第2章材料的组织结构1.ppt

第2章材料的组织结构,金属的晶体结构金属的结晶与细化材料的同素异构现象铁碳合金相图,2-1 金属的晶体结构,1 金属的理想晶体结构,固态物质,（1）晶体：晶体是指原子（离子、分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物体，其排列的方式称为晶体结构，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。,晶 体,非晶体,（2）非晶体：原子（离子、分子）在空间无规则排列的物体称为非晶体，如普通玻璃、松香、石蜡等。,晶体与非晶体的结构比较,晶 体,非晶体,从液态快速冷却,高温长时间加热,1 金属的理想晶体结构,无固定熔点,有固定熔点,(3)晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。,的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。,1 金属的理想晶体结构,（4）晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。,123,（5）体心立方晶格*,体心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的8个顶角上和立方体中心各有1个原子。铬、钨、钼等,体心立方晶格示意图,（6）面心立方晶格*,面心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的8个顶角上和6个面的中心各有1个原子。具有这种晶格的金属有铝、铜、镍、铅、金、银和9121394的铁等。,面心立方晶格示意图,（7）密排六方晶格,密排六方晶格的晶胞如图所示，在六棱柱的上、下六角形面的顶角上和面的中心各有1个原子，在六棱柱体中间还有3个原子。具有这种晶格的金属有镁、锌、镉和铍等。,密排六方晶格示意图,2、金属的实际晶体结构,变形金属晶粒尺寸约1100m,铸造金属可达几mm。,单晶体与多晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。,（2）晶体缺陷,金属的实际晶体结构，除了具有多晶体结构以外，与理想晶体结构不同之处是存在着晶体缺陷。实际金属中存在大量的晶体缺陷，按其几何形状的特点，晶体缺陷可分为以下三类。,点缺陷,线缺陷,面缺陷,晶体缺陷,晶体缺陷在晶体内部及边界存在偏离晶体完整性的微观区域，称为晶体缺陷称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类,即点、线、面缺陷。,点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位间隙原子置换原子,a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,c.置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶,格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,空位和间隙原子引起的晶格畸变,线缺陷晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未,滑移区的交界线称作位错。分刃型位错和螺型位错。,刃型位错和螺型位错,刃位错的形成,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”表示。,位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为1041012/cm2位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,电子显微镜下的位错,面缺陷晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。,晶界的过渡结构示意图,工业上使用的金属材料绝大多数都是多晶体。在多晶体中两个相邻晶粒之间的晶格位向是不同的，所以晶界处原子排列是不规则的，它是从一种位向逐渐过渡到另一种位向的过渡层，如图所示。,一般情况下，晶体缺陷的存在可以提高金属的强度，而且晶体缺陷常常降低金属的耐腐蚀性能，可以通过腐蚀观察金属的各种缺陷。,3、金属材料的结构特点,合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素（组元）可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各组成相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。,固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固,相称固溶体。用、表示。与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。,固溶体的性能随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降称作固溶强化。产生固溶强化的原因：溶质原子使晶格发生畸变.与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。,固溶体合金成分与性能关系,金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。,铁碳合金中的Fe3C,合金中出现金属化合物,可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。,复习,1 金属的理想晶体结构,固态物质,晶 体,非晶体,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,晶格,晶胞,复习,点缺陷,线缺陷,面缺陷,晶体缺陷,2 金属的实际晶体结构,3 金属材料的结构特点,合金,相,组织,金属的结晶：金属从液态变为固态的过程称为结晶。从原子排列的情况来看，结晶就是原子从一种排列状态(晶态或非晶态)变为另一种规则排列状态的过程。,2-3 金属的结晶与细晶强化,一.