第二章金屬材料的凝固與固態(tài)相變

第二章金屬材料的凝固與固態(tài)相變2.1純金屬的結(jié)晶2.2合金的凝固2.3鐵碳合金相圖2.4鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變2.5鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變2.1純金屬的結(jié)晶

(CrystalofSimpleMetal)2.1.1凝固與結(jié)晶的概念2.1.2結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律2.1.3同素異晶(構(gòu))轉(zhuǎn)變2.1.1凝固與結(jié)晶的概念1.凝固(coagulation)

物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2.結(jié)晶(crystal)

*晶體物質(zhì)由一種原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)的過程。*物質(zhì)中的原子由近程有序排列向遠程有序排列的過程。2.金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起伏結(jié)晶遠程有序結(jié)構(gòu)2.1.2結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律(1)結(jié)晶的一般過程微小晶核長大晶體To(2)結(jié)晶的過冷現(xiàn)象1.純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線Tn結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)2.過冷現(xiàn)象與過冷度過冷現(xiàn)象(supercooling)過冷度(degreeofsupercooling)

ΔT=T0–Tn過冷是結(jié)晶的必要條件。

(3)結(jié)晶的一般規(guī)律形核長大1.晶核的形成在一定的過冷度下晶核就形成。晶核形成的形式:

*自發(fā)形核晶體核心是從液體結(jié)構(gòu)內(nèi)部自發(fā)長出的。

*非自發(fā)形核晶核是依附于外來雜質(zhì)而生成的。2.晶核的長大方式—樹枝狀I(lǐng)次晶軸II次晶軸III次晶軸金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶3.影響形核和長大的因素過冷度的影響難熔雜質(zhì)的影響形核率：在單位時間內(nèi)，單位體積中所產(chǎn)生的晶核數(shù)稱為形核率，以N表示。長大率：單位時間內(nèi)晶核長大的平均速度，以G表示。1)過冷度的影響2)難熔雜質(zhì)的影響金屬結(jié)晶過程中，非自發(fā)形核的作用往往是主要的。高熔點的雜質(zhì)，特別是當雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和金屬的晶體結(jié)構(gòu)相似時，將強烈的促使非自發(fā)形核，提高形核率。（4）細化晶粒的途徑提高冷卻速度V冷△TN晶粒細小變質(zhì)處理機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。晶粒度：晶粒大小的量度，用單位體積中晶粒的數(shù)目Zv或單位面積上晶粒的數(shù)目Zs表示。純鐵的同素異晶(allomorph)轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:2.1.3金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe

純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe2.2合金的凝固

2.2.1二元合金相圖與凝固相圖（phasediagram)又稱平衡圖或狀態(tài)圖，是表明合金系中不同成分的合金在不同溫度下所存在的相以及相與相之間關(guān)系的圖形。熱分析法相圖的建立時間溫度90705030AB溫度A溫度B溫度名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%abab:液相線ab

:固相線LL+SSL:液相區(qū)S:固相區(qū)L+S:液固共存區(qū)AB溫度（1）勻晶相圖勻晶相圖的結(jié)晶過程兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶所構(gòu)成的相圖稱為二元勻晶相圖。TLTSTnbac杠桿定理QS=(bc／ab)100%

QL=(ac／ab)100%QS+QL=1aQS+bQL=cABabLS溫度QLQs（2）共晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限溶解（或不溶），并在結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖。共晶轉(zhuǎn)變的特征：反應(yīng)相是液相，位于水平線中間的上方；所形成的是兩個不同的固相，其成分點位于水平線兩端。1.共晶合金的結(jié)晶過程固相中析出的固相稱做次生相或二次相，以下標II表示。2.亞共晶合金的結(jié)晶過程3.不同成分合金的結(jié)晶組織例2.12.12.11.2.3.3.4.（3）共析相圖是雙層相圖，上層是勻晶相圖，下層類似共晶相圖，稱共析相圖。共析轉(zhuǎn)變的特征：反應(yīng)相是固相，位于水平線中間的上方；所形成的是兩個不同的固相，其成分點位于水平線兩端。包晶轉(zhuǎn)變的特征：反應(yīng)相是液相和一個固相，其成分點位于水平線兩端；所形成的另一個固相位于水平線中間的下方。（4）包晶相圖在一定溫度下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變，稱為包晶轉(zhuǎn)變。兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖，稱為包晶相圖。

