育期:

加热速度越快(V2),孕育期越短,奥氏体开始转变的温度和转变终了的温度越高.(二)原始组织的影响(三)化学成分的影响1.碳碳含量的提高奥氏体形成速度加快.2.合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度.改变钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度.合金元素的均匀化.三.奥氏体晶粒大小及其影响因素奥氏体对冷却后的钢的组织和性能影响很大.(一)奥氏体晶粒度表示方法:单位面积内晶粒的数目或每个晶粒的平均面积(直径)描述.三个概念:起始晶粒度本质晶粒度实际晶粒度(二)影响奥氏体晶粒大小的因素奥氏体晶粒长大,晶界的迁移,本质是原子在晶界的扩散.1.加热温度和保温时间2.加热速度的影响3.钢的化学成分的影响4.钢的原始组织的影响一般,原始组织越细小,碳化物弥散度越大,则奥氏体晶粒越小.7.3钢在冷却时的转变两种冷却方式:连续冷却,等温冷却.

过冷奥氏体:临界温度以下,不稳定的奥氏体.过冷奥氏体的分解:是个点阵重构和碳的扩散过程.不同冷速下的组织:缓冷:珠光体(P)较快冷:贝氏体(B)快冷:马氏体(M)

过冷奥氏体的等温转变曲线(共析钢):TTT图转变开始时间转变终了时间过冷奥氏体区过冷奥氏体正在转变区过冷奥氏体转变终了区珠光体转变区(扩散型转变)贝氏体转变区(半扩散型转变)马氏体转变区(非扩散型转变)C-曲线特点及其原因C-曲线鼻子处:过冷奥氏体最不稳定.转变速度最快.过冷奥氏体转变速度与形核率和生长速度相关,而形核率和生长速度受控制于过冷度.过冷奥氏体的连续冷却转变曲线(共析钢):CCT图虚线:TTT曲线实线:CCT曲线钢种:共析钢连续冷却转变过程====无数个温差很小的等温转变过程Vc’和Vc是不同产物的分界线.Vc:上临界冷却速度或临界淬火速度.Vc’:下临界冷却速度.CCT曲线:过冷奥氏体转变开始线过冷奥氏体转变终了线过冷奥氏体转变终止线有F析出区和B转变区.数字的意义:例如:以V2速度冷却有先共析滲碳