结晶的过程 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现。,液态金属结晶时，首先在液态中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断地长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失。,二.结晶温度 金属结晶时，都存在着一个平衡结晶温度Tm，这时，液体中的原子结晶到晶体上的数目，等于晶体上的原子溶人液体中的数目。从宏观范围来看，此时既不结晶，也不熔化，液体和晶体处于动平衡状态。,只有冷却到低于平衡结晶温度时才能有效地进行结晶。因此，实际结晶温度T1，总是低于平衡结晶温度Tm。两者之差(Tm-T1)称为过冷度T。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度愈快，过冷度愈大。,三、结晶的一般过程,1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。,晶胚半径与G关系,气体、液体、晶体的结构,晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。,2、晶核的形成方式形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。非均匀形核更为普遍。,非均匀形核示意图,3、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。,当过冷度很小时，晶体生长以平面状态向前推进。,正温度梯度,实际金属结晶主要以树枝状长大。是因其冷却速度大，且晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生二次轴，树枝间最后被填充。,负温度梯度,树枝状长大,树枝状长大的实际观察,树枝状长大的实际观察(定向凝固),金属的树枝状结晶,（1）细晶强化细晶强化：金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高，称为细晶强化。,四晶核的形成与细晶强化,（2）细晶强化的方法,增加液态金属结晶时的过冷度,细晶强化的方法,变质处理,附加振动,晶体的同素异构,同素异构转变：某些金属，例如铁、锰、钛、锡、钴等，凝固后在不同的温度下有着不同的晶格形式，这种金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现象称为同素异构转变。,2-4 材料的同素异构现象,纯铁的冷却曲线和晶格变化。,由图可知，液态纯铁冷却到1538时，结晶成具有体心立方晶格的-Fe；继续冷到1394时发生同素异晶的转变，体心立方晶格-Fe转变为面心立方晶格-Fe；再继续冷却到912时，-Fe又转变为体心立方晶格的-Fe。纯铁变为固态后发生了两次同素异晶转变。,在不同的温度状态下，由于温度变化而发生的晶格结构改变的现象称为金属的同素异构。,金属的同素异构转变,重结晶（二次结晶）金属的同素异晶转变是金属从一种晶格类型的固态转变为另一种晶格类型固态的转变。它也是一个结晶过程，只不过这个结晶是在固态下进行的，因此把这种固态转固态的结晶称为重结晶或二次结晶。,2-5铁碳合金相图,2.5.1 二元合金相图,合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.相图是用图解的方法表示不同成分、温度下合金系中相的平衡关系。又称状态图或平衡图。,合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。,组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C。,一、二元相图的建立,几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。,二元相图的建立步骤为：以Cu-Ni合金(白铜)为例1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。,3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。,相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。,二、二元相图的基本类型与分析,两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。以Cu-Ni合金为例进行分析。,1、二元匀晶相图,相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。,合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。,当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。,成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时,最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。,杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成,分垂线。在成分垂线相当于温度t 的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。,则 QL+Q=1 QL x1+Q x2=x 解方程组得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。,确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q,因此两相的相对重量百分比为：,两相的重量比为：,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例题（如图）,2、二元共晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以 Pb-Sn 相图为例进行分析。,相图分析 相：相图中有L、三种相,是溶质Sn 在 Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。