金属材料-相图1 PPT课件

2012年10月8日1时10分
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A.三条水平恒温转变线

①包晶线：HJB线（1459℃），J为包 晶点，wc=0.09～0.53%的Fe、C合金缓 冷到HJB线均发生包晶反应，即： L0.53+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ） ②共晶线：ECF水平线（1148℃），C 点为共晶点，wc=2.11～6.69%的Fe、C 合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即： L4.30→γ2.11+ Fe3C （LC→γE+ Fe3C） 转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物 称为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。
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2. Fe—C合金中的基本相 －A
在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温度)下，可有 六个基本相： L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨（C） (1)液相(L) Fe与C在高温下形成的液 体溶液。(ABCD线以上) (2)δ相[高温铁素体（high temperature ferrite）] C在δ－Fe的间隙固溶体。 在1495℃时最大溶解量可达 0.09%，为bcc结构，也称高 温铁素体（high temperature ferrite）。 (3)渗碳体（cementite） 前面 已讨论过.
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（3）白口铸铁
白 口铸 铁 （ white cast iron ） 是 含碳 量 在 Wc=2.11 ～ 6.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共 晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的 铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所 以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白 口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种： 共晶白口铸铁（eutectic cast iron）：Wc=4.30% 亚 共 晶 白 口 铸 铁 （ hypoeutectic cast iron ） ： Wc=2.11～4.30% 过 共 晶 白 口 铸 铁 （ hypereutectic cast iron ） ： Wc=4.30～6.69% 上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁) 的理论分界线。

六、铁碳相图得应用
1、在钢铁材料选用方面得应用
●建筑结构与各种型钢需用塑性、韧性好得材料,因此选 用碳含量较低得钢材。
●各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好得材料。 应选用碳含量适中得中碳钢。各种工具需用硬度高与耐 磨性好得材料,则选碳含量高得钢种。
➢在1495 ℃发生包晶转变
1495 ℃
A
1495℃
LB+H
γJ
H N
J
B
E
➢在1148℃发生共晶转变
G
1148℃
LC
γE+Fe3C
P
S
➢ 在727℃发生共析转变
γS
727℃ P+Fe3C Fe
L
1227℃
D
C
F
1148℃
K
727 ℃
Fe3C
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
注意:共析转变与共晶转变得区别
L'd
共晶白口铸铁的室温组织
(七)过共晶白口铸铁(4、3% < Wc < 6、69%)
组织:L’d+ Fe3CІ (L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ) 性能:硬而脆。
L’d
Fe3CІ
过共晶白口铸铁室温组织
四、组织组成物与含碳量关系(P77)
类别名称
含碳量Wc （%）
室温平衡组织
工业纯铁 亚共析钢 共析钢
工业纯铁——<0、02%C, 冷轧提高强度,得到冷轧板。
0.0008 Q
晶界 F
工业纯铁室温组织 F
(三)珠光体(P)——与Fe3C形成得机械混合物
相:+ Fe3C两种相组成

工 业 纯 铁
共 析 钢
共 晶 白 口 铁
亚共析钢
过共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
（一）工业纯铁——Wc < 0.02%的铁碳合金 的铁碳合金
组织： 或 通常沿晶界析出。 组织：F或F+ Fe3C Ⅲ ，Fe3C Ⅲ 通常沿晶界析出。 性能： 性能：σb 、HBS↓δ 、Ak↑ 晶界
L
γ+L L+Fe3C
中的间隙固溶体， ⑶α相 是碳在 相 是碳在α—Fe中的间隙固溶体， 中的间隙固溶体 呈体心立方晶格。 呈体心立方晶格 。 其中碳的固溶度室 温 时 约 为 0.0008% ， 600℃ 时 为 ℃ 0.0057% ， 在 727℃ 时 为 0.0218% 。 其 ℃ 性能特点是强度低、 硬度低、 性能特点是强度低 、 硬度低 、 塑性好 中的间隙固溶体， ⑷ γ相 是碳在 相 是碳在γ—Fe中的间隙固溶体， 中的间隙固溶体 呈面心立方晶格。 呈面心立方晶格 。 其中碳的固溶度在 α 1148℃时为 ℃时为2.11%。其性能特点是强度 。 较低，硬度不高， 较低，硬度不高，易于塑性变形
§3.1 Fe-Fe3C合金相图 合金相图 本章主要内容 §3.2 碳钢 §3.3 合金钢概述
§3.1 Fe-Fe3C合金相图 合金相图
一、铁碳合金相图 二、铁—碳合金中的组织及其性能 碳合金中的组织及其性能 三、Fe-C合金的分类 Fe四、组织组成物与含碳量关系 五、含碳量与力学性能的关系 六、铁碳相图的应用
δ+L δ δ+γ L L+ γ L+ Fe3C
γ α+γ
α
γ + Fe3C
α + Fe3C
相组成物表示的 表示的Fe-Fe3C相图 以组织组成物和相组成物表示的 相图