2.2.2相圖與合金物理、力學(xué)性能之間的關(guān)系

合金的流動性、縮孔性質(zhì)

與相圖之間的關(guān)系2.3鐵碳合金相圖

(Iron–CarbonPhaseDiagram)2.3.1Fe-Fe3C相圖組元和基本組織的結(jié)構(gòu)與性能2.3.2Fe-Fe3C相圖分析2.3.3碳的質(zhì)量分數(shù)對鐵碳合金組織、

性能的影響2.3.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用。

2.3.1Fe-Fe3C相圖組元和基本

組織的結(jié)構(gòu)與性能(1)組元

*鐵(ferrite)

*

滲碳體(Cementite)(2)基本組織1.鐵素體(F)(Ferrite)

碳溶于α–Fe中形成的間隙固溶體。2.奧氏體(A)

Austenite

碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體。3.滲碳體(Fe3C)

Cementite鐵與碳形的金屬化合物。4.珠光體(P)

---Pearite鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。5.萊氏體(Ld)---Ledeburite奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。2.3.2Fe-Fe3C相圖分析Fe-Fe3C

相圖五個重要的成份點:P、S、E、C、K。四條重要的線:EF、ES、GS、FK。三個重要轉(zhuǎn)變:包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。二個重要溫度:1148℃、727℃。1.包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LB

+H

AJ1495℃3.共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LC

(

AE

+Fe3C)Le

1148℃2.3.3典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析工業(yè)純鐵(ingotiron)共析鋼(eutectoidsteel)亞共析鋼(hypoeutectoidsteel)過共析鋼(hypereutectoidsteel)共晶白口鐵(eutectoidwhiteiron)亞共晶白口鐵(hypoeutectoidwhiteiron)過共晶白口鐵(hypereutectoidwhiteiron)127654312341231234123112233P’E’C’K’S’(1)工業(yè)純鐵(Wc<0.0218%)

工業(yè)純鐵組織金相圖（2）共析鋼(Wc=0.77%)

共析鋼組織金相圖（3）亞共析鋼(Wc=0.45%)

亞共析鋼組織金相圖（4）過共析鋼(Wc=1.2%)

過共析鋼組織金相圖（5）共晶白口鐵(Wc=4.3%)

共晶白口鐵組織金相圖（6）亞共晶白口鐵(Wc=3.0%)

亞共晶白口鐵組織金相圖（7）過共晶白口鐵(Wc=5.0%)

過共晶白口鐵組織金相圖

組織組成物:F;

Fe3CF;P0.77-0.45F=100%=43%0.77-0.020.45-0.02P=100%=57%0.77-0.02相組成物:6.69-0.45F

=100%=94%6.69-0.02P=1–WF=57%Fe3C

=1-WF=6%0.020.450.776.692.3.4碳的質(zhì)量分數(shù)對鐵碳

合金組織、性能的影響

碳的質(zhì)量分數(shù)對平衡組織的影響。碳的質(zhì)量分數(shù)對力學(xué)性能的影響。碳的質(zhì)量分數(shù)對工藝性能的影響。(1)碳的質(zhì)量分數(shù)對平衡組織的影響(2)碳的質(zhì)

量分數(shù)對

力學(xué)性能

的影響(3)碳的質(zhì)量分數(shù)對

工藝性能的影響對鑄造性能的影響。對鍛造性能的影響。對焊接性能的影響。對切削加工性能的影響。

2.3.2Fe-Fe3C

相圖的應(yīng)用選擇材料方面的應(yīng)用制定熱加工工藝方面的應(yīng)用(1)選擇材料方面的應(yīng)用1.分析零件的工作條件,根據(jù)鐵碳合金成分、組織、性能之間的變化規(guī)律進行選擇材料。2.根據(jù)鐵碳合金成分、組織、性能之間的變化規(guī)律,確定選定材料的工作范圍。(2)制定熱加工工藝方面的應(yīng)用2.4.1轉(zhuǎn)變溫度