,相区：相图中有:三个单相区：L、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。,固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。,液固相线:液相线AEB,固相线ACEDB.A、B分别为Pb、Sn的熔点。,和 固溶体的溶解度随温度降低而下降。,在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应.,共晶线：水平线CED叫做共晶线。在共晶线对应的温度下(183)，E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE(C+D),共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。,具有共晶成分的合金称共晶合金。共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于,共晶点以右的合金称过共晶合金。凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。,最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S P+Fe3C。(奥氏体，铁素体，Fe3C渗碳体),3、共析反应二元相图共析反应(转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同新固相的过程。共析转变也是固态相变。,铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%2.11%的称钢含碳量为2.11%6.69%的称铸铁。,2.5.2 Fe-Fe3C相图,铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C它都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。,铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。,坐标Fe-Fe3C相图中纵坐标为温度；横坐标为碳的质量分数。横坐标上任何一点均表示一种成份的铁碳合金。,铁素体的显微组织,铁碳合金的相结构主要有固溶体和金属化合物两类。属于固溶体相的有铁素体和奥氏体，属于金属化合物相的主要为渗碳体。,（1）铁碳合金的基本组织,1)铁素体铁素体是碳在Fe中形成的间隙固溶体，用F或表示。,由于Fe为体心立方结构，溶碳能力较差(在727C时碳的质量分数最大为0.0218，随着温度的下降碳的质量分数逐渐减小，在室温时碳的质量分数为0.0008)。,铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。其性能指标(b=250 MPa，s=120 MPa，硬度值为80 HBS，=50，=85，k=3000kJm2)几乎和纯铁相同。,0.0218%,0.0008%,一般来讲铁从不会是纯的,其中总会有杂质，工业纯铁中常含有0.10%-0.20%的杂质.这些杂质由碳、硅、锰、硫、磷、氧等十几种元素所组成。纯铁的塑性较好，强度较低，具有铁磁性，所以除在电机工业中用做铁芯材料外，在一般的机器制造中很少应用，常用的是铁碳合金。,由于Fe为面心立方结构，Fe的溶碳能力较强，在727时碳的溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶解度增大，到1148时达到最大2.11%，固溶强化效果较明显。,2）奥氏体,奥氏体是碳在Fe中形成的间隙固溶体，用A或表示。,0.77%,2.11%,奥氏体是存在于7271538下的高温组织，强度、硬度较高（b=400Mpa，160-200HBS），塑性、韧性很好（=4050%），特别适宜于进行压力加工。因此，大多数钢材在塑性成形加工时，都要加热到高温奥氏体状态。,奥氏体的显微组织照片,2）奥氏体,铁与碳形成的金属化合物称为渗碳体，用符号Fe3C表示。,渗碳体的复杂晶格结构,渗碳体的溶解度为6.69%，熔点为1227，不发生同素异构转变，硬度很高，而塑性、韧性极差。不能单独使用，但是碳钢中的主要强化相。,3）渗碳体,由于Fe3C的形态、数量、分布对铁碳合金的性能影响很大，是铁碳合金中的重要强化相，所以通常将渗碳体进行如下分类：一次渗碳体Fe3CI（由液体中直接结晶生成，以带状分布）；二次渗碳体Fe3CII（由奥氏体中析出，呈网状分布）；三次渗碳体Fe3CIII（由铁素体中析出，呈断续片状分布）；,渗碳体是碳钢中主要的强化相，其形状、数量与分布等对钢的性能有很大的影响。渗碳体又是一种亚稳定相，在一定的条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳，即,Fe3C,3Fe,C（石墨）,+,4）珠光体珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，用P表示。,珠光体是共析反应的产物，其碳的质量分数为0.77。由于渗碳体在混合物中起强化作用，因此珠光体具有良好的力学性能。,铁素体,铁素体+珠光体,珠光体,珠光体+二次渗碳体,500倍,5)莱氏体莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用Ld表示。,莱氏体是共晶反应的产物，其碳的质量分数为4.3。高温莱氏体冷却到727以下时，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体。由于莱氏体中含渗碳体较多，其力学性能与渗碳体相近，属脆性组织。,4.3%,（2）Fe-Fe3C相图的分析,相区由前面Fe-Fe3C相图可以看出，全图中有四个单相图区：液相区（L）、奥氏体相区（A）、铁素体相区（F）和渗碳体相区（指DFK线）；五个两相：L+A区、L+Fe3CI区、A+F区、A+Fe3C和F+Fe3C区。每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F和Fe3C三相共存。,相图中用字母标出的点都具有一定的特性（成分和温度），称为特性点。相图中各条线表示合金内部组织发生转变的界线，称为组织转变线。