材料的結構結晶相圖

材料的結構結晶相圖第1頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.5

碳鋼3.1

純金屬的結構與結晶3.2

合金的結構3.3

二元合金相圖3.4

鐵碳合金本章講授與學習內容第2頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五一、晶體與非晶體自然界存在的固態(tài)物質可分為晶體和非晶體兩大類。金屬和合金大都是晶體。晶體:

其內部原子在空間作有規(guī)則的排列，如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。非晶體:

其內部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積，如玻璃、瀝青等。3.1純金屬的結構與結晶3.1.1晶體的概念第3頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖3-2體心立方晶格3、常見金屬的晶格類型(1)體心立方晶格:

晶胞是一個正六方體，立方體的八個角上和立方體的中心各有一個原子，如圖3-2。如鉻Cr、鈉Na、α-Fe、釩V、鉬Mo、鎢W等。3.常見的金屬晶格

第4頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五體心立方晶格（b.c.c）在立方體的八個角點上各有一個與相鄰晶胞共有的原子，并在立方體的中心有一個原子Body-CentredCubicLattice模型晶胞晶胞原子數(shù)第5頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(2).面心立方晶格(f.c.c)

Face-CentredCubicLattice在立方體的八個角點和六個面的中心上，各有一個與相鄰晶胞共有的原子模型晶胞晶胞原子數(shù)第6頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五(3).密排六方晶格(c.p.h)Close-PackedHexagonalLattice正六棱柱體，在上下兩面的角點和中心，各有一個與相鄰晶胞共有的原子，并在上下兩面中間有三個原子模型晶胞晶胞原子數(shù)第7頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五注：當金屬從高配位數(shù)結構向低配位數(shù)結構發(fā)生同素異構轉變時，隨著致密度的減小和晶體體積的膨脹，原子半徑同時發(fā)生變化。由此可見，同種原子處于不同的晶格中，其原子半徑也是不同的(4)三種晶格的比較第8頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五5.實際金屬的晶體結構(1).多晶體結構晶體內部晶格位向完全一致且不發(fā)生改變的晶體單晶體多晶體有許多外形不規(guī)則的單晶體組成晶界晶粒晶粒組成多晶體的單晶體晶界晶粒和晶粒之間的交界處金屬材料的晶粒一般很小，鋼鐵材料的晶粒尺寸僅為10-2～10-1mm第9頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五晶體缺陷晶格不完整的部位影響金屬的性能

面缺陷

點缺陷

線缺陷(2).晶體缺陷第10頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.1.2純金屬的結晶物質由液態(tài)冷卻轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。結晶：金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結晶。

第11頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1、冷卻曲線與過冷度

冷卻曲線：是溫度與時間的關系曲線，可用來描述金屬的結晶規(guī)律?？赏ㄟ^熱分析法測量繪制，其方法是使熔化后的金屬液緩慢冷卻，每隔一定時間記錄下溫度值，將溫度T和對應時間t繪制成T-t曲線。第12頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五冷卻曲線

冷卻曲線第13頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五由冷卻曲線可見，液態(tài)金屬隨著冷卻時間的增長溫度不斷下降，但當冷卻到某一溫度時，冷卻時間雖然增長但其溫度并不下降，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個水平線段，這個水平線段所對應的溫度就是純金屬進行結晶的溫度。出現(xiàn)水平線段的原因，是由于結晶時放出的結晶潛熱補償了向外界散失的熱量。結晶完成后，由于金屬繼續(xù)向周圍散熱量，故溫度又重新下降。第14頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五如圖所示，金屬在無限緩慢冷卻條件下(即平衡條件下)所測得的結晶溫度Ｔ0稱為理論結晶溫度。但在實際生產中，金屬由液態(tài)結晶為固態(tài)時冷卻速度都是相當快的，金屬總是要在理論結晶溫度Ｔ0以下的某一溫度Ｔ1才開始進行結晶，溫度Ｔ1稱為實際結晶溫度。實際結晶Ｔ1溫度低于理論結晶溫度Ｔ0的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。而Ｔ0與Ｔ1之差ΔＴ稱為過冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔ1。過冷度并不是一個恒定值，液體金屬的冷卻速度越大，實際結晶的溫度Ｔ1就越低，即過冷度ΔＴ就越大。實際金屬總是在過冷情況下進行結晶的，所以過冷是金屬結晶的一個必要條件。第15頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2、金屬的結晶過程

