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第二章碳钢
C相图
第3节Fe-Fe
3
第1讲相图的基本概念
1. 相图的概念
表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或者组织与温度、成分间关系的图形，又称状态图或平衡图。
二元相图（两个组元配成的合金体系）
三元相图（三个组元配成的合金体系）2. 相图的分类
方法实验方法——热分析法、金相分析法等
计算方法
依据相变发生时物理参量发生突变
3.
二元相图的建立
用热分析法测定Cu-Ni 相图
热分析法合金凝固时要释放出结晶潜热，使冷却曲线在相变时发生变化，
从而确定相变点
用热分析法测定Cu-Ni 相图
杠杆定理证明
合金总质量1
t ℃时，液相的质量M L 固相的质量
M αα
M M L +=1ααx M x M x L L +=14. 杠杆定律
匀晶转变——直接从液相中结晶出固溶体的转变
M L /M α=rb/ra %100⨯−−=L O L x x x x M M αα%100⨯−−=L L O x x x x M M αα杠杆定律的力学比喻r
r
应用条件：平衡两相区。
钢铁材料的相变行为引言：钢铁是一种被广泛应用于建筑和制造领域的重要材料，其卓越的力学性能和耐久性使得它成为现代社会中不可或缺的材料之一。
然而，要理解钢铁的性质和特点，就需要对其相变行为进行深入研究。
本文将探讨钢铁材料的相变过程及其在材料性能中的影响。
1. 钢铁的晶体结构钢铁的基本成分是铁和碳，它们以及其他合金元素共同影响了钢铁的晶体结构。
在常温和正常压力下，钢铁处于体心立方(fcc)或面心立方(hcp)的晶格结构中。
具体而言，α-铁是一种体心立方结构，而γ-铁是一种面心立方结构。
2. 钢铁的相变过程钢铁的相变过程通常包括固态相变和液态相变两个阶段。
固态相变主要发生在加热或冷却过程中，而液态相变则发生在熔化和凝固的过程中。
2.1 固态相变随着温度升高，钢铁中的碳原子会从体心立方(fcc)结构到面心立方(hcp)结构的相变，这个过程被称为渗碳相变。
在渗碳相变过程中，钢铁的晶格结构会发生变化，从而影响了材料的性能，如硬度、韧性和变形能力。
2.2 液态相变当钢铁加热至一定温度，其会熔化成液态，这个过程被称为熔化相变。
相较于固态相变，熔化相变对钢铁的性质影响较小，主要体现在液态阶段的流动性和热导性上。
在冷却过程中，液态钢铁会再次凝固形成固态，并在此过程中经历凝固相变。
3. 相变对钢铁性能的影响钢铁的相变行为对其力学性能和热处理特性有着重要的影响。
3.1 力学性能在渗碳相变过程中，钢铁的晶体结构变得更加致密和有序，从而提高了钢铁的硬度和抗拉强度。
此外，相变还能改善钢铁的韧性和可塑性，使其具备更好的变形能力和抗冲击性。
因此，了解相变过程对钢铁性能的影响，有助于提高钢铁制品的质量和性能。
3.2 热处理特性钢铁的相变行为也影响着其热处理过程。
通过加热和冷却过程中的相变实现对钢铁材料的处理和调控。
例如，通过控制温度和冷却速率，可以使钢铁材料经历不同的相变过程，如奥氏体相变和贝氏体相变，从而调节钢铁的硬度和组织结构。
奥氏体钢中相变与力学性能的关系奥氏体钢是一种广泛应用于工业领域的材料，其材料性能与钢中的各种组织和微观结构有密切的联系。
其中相变作为一种重要的材料结构演变方式，在制造过程中起到了至关重要的作用。
本文将从奥氏体钢的相变出发，探讨其与力学性能的关系。
相变的意义相变是指物质由一种状态向另一种状态转换的过程。
在材料科学中，钢材的相变特别重要，因为它直接影响了钢的力学性能，从而影响到钢的使用寿命。
钢的变形、强化和软化，都是与相变紧密相关的。
奥氏体钢的相变奥氏体钢是通过快速冷却(也称淬火)，使钢中分解的所有组织变为具有奥氏体结构的金属材料。
奥氏体成分中的碳含量低于0.8％，通常在0.2％以下。
快速冷却的目的是避免部分分解，使钢保持单一的奥氏体组织，从而提高钢的强度和硬度。
然而, 这样的快速冷却可能会导致奥氏体产生应力，并使结构不稳定。
因此，对于奥氏体钢，保持结构均匀稳定是至关重要的。
奥氏体钢的力学性能奥氏体钢的优点在于其强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
具体来说，快速冷却的奥氏体钢具有高的强度和硬度，在高温下不易软化，适用于制造需要高强度和高硬度的零件或机械。
然而，奥氏体钢也存在一些缺点。
由于其冷却速度快，导致钢中微观组织结构的不稳定，使得奥氏体钢出现了脆性断裂倾向。