返回 实线：Fe-Fe3C系；虚线：Fe-C（石墨）系
铁碳相图中各种相及成分
• 纯铁有液态结晶为固态后冷却到1394℃及912摄氏度时先 后发生两次晶格类型转变。
δ—Fe
体心立方
1394℃
γ—Fe
面心立方
912℃
α—Fe
体心立方
碳在铁中的固溶体
碳在α—Fe中形成的间隙固溶体成为铁素体。用符号F表示，最大溶解度为 0.0218wt%C(727℃) 碳在γ—Fe中形成的间隙固溶体成为奥氏体，用符号A表示，最大溶解度为 2.11wt%C（148℃）
当冷却到t2温度时,由联结 线EF与液.固相线相交点 可知,液相线成分为E,w （Ｎi）约为24%,而固相 线成分为F, w（Ｎi）约为 36%.
匀晶合金的非平衡结晶
匀晶合 金平衡 组织示 意图
匀晶合金在平衡条件下结晶，冷却速度极其缓慢，先后结晶的固相 虽然成分不同，但是有足够的时间进行均匀化扩散。所以，室温下的 组织是均匀的固溶体，在光学显微镜下观察，与纯金属十分相似。 但是，在实际生产中合金的冷却速度很快，远远达不到平衡的条件。 因此，固、液二相中的扩散来不及充分进行，先后结晶出来的固相中 较大的成分差别被保留下来。这种成分差别的存在，还造成结晶时固 相以树枝状形态生长。因此，这种成分上的不均匀性被称为“树枝状 偏析”或枝晶偏析。 采用均匀化热处理（扩散退火、正火等）可以消除枝晶偏析。
b、锻造、轧制：确定锻造、轧制温度，钢处于奥氏 体状态时强度低、塑性高，因此锻造或轧制必须选择 在奥氏体单相区
c、焊接：由焊缝盗墓在在焊接过程中处于不同温度条件， 因而整个焊缝区出现不同组织，引起性能不均，可根据相 图来分析碳钢的焊接组织，并用适当的热处理方法来消除 组织不均匀性和焊接应力

相图的用途

铸造生产

成分控制→组织控制 →性能控制。 工艺指定 组织控制

热处理工艺


焊接工艺
第五章 铁碳合金相图

铁碳合金的相结构与性能
铁碳合金相图

相图特点：



３个三相转 变线； ５个单相区； ７个两相区； ３条溶解度 曲线。
Fe-C合金示意图



画出基本形状； 记住关键点的 成分； 会分析典型合 金的结晶过程 会计算平衡组 织的构成。
计算过程

共晶温度下：
相组成： L+ α 成分：L为62% α 为18% 假设： α的重量百分比为x%, 则L相的重量百分比为(1-x)% 溶质总量不变： 18x+62(1-x)=40 X=50%

比重偏析

产生原因：

因组元比重相差较大造成初 晶相与液相的比重相差较大。

危害

材料组织和性能不均匀
冷却速度对金属晶粒度的影响孕育处理加入人工晶核晶粒细化结论金属在一定温度下只能有一种晶体结构但有些金属在不同温度下具有不同的晶体结构
合金的结晶与相图
金属的结晶
一.结晶的概念 二.理论结晶温度 与实际结晶 温度：过冷 度ΔT 三.金属结晶的必 要条件：一 定的过冷度
金属的结晶过程

温度越 高,原子 运动速 度越快

金属的同素异构性


金属在一定温度下 只能有一种晶体结 构，但有些金属在 不同温度下具有不 同的晶体结构。 铁的同素异构体：
同素异构转变过程

形核与长大的过程
α 铁
γ-铁 α-铁晶核

(3)总自有能变化： 1 G r 3 (2 3 cos cos3 )G r 2 ls (2 3 cos cos3 ) 3 1 (2 3 cos cos3 )( r 3 G r 2 lc ) 3 (4)求 G 和r
式中：T＝T f －T称为过冷度； T — 实际体系温度。
由上式可知：
(1) 结晶时系统自由能要减少，而自由能减少就是内能的减少，而内能是以潜热形
式放出的； (2) 过冷度△T越大，△G越负，结晶越容易 。
1-2 均质形核
A
液相A中形成新相晶核B引起系统自由能的变化：
B
r
（ 1 ）体积自由能
Gr
代入（ 1－12 ）式：得 r 6 106 cm，相当于200～300个原子 但实际测定（实验室） ：钢液结晶速度 T 几度～ 150 C。 为什么小于295 C？
1-3 非均质形核
均质形核△T≈0.2Tf，但实际上，△T比此值小得多。 原因：液相中的悬浮质点和表面不光滑模壁 → 核心的“依托”即发展为晶核 → 形核功↓。
(1- 20)
( G ) 0 令 r 3 2 (2 3 cos cos )(2 r lc r G) 0
∵ ∴ ∴
r
G
2 3 cos cos3 0 2 lc *
第一章
钢液结晶的热力学 和动力学
1-1 固液相变的驱动力
在熔化温度( Tf )下，金属固、液相处于平衡状态。 液 固，当 T T f 时
(1- 1)
G
系统的自由能 G H TS
G
Gs
式中，H — 克分子焓； S — 克分子熵
金属由液相 固相时的自由能变化： G ( H H l ) T ( S s Sl ) H TS (1- 2)