晶體成核和成長過程。如圖3-10所示，在液體金屬開始結晶時，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團，成為結晶的核心，即晶核（形核過程）。然后原子按一定規(guī)律向這些晶核聚集，而不斷長大，形成晶粒（成長過程）。在晶體長大的同時，新的晶核又繼續(xù)產生并長大。當全部長大的晶體都互相接觸，液態(tài)金屬完全消失，結晶完成。由于各個晶粒成長時的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界。所以結晶過程，就是不斷地形核和晶核不斷長大的過程。如下圖所示：

第16頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

結晶過程示意圖結晶過程第17頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3、金屬結晶后的晶粒大小1.晶粒大小對金屬力學性能的影響

金屬結晶后是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒大小可以用單位體積內晶粒數(shù)目來表示。數(shù)目越多，晶粒越小。

實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為，晶粒越細，塑性變形越可分散在更多的晶粒內進行，使塑性變形越均勻，內應力集中越??；而且晶粒越細，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒與晶粒間犬牙交錯的機會就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強度和韌性就越好。第18頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.1.3同素異構轉變物質在固態(tài)下晶體結構隨溫度變化的現(xiàn)象鐵的同素異構轉變鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結構變化，其變化為：1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe第19頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

大多數(shù)金屬結晶后，其晶格不再發(fā)生變化，但也有少數(shù)金屬（如鐵、鉻、錫、鈷、鈦等）在固態(tài)時會發(fā)生晶格類型的轉變，這種在固態(tài)下隨溫度的變化由一種晶格轉變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構晶變。同素異晶轉變也是成核長大過程。

金屬的同素異構轉變也是一種結晶過程，有一定的轉變溫度和過冷度；也有晶核的形成和長大兩個階段。故同素異構轉變又稱為重結晶。鐵的同素異構轉變如下所示。（體心立方晶格）（面心立方晶格）（體心立方晶格）第20頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.3合金的晶體結構合金的定義指由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素和非金屬元素經熔煉、燒結或其他方法結合在一起組成的具有金屬特性的物質黃銅銅鋅鋼鐵碳第21頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五組成合金最簡單、最基本且能獨立存在的物質組元合金中含有兩種或兩種以上元素的原子，這些原子之間必然相互發(fā)生作用，使得結晶形成的小晶體（晶粒）具有也含有兩種或兩種以上的元素。由多種元素構成的小晶體的化學成分和晶格類型可以是完全均勻一致的，也可以是不一致的，它們組成了合金中的相和組織基本概念第22頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五在金屬或合金中，凡化學成分相同、晶體結構相同，并與其他部分有界面分開的均勻組織部分相相金屬化合物（中間相）固溶體組織指用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的微觀形貌，包含合金不同形狀、大小、數(shù)量和分布的相基本概念第23頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