2.4.2奧氏體的形成

2.4.3奧氏體晶粒度及對力學(xué)性能的影響2.4鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變2.4.1轉(zhuǎn)變溫度(transformationtemperature)

奧氏體的形成FFe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA

形核A

長大殘余Fe3C溶解A均勻化2.4.22.4.3奧氏體晶粒度及對

力學(xué)性能的影響（1）奧氏體晶粒度:1.起始晶粒度:珠光體剛剛轉(zhuǎn)變成奧氏體的晶粒大小。

2.實際晶粒度:熱處理后所獲得的奧氏體晶粒的大小。

3.本質(zhì)晶粒度:度量鋼本身晶粒在930℃

以下,隨溫度升高,晶粒長大的程度。

鋼的本質(zhì)晶粒度示意圖（2）奧氏體晶粒大小對鋼的

力學(xué)性能的影響1.奧氏體晶粒均勻細小,熱處理后鋼的力學(xué)性能提高。2.粗大的奧氏體晶粒在淬火時容易引起工件產(chǎn)生較大的變形甚至開裂。2.5鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變2.5.1鋼在熱處理時的冷卻方式2.5.2過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變2.5.3過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變2.5.1鋼在熱處理時的冷卻方式

熱加保溫時間溫度臨界溫度連續(xù)冷卻等溫冷卻2.5.2過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變（1）建立共析鋼過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線----TTT曲線(C曲線)T---timeT---temperatureT---transformation

共析碳鋼TTT曲線建立過程示意圖時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1（2）共析碳鋼TTT曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線A+產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴散型轉(zhuǎn)變;

貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf（3）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能1.珠光體型(P)轉(zhuǎn)變(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;

片間距為0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:

細片狀P---索氏體(S);

片間距為0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:極細片狀P---屈氏體(T);

片間距為＜0.2μm(電鏡);35～40HRC。

珠光體形貌像光鏡下形貌電鏡下形貌光鏡形貌電鏡形貌

索氏體形貌像

屈氏體形貌像電鏡形貌光鏡形貌2.貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;B上=過飽和碳

α-Fe條狀+Fe3C細條狀過飽和碳α-Fe條狀Fe3C細條狀羽毛狀

上貝氏體組織金相圖2.貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):350～230℃:B下;50～60HRC;B下=過飽和碳

α-Fe針葉狀+Fe3C細片狀過飽和碳

α-Fe針葉狀Fe3C細片狀針葉狀

下貝氏體組織金相圖3.馬氏體型(M)轉(zhuǎn)變(230～-50℃):1)定義:馬氏體是一種碳在α–Fe中的過飽和固溶體。2)轉(zhuǎn)變特點:在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成;轉(zhuǎn)變速度極快,即瞬間形核與長大;無擴散轉(zhuǎn)變(Fe、C原子均不擴散),M與原A的成分相同,造成晶格畸變。轉(zhuǎn)變不完全性,QM=f(T)奧氏體含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00溫度℃Wc100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.11.21.31.41.51.61.7Wc100殘余奧氏體量

(%)奧氏體含碳量對殘余奧氏體數(shù)量的影響3)馬氏體的晶體結(jié)構(gòu):M形成時體積膨脹造成很大內(nèi)應(yīng)力。4)馬氏體的組織形態(tài):板條狀---低碳馬氏體(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。

低碳板條狀馬氏體組織金相圖4)馬氏體的組織形態(tài):針、片狀---高碳馬氏體(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。

高碳針片狀馬氏體組織金相圖馬氏體的碳濃度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)

2000抗拉強度σb(Mpa)

1800

1400

1000

600

2005)馬氏體的性能:

主要取決于馬氏體中的碳濃度。

亞共析鋼的TTT曲線

FAP+FS+FTBM+A殘A3時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf

過共析鋼的TTT曲線P+Fe3CⅡS+Fe3CⅡTBM+A殘

Fe3CⅡAACM時間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf

（4）影響TTT