同时，常温下的奥氏体钢还容易出现轻微减弱和变形，使得在高应力下容易颈缩和疲劳断裂。
因此，在应用奥氏体钢时，必须对其结构和组成进行严格控制，以确保其强度和韧性兼备，从而将其力学性能最大化。
相变与力学性能的关系相变与奥氏体钢的力学性能密切相关，因为相变可以改变金属在微观结构上的组成和形态，从而影响到整个材料的物理力学特性。
据研究，钢的相变对其力学性能的影响主要来源于以下两个方面：1.工艺影响：相变的工艺可以通过控制冷却速度和温度，以及其他因素，调节钢的组织、晶粒尺寸和纯度等方面的参数，从而影响到钢的强度、硬度、延展性和韧性等2.微观结构影响：相变改变钢中的组织结构，从而影响到钢的排列方式和晶体结构。
第三章马氏体转变如前所述，钢经奥氏体化后，以足够快的冷却速度冷却到马氏体转变点Ms温度以下，将发生马氏体转变，用这种热处理方法获得马氏体组织的过程称马氏体淬火。
淬火是使钢强化的主要手段，因此研究马氏体组织及其转变规律，对热处理生产有着重要的实际意义。
早期，人们只把碳钢淬火后，获得硬而脆的片状组织称为马氏体。
后来发现，马氏体相变不仅在钢中存在，在某些其他合金（如Fe-Ni, Ni-Ti, Cu-Zn等）中也存在。
因此，后来将钢铁或非铁合金中通过马氏体转变形成的产物统称为马氏体，尽管其与钢中马氏体的形态和结构有很大的不同。
马氏体相变是一个复杂的问题。
本章主要介绍钢中马氏体转变，组织形态和性能等。
第一节马氏体的结构、组织形态和力学性能一、马氏体晶体结构略二、马氏体组织形态和亚结构（一）板条马氏体板条马氏体是低、中碳钢、低碳合金钢、不锈钢、Fe-Ni合金中形成的一种典型马氏体组织。
图3-3是低碳钢淬火所得板条马氏体，其主要特征是马氏体板条单元呈细长板条状，并且许多板条相互平行地群集在一起，故称为板条马氏体，板条是马氏体的基本单元。
由于肉眼能分辨的最小距离是0.2mm，所以单个板条的尺寸（约为0.2μm）已超出光学显微镜的分辨能力。
板条间存在很薄的奥氏体薄膜（见图3-3b中黑线）。
介绍图3-4及束、块、板条关系：（略）。
板条束尺寸与原奥氏体晶粒尺寸有关。
板条束的尺寸随奥氏体晶粒增大而增大，但板条宽度几乎没有变化。
由此可认为，一个原奥氏体晶粒内，生成的板条束数量大体是不变的。
板条马氏体的亚结构主要是位错（见图3-3b），其密度约为1011/㎝2，根据这一特征,板条马氏体又称为位错马氏体。
（二）透镜片状马氏体透镜片状马氏体常见于淬火的高碳钢及含镍较高（w c＞29%）的Fe-Ni合金。
片状马氏体组织典型形态如图3-5所示。
其马氏体单元的立体形态是双凸透镜片状，由于试样磨面与双凸透镜片状马氏体相截，在显微镜下呈现为片状或针状形态，故称为片状马氏体或针状马氏体。
钢的相变原理的应用相变原理简介相变是物质在一定条件下发生物理或化学性质改变的过程。
钢是一种重要的金属材料，其组成主要是铁和碳，通过调整其成分和加热过程，可以使钢在不同温度下发生相变，从而获得不同性能的钢材。
相变原理在钢材的生产和应用中发挥着重要的作用。
钢的相变过程钢的相变过程包括冷却和加热两个阶段。
冷却过程1.软化退火：钢经过加热后，通过缓慢冷却，使钢材内部的晶粒长大，减少钢的硬度，提高钢的可加工性。
2.淬火：将加热后的钢材迅速冷却，使其表面形成硬质组织，内部形成机械性能相对较高的马氏体，并增加钢材的强度和硬度。
3.回火：将淬火后的钢材再次加热至一定温度，并经过恒温保持一段时间，使马氏体转变为较为稳定的组织，减少内部应力，提高钢材的韧性。
加热过程1.钢的热处理：通过加热和保温，使钢材内部发生相变，改变钢材的组织结构和性能。
钢的热处理包括退火、正火、淬硬和回火等过程，根据不同的要求，选择不同的处理方式。
钢的相变原理的应用钢的相变原理广泛应用于以下领域：冶金工业1.钢材生产：通过相变原理对钢进行调质，可以获得不同性能的钢材，满足不同领域的需求，如建筑、航空航天、船舶等领域。
2.铸造：在铸造过程中，通过相变控制钢的凝固组织，可以获得杂质少、晶粒细小的高质量钢材。
机械制造1.零件加工：通过钢的相变原理，对钢的硬度和韧性进行调控，可以生产出适用于不同工况的机械零件。
2.刀具制造：钢经过淬硬和回火处理后，可以获得较高硬度和耐磨性能，用于制造各类刀具。
建筑工程1.建筑结构：通过相变控制钢材的性能，可以合理设计和选择钢结构，增加建筑的承载能力和安全性。
2.防火材料：通过相变控制钢材的燃烧特性，研发出具有较好防火性能的材料，提高建筑的火灾安全性。
能源行业1.发电设备：通过相变原理对钢材进行处理，提高其耐热性能，使其适用于高温工作环境。