固溶體定義表示方法α、β、γ溶劑與合金晶體結構相同的元素除溶劑以外的其它元素溶質

根據溶質原子在溶劑晶格中所處位置的不同固溶體分類置換固溶體間隙固溶體合金中其晶體結構與組成元素之一的晶體結構相同的固相第24頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五（1）置換固溶體溶質原子取代溶劑原子而占據晶格中某些結點位置而形成的固溶體定義第25頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五（2）間隙固溶體定義溶質原子較小，如碳、氫等，它們位于溶劑晶格間隙形成的固溶體溶質元素通常為原子半徑較小的非金屬元素溶劑一般為過渡族元素第26頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2.二元相圖的基本類型與分析1.二元相圖的建立3.4二元合金相圖第27頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五基本知識合金的結晶特點：1.合金的結晶過程不一定在恒溫下進行，而是在一個溫度范圍內完成，而純金屬在恒溫下完成；2.合金的結晶不僅會發(fā)生晶體結構的變化，還會伴有化學成分的變化，而純金屬僅發(fā)生晶體結構的變化。合金系：兩個或兩個以上的組元按不同比例下配制成的一系列不同成分的合金的總稱合金：是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質第28頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五組元：組成合金的最簡單、最基本且能獨立存在的物質；在大多數(shù)的情況下就是組成元素。按所含組元的數(shù)目，合金分為二元合金、三元合金及多元合金相：是指合金中化學成分、晶體結構和原子聚集狀態(tài)皆相同，并以界面互相分開的各均勻組成部分組織：指用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的微觀形貌，包含合金中不同形狀、大小、數(shù)量和分布的相，又稱顯微組織。第29頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五相圖：反映在平衡條件下各成分合金的結晶過程以及相和組織存在范圍與變化規(guī)律的簡明示意圖狀態(tài)圖：相圖可以反映材料在不同條件下的狀態(tài)平衡圖：相圖是通過材料在極其緩冷的條件下所測得的試驗數(shù)據建立的，反映各相平衡狀態(tài)的關系相圖狀態(tài)圖平衡圖緩慢冷卻條件下第30頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1.二元相圖的建立Cu—Ni二元合金系為例，說明二元相圖的建立過程1）配制出不同成分的合金測出它們的冷卻曲線找出各曲線上的臨界點溫度℃時間100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷卻曲線結晶的開始溫度和終了溫度第31頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2）在溫度-成分坐標系中過合金成分點作成分垂線將臨界點標在成分線上將成分垂線上相同意義的點連接起來，標上相應的數(shù)字和字母Cu-Ni合金的二元相圖第32頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五溫度時間LαCuNi20%80%60%40%Ni%100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷卻曲線Cu-Ni合金相圖液相線：結晶開始點的連線固相線：結晶終了點的連線在溫度-成分坐標系中過合金成分點作成分垂線將臨界點標在成分線上將成分垂線上相同意義的點連接起來，標上相應的數(shù)字和字母L+α溫度第33頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2.二元相圖的基本類型與分析相圖與合金性能之間的關系二元勻晶相圖二元共晶相圖二元包晶相圖形成穩(wěn)定化合物的二元合晶相圖具有共析反應的二元合晶相圖二元相圖的分析步驟二元相圖的基本類型第34頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二元勻晶相圖定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶，且只發(fā)生勻晶反應的相圖勻晶反應：從液相中直接結晶出固溶體的反應二元勻晶相圖是最簡單的二元相圖，Cu-Ni;Cu-Au;Au-Ag;W-Mo等合金都具有這類相圖第35頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五LαABCuNiNi%Cu-Ni合金相圖液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)L+α兩相區(qū)銅的熔點鎳的熔點1）相圖分析第36頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二元共晶相圖定義：組成二元合金的兩組元，在液態(tài)能無限互溶，但在固態(tài)只能有限互溶且發(fā)生共晶反應時，其所構成的相圖Pb-Sb，A1-Si，Pb-Sn，Ag-Cu等二元合金均為這類的相圖第37頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1）相圖分析AEB液相線固相線ACEDBA點Pb的熔點Sn的熔點B點相圖中的點和線PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+ααα+βL+β327℃溫度℃19.261.997.5Sn%β第38頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五CF線Sn在Pb中的溶解度曲線DG線Pb在Sn中的溶解度曲線E點共晶點CED線共晶線PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+ααα+βL+β327℃溫度℃19.261.997.5Sn%β第39頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1）相圖分析相圖中的相區(qū)液相區(qū)液相線以上合金全部處于液相L相區(qū)相是Sn溶于Pb中的固溶體相是Pb溶于Sn中的固溶體兩相共存區(qū)單相區(qū)相區(qū)固相區(qū)L+

L+

+

位于每兩個單相區(qū)之間第40頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五1）相圖分析共晶反應水平線CED共晶反應線濃度為E的L相同時結晶出濃度為C的α相和濃度為D的β相共晶體在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出兩個成分和結構都不相同的新固相的轉變過程共晶反應共晶反應的產物，即兩相的機械混合物共晶溫度發(fā)生共晶反應的溫度共晶合金LEαcβD+183℃(183℃)具有共晶成分的合金共晶反應是在恒溫下進行的第41頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五共晶體共晶反應共晶溫度共晶合金液體冷卻注:發(fā)生共晶反應時，L、α、β三個相平衡共存，它們的成分固定，但各自的重量在不斷變化

水平線CED是一個三相區(qū)第42頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2）典型合金的結晶過程