液相线ABCD
固相线AHJECF 包晶线 HJB，包晶点 J 共晶线 ECF，共晶点C
L4.3(A2.11+Fe3C)
高温莱氏体,Le或Ld
共析线 PSK，共析点S
A0.77(F0.02+Fe3C)
珠光体, P
PQ线：C在F中的固溶线
GS-A3线，冷却时不同含 量的A中结晶F的开始线. ES-Acm线，碳在A中的固 溶线.
几种 常见 碳钢
类型
钢号 碳质量分数／％Βιβλιοθήκη 亚共析钢 20 45 60
0.20 0.45 0.60
共析钢 T8
0.80
过共析钢 T10 T12
1.00 1.20
(1)工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % )结晶过程
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
各相的相对量：
Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 % F % ≈ 1 – 6 % = 94 %
200×
(６)过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
3．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↓

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Section 7.2 二元合金相图的建立
相图（Phase Diagram） 状态图或平衡相图 平衡：在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成 分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的 状态稳定，不随时间而改变。 合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认 为是平衡的结晶过程。 二元合金相图
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Figure (a) Liquid copper and liquid nickel are completely soluble in each other. (b) Solid copper-nickel alloys display complete solid solubility, with copper and nickel atoms occupying random lattice sites. (c) In copper-zinc alloys containing more than 30% Zn, a second phase forms because of the limited solubility of zinc in copper.
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表7-1 铜合金中常见的电子化合物
合金系 Cu-Zn Cu-Sn Cu-Al Cu-Si
电子浓度及所形成相的晶体结构 3/2(21/14) 相 21/13 相 7/4(21/12) 相 体心立方 复杂立方 密排六方 CuZn Cu5Zn8 CuZn3 Cu3Sn Cu31Sn8 Cu3Sn Cu3Al Cu9Al4 Cu5Al3 Cu5Si Cu31Si8 Cu3Si
712金属间化合物1818a间隙相vc面心立方晶格c正交晶系图72间隙相与间隙化合物的晶体结构1919间隙相化学式钢中的间隙相结构类型mxtacticzrcvczrnvntincrnzrhtih面心立方tahnbh体心立方wcmon简单立方mx面心立方表72钢中间隙相的化学式与晶格类型的关系类型间隙相间隙化合物nbcmotacticzrcvccr23377012531202867296050415014034103805302315771277硬度hv20501730148015502850284020101650800表73钢中常见碳化物的硬度与熔点2020型如cr23不少金属间化合物已作为新的功能材料和耐热材料如性能远远超过现在广泛应用的硅半导体材料的金属间化合物砷化镓gaas形状记忆合金材料niti和cuzn储氢材料lanial等等

Fe3C
Fe3C + α
Fe3CⅡ P
Fe3CⅡ Fe3C共析 α共析 P
组织构成图
F＋Fe3CⅢ Ld′
P
F
F先+P
解释工业纯铁、钢、白口铸铁组织上的主要差别
L+δ
A
δ
HN
1495℃ JB
T G
γ
α+γ
P
0.S77
α 0.0218
铁碳相图
2L.1E1+γ
L L +Fe3C D
4.3 C
1148℃ F
L→γ
γ1.0 →γ0.77 +Fe3CⅡ
γ
P +Fe3CⅡ
Fe3CⅡ
P
合金⑤ 共晶白口铁
1148℃发生共晶转变 1148 LC γE+ Fe3C
萊氏体 —— Ld
727
室温组织：
变态萊氏体—Ld′(P+ Fe3C ＋Fe3CⅡ)
合金⑥ 亚共晶白口铁
组织构成： P + Ld′
1148
0.77
解度曲线 K GS: 先共析α 6.69 相析出线
0.0008Q
Fe
C%
Fe3C
L+δ
J点―包晶点
A 1495℃
δ
B
L
HN J
L+γ
L +Fe3C D
1495℃ 0.17% C
T
γ
2.1 1E
4.3 C
1148℃ F
C点―共晶点
G α+γ 0.77 PS
α 0.0218
γ +Fe3C
A1 727 ℃
亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系： HB≈80×w(F) % + 800×w(Fe3C) %