2.输电装置：通过对钢材进行相变处理，增加其导电性能和机械强度，提高输电装置的效率和安全性。
炼钢中的微观组织控制和相变行为炼钢是一项十分重要的工程领域。
随着现代工业和生活的发展，人们对炼钢技术不断提出新的要求。
如今，炼钢中的微观组织控制和相变行为成为了人们关注的焦点之一。
本文将介绍炼钢中的微观组织控制和相变行为的相关知识。
炼钢中的微观组织指的是钢材中的晶粒、相、缺陷等微观结构，这些结构的特性决定了钢的力学性能和物化性质。
合理控制钢的微观组织，可以提高钢的综合性能，满足不同领域的需求。
炼钢中的微观组织控制主要通过温度控制、组分控制、等静压、变形加工等手段来实现。
温度控制是炼钢中影响晶粒组织形态和尺寸的主要因素。
晶粒大小和形状对钢的组织性能和力学性能具有重要影响。
在炼制钢的过程中，通过调控加热温度、保温时间和冷却速率等参数，可以控制晶粒尺寸和形状。
通常情况下，高温下晶粒生长较快，而低温下晶粒生长较慢。
因此，通过适当降低加热温度和保温时间，可以控制晶粒尺寸。
另外，加入一定量的晶界抑制剂可以有效地控制晶粒尺寸和形状。
组分控制是指通过准确测量和调控炉料中的成分，来实现钢材中相变的控制。
钢材的化学成分决定了钢材中的相组成和量，从而影响钢材的性能。
例如，通过加入适量的合金元素和气体元素，可以有效地控制晶体内部的夹杂物含量，从而提高钢材的韧性和强度。
等静压是一种控制钢材组织的有效手段。
静压在钢材的加工过程中起着非常重要的作用。
压力的施加会使晶体中存在的碎块或薄片的扭曲变形而被消除，并通过配合作用消除结构中的间隙，从而改善钢的密实度。
静压的大小和施加时间可以控制钢材中的缺陷类型、数量和尺寸。
变形加工是一种通过施加外力使钢材产生塑性变形，从而控制钢材的微观组织的方法。
对钢材加热至临界温度以上后，将其冷却至室温以下，并通过轧制、锻造、拉拔等加工方式实现钢材内部的結構改变，从而改变钢的性能和结构。
与微观组织控制相关的一个重要概念是相变行为。
钢材在加工过程中会发生相变，包括固态相变、液-固相变等，这些变化与钢材的性能和组织结构密切相关。
（1）Ac1 钢加热时，开始形成奥氏体的温度。
（2）Ac3 亚共析钢加热时，所有铁素体都转变为奥氏体的温度。
（3）Ac4 低碳亚共析钢加热时，奥氏体开始转变为δ相的温度。
（4）Accm 过共析钢加热时，所有渗碳体和碳化物完全溶入奥氏体的温度。
（5）Arl 钢高温奥氏体化后冷却时，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度。
（6）Ar3 亚共析钢高温奥氏体化后冷却时，铁素体开始析出的温度。
（7）Ar4 钢在高温形成的δ（铁素体区）相在冷却时，开始转变为奥氏体的温度。
（8）Arcm 过共析钢高温完全奥氏体化后冷却时，渗碳体或碳化物开始析出的温度。
（9）A1 也写做Ae1，是在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体或碳化物共存的温度，也就是一般所说的下临界点。
（10）A3 也写做Ae3，是亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度，也就是说亚共析钢的上临界点。
（11）A4 也写做Ae4，是在平衡状态下，δ相和奥氏体共存的最低温度。
（12）Acm 也写做Aecm，是过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体或碳化物共存的最高温度，也就是过共析钢的上临界点。
（13）Mb 马氏体爆发形成温度，以Mb表示（Mb≤ MS）。
当奥氏体过冷至MS 点以下时，瞬间爆发式形成大量马氏体，并伴有响声，同时释放相变潜热，使温度回升。
（14）Md 马氏体机械强化稳定化临界温度。
（15）MＦ马氏体相变强化临界温度。
（16）Mf 有的文献以Mf表示奥氏体转变为马氏体的终了温度。
（17）MG 奥氏体发生热稳定化的一个临界温度。
（18）MS 钢奥氏体化后冷却时，其中奥氏体开始转变为马氏体的温度，符号中的“S”是“始”字汉语拼音第一个字母，也就是俄文书籍中的MH和英文书籍中的MS。
（19）MＺ奥氏体转变为马氏体的终了温度，符号中的“Z”是“终”字的汉语拼音第一个字母，也就是俄文书籍中的MＫ和英文书籍中的Mf。
注：AC1、AC3、AC4和ACCｍ随加热速度而定，加热越快，其越高；Ar1、Ar3、A r4和Arcm则随冷却速度的加快而降低，当冷却速度超过一定值（临界冷却速度）时，它们将完全消失。