含Sn量小于C點成分合金的結晶過程（以合金Ⅰ為例）LLααLβⅡβⅡαααα1234溫度時間合金Ⅰ冷卻1點開始結晶出α相1點到2點勻晶反應單相α固溶體2點到3點固溶體冷卻組織無變化3點以下α固溶體被Sn過飽和出現(xiàn)βⅡα+βⅡ第43頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二次相從已有固相中析出的新固相，記作βⅡ冷卻過程中兩固相的重量變化α相β相沿CF線變化沿DG線變化室溫下的βⅡ相對重量QβⅡ=F4FG×100%α+βⅡ合金Ⅰ室溫下的組織成分大于D點合金的結晶過程與合金相似，其室溫組織為β+αⅡ二次析出形成二次相的過程第44頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

共晶合金的結晶過程（以合金Ⅱ為例）LEαcβD+183℃該合金冷卻到E點共晶反應溫度繼續(xù)下降共晶反應結束α相β相沿CF線變化沿DG線變化βⅡαⅡ析出析出合金Ⅱ室溫下的組織α+β二次相不易分辨Lα+βα+βα+βLLα+β121’第45頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五共晶反應剛結束時兩相的相對重量百分比Qα=EDCD×100%QβⅡ=100%-Qα=54.6%=97.5-61.997.5-19.2×100%=45.5%第46頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

亞共晶合金的結晶過程（以合金Ⅲ為例）LLαL(α+β)αβⅡLαL溫度時間3122’(α+β)αβⅡ(α+β)α合金液體勻晶轉變一次α相一次α的成分沿AC線變化到C點液相的成分沿AE線變化到E點βⅡ析出LEαcβD+183℃第47頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五LLαL(α+β)αβⅡLαL溫度時間3122’(α+β)αβⅡ(α+β)α[勻晶反應＋共晶反應＋二次析出]合金Ⅲ室溫下的組織βⅡα+(α+β)+亞共晶合金的結晶過程第48頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

過共晶合金的結晶過程（以合金Ⅳ為例）結晶過程與亞共晶合金相似不同的是二次相α合金Ⅳ室溫下的組織β(α+β)αⅡ++一次相β第49頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3）組織組成物在相圖上的標注組織組成物組成合金顯微組織的獨立成分相與相的差別主要在結構和成分上組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上組織和相的區(qū)別第50頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二元包晶相圖定義：當兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時形成有限固溶體而且發(fā)生包晶反應時，其所構成的相圖常用的Fe-C，Cu-Zn，Cu-Sn等合金相圖中，均包括這種類型的相圖第51頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二元包晶相圖1）相圖分析三個局部的勻晶相圖一條水平線組成第52頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2）包晶反應定義：包晶水平線上發(fā)生的反應是由一種液相和一種固相相互作用生成另一種固相的轉變過程LB＋δHγJ成分為B(O.53％C)的液相LB成分為H(0.09％C)的初晶δH成分為J(0.017％C)的γJ固溶體第53頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2）包晶反應具體過程γLδδγL反應產物γ形核、成長新相γ對內不斷“吃掉”

δ相，向內擴張直到液相和固相任一方或雙方消耗完了為止，反應才告結束由于是一相包著另一相進行反應，故稱為包晶反應液相L固相δ交界面上形成一層相外殼三相共存對外不斷消耗液相，向液內長大第54頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3）典型合金的結晶過程合金Ⅰ在溫度緩冷到2點時，反應前的液相L和固相δ數(shù)量比為：反應后兩相全部耗盡，形成單一的新相γ[勻晶反應＋包晶反應]L/δ=HJ/JB結晶過程第55頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五溫度℃結晶過程：合金Ⅱ在溫度緩冷到2點時，反應前的液相L和固相δ數(shù)量比為：L/δ=H2/2B參加包晶反應的相量過剩，所以反應后形成δ+γ兩相進入HNJ勻晶區(qū)，隨溫度的下降，3點以下形成單相γ[勻晶反應＋包晶反應+勻晶反應]第56頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五結晶過程：合金Ⅲ在溫度緩冷到2點時，反應前的液相L和固相δ數(shù)量比為：L/δ=H2/2B參加包晶反應的L相量過剩，所以反應后形成L+γ兩相進入JBCE勻晶區(qū)，隨溫度的下降，3點以下形成單相γ[勻晶反應＋包晶反應+勻晶反應]第57頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五具有共析反應的二元合金相圖水平線上的共析反應，自固相中同時析出β1和β2

兩種新相，即

cβ1dβ2e+水平線dce稱為共析線反應產物稱為共析體共析反應：在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結構完全不同的新固相的反應第58頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五共析反應是在固態(tài)下進行的反應中的原子擴散比較困難易于達到較大的過冷度生核率高與共晶組織相比，共析組織要細得多共析反應的特點第59頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二元相圖的分析步驟1.先分清圖中包括哪些基本類型的相圖2.相區(qū)的確定

兩相區(qū)的確定：兩個單相區(qū)之間夾有一個兩相區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩個相鄰單相區(qū)的相組成

相區(qū)接觸法則：相鄰兩個相區(qū)的相數(shù)差為1

單相區(qū)的確定

相圖中液相線以上為液相區(qū)相圖中每一條水平線必定與3個單相區(qū)接觸第60頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三個相由與該三相區(qū)點接觸的三個單相區(qū)的相組成常見三相等溫水平線上的反應第61頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.分析典型合金的結晶過程

做出典型合金冷卻曲線示意圖，二元合金冷卻曲線的特征是

在單相區(qū)和兩相區(qū)冷卻曲線為一斜線；

由一個相區(qū)過渡到另一個相區(qū)時，冷卻曲線上出現(xiàn)拐點,發(fā)生三相等溫轉變時，冷卻曲線呈一水平臺階

分析合金結晶過程

畫出組織轉變示意圖計算各相、各組織組成物相對重量比：在單相區(qū)，合金由單相組成，相的成分、重量即合金的成分、重量；在兩相區(qū)，兩相的成分隨溫度下降沿各自的相線變化，各相、各組成物的相對重量可由杠桿定律；在三相區(qū)，三個相的成分固定，相對重量不斷變化，杠桿定律不適用。第62頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五相圖與合金性能之間的關系1.相圖與合金力學性能、物理性能之間的關系組織為機械混合物的合金，其性能與合金成分呈直線關系組織為固溶體的合金，隨溶質元素含量的增加，合金的強度和硬度也增加，產生固溶強化，如果是無限互溶的合金，則在溶質含量為50%附近強度和硬度最高，性能與合金成分之間呈曲線關系第63頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2.相圖與鑄造性能之間的關系單相固溶體的合金，澆鑄時合金流動性差澆鑄時不能充滿鑄型凝固后形成許多分散的縮孔此類合金不宜制作鑄件共晶成分的合金或接近共晶成分的合金，流動性好不易產生分散的縮孔在凝固的過程中出現(xiàn)的集中縮孔的現(xiàn)象采取設置冒口的方法，并控制這種縮孔于冒口處，待鑄件成型后，再將冒口切除

此類合金的塑性較好，具有良好的壓力加工性能第64頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.4鐵碳合金相圖3.3.2鐵碳合金相圖的分析3.3.1鐵碳合金的組元和相3.3.3

典型鐵碳合金的平衡結晶過程3.3.4

含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響第65頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五基本概念鐵碳合金:

碳鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱，都是以鐵和碳為基本組元的合金碳鋼:

含碳量為0.0218%～2.11%的鐵碳合金鑄鐵:含碳量大于2.11%的鐵碳合金鐵碳合金相圖:

研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）時，合金太脆，無實用價值，因此所討論的鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C第66頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.3.1鐵碳合金的組元和相1.純鐵純鐵指的是室溫下的-Fe注：純鐵的同素異構轉變是一個相變過程，有著很重要的實際意義，正是因為有了這種轉變，才有可能使鋼鐵通過熱處理及合金化的途徑實現(xiàn)組織性能的多種變化強度、硬度低，塑性、韌性好第67頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五2.碳碳是非金屬元素，自然界存在的游離的碳有金剛石和石墨，它們是同素異構體石墨具有簡單的六方晶格碳在鐵碳合金中的存在形式有三種

C溶于Fe的不同晶格中形成固溶體C與Fe形成金屬化合物，即滲碳體C以游離態(tài)的石墨存在于合金中石墨耐高溫，可導電，有一定的潤滑性，但其強度、硬度、塑性和韌性極低第68頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五C溶于Fe的不同晶格中形成固溶體

鐵素體

C溶于-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格

符號“F”或“”表示

鐵素體是一種強度和硬度低，而塑性和韌性好的相

鐵素體在室溫下可穩(wěn)定存在第69頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

奧氏體C溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格

符號“A”或“γ”表示

奧氏體強度低、塑性好，鋼材的熱加工都在奧氏體相區(qū)進行

奧氏體在高溫下可穩(wěn)定存在第70頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五C與Fe形成金屬化合物，即滲碳體Fe3CFe與C組成的金屬化合物具有復雜的晶體結構滲碳體的含碳量為6.69％

滲碳體以“Fe3C”或“Cm”符號表示

滲碳體的熔點為1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性幾乎等于零

滲碳體在鋼和鑄鐵中，一般呈片狀、網狀或球狀存在。它的形狀和分布對鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強化相

碳在-Fe中溶解度很低，所以常溫下碳以滲碳體或石墨的形式存在第71頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.3.2鐵碳合金相圖的分析第72頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五包晶相圖由三個相圖組成共析相圖共晶相圖五個基本相：五個單相區(qū)液相L高溫鐵素體δ鐵素體奧氏體γ滲碳體Fe3C相圖的分析第73頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五三條水平線HJB水平線（1495℃）包晶線，發(fā)生包晶反應，反應產物為奧氏體L0.53+δ0.09←→γ0.17ECF水平線（1148℃）共晶線，發(fā)生共晶反應，反應產物為奧氏體和滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體，用“Le”表示L4.3←→γ2.11+Fe3C萊氏體組織特征為蜂窩狀，性能硬而脆第74頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五三條水平線PSK水平線（727℃）共析線，發(fā)生共析反應，反應產物為鐵素體和滲碳體的機械混合物，稱為珠光體，用“P”表示γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C共析線又稱為A1線珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布第75頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖中的特性點A點：純鐵的熔點C點：共晶點D點:

Fe3C的熔點G點：J點：包晶點N點：S點：共析點E點：-Fe中的最大溶碳量-Fe-Fe的同素異構轉變點-Fe-Fe的同素異構轉變點第76頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五圖中的特性線ABCD－液相線AHJECF－固相線GS、GP為

固溶體轉變線HN、JN為

固溶體轉變線GS線又稱為A3線JN線又稱為A4線

六條重要的固態(tài)轉變線第77頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五

六條重要的固態(tài)轉變線二次滲碳體通常沿奧氏體晶界呈網狀分布隨著溫度下降，C的溶解度下降當含碳量超過0.77%的鐵碳合金自1148℃冷卻到727℃時，會從奧氏體中析出滲碳體，稱為二次滲碳體標記為Fe3CⅡES線又稱為Acm線ES線為碳在-Fe中的固溶線第78頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五PQ線為碳在-Fe中的固溶線標記為Fe3CⅢ隨著溫度下降，C的溶解度下降鐵碳合金自727℃向室溫冷卻時，會從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體因為析出量極少，在含碳量高的合金中不予以考慮第79頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五CD線是從液體中結晶出滲碳體的開始溫度線從液體中結晶出的滲碳體稱為一次滲碳體標記為Fe3CⅠ注：各種不同的滲碳體分屬于不同的組織組成物，區(qū)別在于形態(tài)和分布不同。但屬于同一個相第80頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.3.3典型鐵碳合金相圖的結晶過程一、鐵碳合金的分類1.工業(yè)純鐵（<0.0218%C）室溫下的平衡組織幾乎全部為鐵素體的鐵碳合金，工業(yè)上很少使用2.鋼（0.0218%--2.11%C）高溫組織為單相奧氏體，易于變形。根據室溫組織的不同分為三類(1)

亞共析鋼（0.0218%--0.77%C）指室溫下的平衡組織為鐵素體與珠光體的鐵碳合金，有熟鐵之稱(2)

共析鋼（0.77%C）指室溫下的平衡組織為珠光體的鐵碳合金，即碳素工具鋼中的T8鋼(3)

過共析鋼（0.77%C--2.11%C）指室溫下的平衡組織為珠光體與二次滲碳體的鐵碳合金第81頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五3.白口鑄鐵（2.11%--6.69%C）指液態(tài)結晶時都有共晶反應且室溫下的平衡組織中皆含有變態(tài)萊氏體的一類鐵碳合金其斷口白亮而得名，俗稱生鐵具有較低的熔點，流動性好，便于鑄造成形含有一定數(shù)量的萊氏體，硬度高、脆性大，故不能承受鍛造、軋制等壓力加工，也不宜切削加工特點分類亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵4、灰鑄鐵（2.11%C）指室溫下的平衡組織具有鐵素體、珠光體，或是兩者皆有的基體，且基體上分布著不同形態(tài)石墨的鐵碳合金，其斷口呈暗灰色，冷卻至室溫的萊氏體第82頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五二、純鐵、鋼、白口鑄鐵的平衡結晶過程第83頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五γFe3CⅢδγLδFeABGPHJNQ7123456①（1）純鐵的平衡結晶過程7123456Lδγ1—2點勻晶反應形成δ鐵素體2—3點不發(fā)生組織轉變3—4點開始從δ鐵素體中析出奧氏體，4點后全部轉化為奧氏體4—5點不發(fā)生組織轉變5—6點開始從奧氏體中析出鐵素體，6點后全部轉化為鐵素體6—7點不發(fā)生組織轉變7點以后開始從鐵素體中析出三次滲碳體第84頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五γFe3CⅢδγLδFeABGPHJNQ7123456①7123456Lδγ工業(yè)純鐵結晶過程的基本反應勻晶反應十固溶體轉變反應＋二次析出反應室溫組織F十Fe3CⅢ工業(yè)純鐵的顯微組織第85頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五γLFeABEGPSHJNQ（0.77）123②3’123γLγPP1—2點勻晶反應形成奧氏體2—3點不發(fā)生組織轉變3點以后發(fā)生共析轉變，反應結束后全部轉化為珠光體γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C3’點后繼續(xù)冷卻從珠光體的鐵素體中析出少量的三次滲碳體（2）共析鋼的平衡結晶過程第86頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五γL3’123γLγPP共析鋼結晶過程的基本反應勻晶反應十共析反應室溫組織100%的珠光體P共析鋼的顯微組織(400×)珠光體是鐵素體與滲碳體片層相間的組織。白色的F基體上分布著黑色條紋狀的Fe3C，呈黑白相間的層狀形貌第87頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五PγγLδFeABGPHJNQ12345③122′3455′γγLγP1—2點勻晶反應形成δ鐵素體2—2′點發(fā)生包晶反應L0.53+δ0.09←→γ0.172′—3點剩余的液相發(fā)生通過勻晶轉變?yōu)閵W氏體3—4點不發(fā)生組織轉變4—5點從奧氏體中析出鐵素體5—5′點發(fā)生共析反應γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C5′點以后從鐵素體中析出少量的三次滲碳體（3）亞共析鋼的平衡結晶過程LLδ第88頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五PγγLδLδ122’3455’γLγLγP亞共析鋼結晶過程的基本反應勻晶反應+包晶反應+固溶體轉變反應+共析反應亞共析鋼的室溫組織鐵素體F+珠光體P亞共析鋼的顯微組織(400×)白色組織為鐵素體，黑色組織為珠光體第89頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五PFe3CⅡγPFe3CⅡγFe3CⅡFeABEGPSHJNQ（2.11）（0.77）1234④4’1234LLγγ1—3點勻晶反應形成奧氏體3—4點從奧氏體晶界析出二次滲碳體，并在晶界上呈網狀分布4—4′點剩余的奧氏體發(fā)生共析反應γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C4點以后二次滲碳體不再變化，珠光體的變化同共析鋼（4）過共析鋼的平衡結晶過程第90頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五PFe3CⅡγPFe3CⅡγFe3CⅡ4’1234LLγ過共析鋼結晶過程的基本反應勻晶反應十二次析出反應+共析反應室溫的組織珠光體P+網狀二次滲碳體Fe3C過共析鋼的顯微組織(400×)白色或黑色的Fe3C呈細網狀分布在層片狀的P周圍第91頁，共103頁，2023年，2月20日，星期五（5）共晶白口鑄鐵的平衡結晶過程2’11’2LLeLLeFe3CγFe3CPγPLe′Fe3C1—1′點發(fā)生共晶反應L4.3←→γ2.11+Fe3C全部轉化為萊氏體，是共晶奧氏體和共晶滲碳體的機械混合物（0.77）BCDEFSKFe3C1148℃（2.11）（4.30）12⑤1—2點析出二次滲碳體2—2’點發(fā)生共析反應