,1）相图中的特性点,2）相图中的组织转变线,A,C,D,E,F,G,K,P,S,Q,纯铁的熔点,共晶点,渗碳体的熔点,碳在Fe中的最大溶解度,渗碳体的成分,FeFe同素异构转变点,渗碳体的成分,碳在Fe中的最大溶解度,共析点,碳在Fe中的溶解度,相图中具有特殊意义的点称为特性点，简化Fe-Fe3C相图各特性点的温度，成分及其含义见下表。,在简化Fe-Fe3C相图的十个特性点中，有三个特别重要且具有特殊意义的点，即“C”点、“S”点和“E”点。“C”点为共晶点，在该点将要发生由一定成分的液相同时生成两个不同成分固相的转变，称为共晶转变。此时的液相成分为共晶点成份（wc=4.3%），转变温度为共晶点温度（1148），转变出的两种固相分别为A（wc=2.11%）和共晶Fe3C（wc=6.69%），他们所组成的机械混合物（A+Fe3C）称为共晶莱氏体，用符号“Ld”表示。,共晶转变所获得的共晶体（A+Fe3C）称为高温莱氏体，用符号“Ld”表示。在727以下，高温莱氏体中的奥氏体，将转变为珠光体，形成珠光体和渗碳体均匀分布的复相组织，称为低温莱氏体，用符号“Ld”表示，如图所示。莱氏体组织可以看成是在渗碳体的基本上分布着颗粒状的奥氏体（或珠光体）。低温莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性极差。,“S”点为共析点，在该点将要发生由一个固相同时生成两个固相的转变，称为共析转变。将要发生转变的固相成分为共析点成分（wc=0.77%），转变温度为共析点温度（727），而转变出的固相分别为的F（wc=0.0218%）和共析渗碳体（wc=6.69%），他们所组成的机械混合物（F+Fe3C），称为珠光体，用符号“P”表示。即：A0.77 727 F0.0218+Fe3C共析=P0.77。,“E”点碳在Fe中的最大溶解度(wc=2.11%)1148 时,同时也是碳钢与生铁的分界点.,铁碳合金的液相线，液态合金开始结晶出奥氏体,铁碳合金的固相线，也是Lc-As+Fe3c共晶转换线,铁碳合金的液相线，液态合金开始结晶出渗碳体,铁碳合金的固相线，即奥氏体的结晶终了线,奥氏体转变为铁素体的开始线（常称A3线）,奥氏体转变为铁素体的终了线,碳在奥氏体中溶解度线（常称Acm线），开始析出二次渗碳体,碳在铁素体中溶解度线，开始析出三次渗碳体,As-Fp+Fe3c共析转换线（常称A1线）,2）相图中的特性线,特性线相图中各不同成分的合金中具有相同意义的临界点的连接线称为特性线。简化的Fe-Fe3C相图中各特性线的符号、位置和意义介绍如下：,AC线：为液体向奥氏体转变的开始线。wc4.3%铁碳合金在此线之上为均匀液相，冷却至该线时，液体中开始结晶出固相奥氏体，即：LA。,CD线：为液体向渗碳体转变的开始线。wc4.3%-6.69%之间的铁碳合金在此线之上为均匀液相，冷却至该线时，液体中开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用“Fe3CI”表示。即：L Fe3CI。,ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号“L”表示。,AE线：为液体向奥氏体转变的终了线。wc 2.11%的液体合金冷至此线，全部转变为单相奥氏体组织。,ECF水平线：为共晶线。碳质量分数wc2.11%-6.69%之间的液态合金冷至此线时，将在恒温（1148）下发生共晶转变，形成高温莱氏体。,AECF线统称为固相线，液体合金冷却此线全部结晶为固体，此线以下均为固相区。,ES线：又称 Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线。1148时奥氏体溶碳量最大为wc=2.11%，随着温度的降低，奥氏体的溶碳量逐渐减小，当温度降至727时，溶碳量减小至wc=0.77%。因此，凡是wc0.77%的铁碳合金，当温度由1148降至727时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体，用“Fe3CII”表示。即：A Fe3CII。,GS线：又称A3线，是wc 0.77%的铁碳合金固态冷却时，奥氏体向铁素体转变的开始线。随着温度的下降，转变出的铁素体量不断增多，剩余奥氏体的碳质量分数不断升高。,GP线：奥氏体向铁素体转变的终了线。wc 0.0218%的铁碳合金冷至此线时，奥氏体全部转变为单相铁素体组织。,PSK水平线：为共析线，又称A1线。wc 0.0218%的铁碳合金中的奥氏体冷却至此线时，将在恒温下发生共析转变，转变出珠光体组织。,PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线。727时铁素体溶碳量最大为0.0218%，随着温度的降低，溶碳量不断减小，当温度降至室温时，溶碳量降至0.0008%。因此，wc 0.0218%的铁碳合金，从727降至室温时，均会由铁素体析出渗碳体，称为三次渗碳体，用“Fe3CIII”表示。由于Fe3C III数量极少，故一般在讨论中均忽略不计。,五个重要的成份点:P、S、E、C、F,四条重要的线:ECF、PSK、ES、GS,二个重要温度:1148、727,1148C,727C,1）铁碳合金的分类根据相图上P、E两点，可将铁碳合金分为工业纯铁，碳和铸铁三类。其中碳钢和铸铁又各分三种。因此，相图上共有七种典型合金，其各自的碳质量分数和室温组织如下表所示。,（3）典型金属的结晶过程分析,2）典型合金的结晶共析钢（合金I）,共析钢从高温液态冷却时，与相图中的AC、AE和PSK线分别交于1、2、3点。该合金在1点温度以上全部为液相（L）；缓冷至1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体；缓冷至2点温度时，液相全部结晶为奥氏体；当温度缓冷至3点温度时（727）时，奥氏体发生共析转变，生成珠光体组织，用符号P表示。这种由一定成分的固相，在一定温度下同时析出紧密相邻的两种或多种不同固相的转变，称为共析转变，发生共析转变的温度称共析温度。当温度继续下降时，铁素体成分沿PQ线变化，将会有少量的渗碳体（称为Fe3C）从铁素体中析出，并与共析渗碳体混在一起，这种渗碳体（Fe3C）在显微镜下难以分辩，故可忽略不计。因此，共析钢的室温平衡组织为珠光体。,共析钢显微组织,2）典型合金的结晶亚共析钢（合金II）,冷却时与图中的AC、AE、GS和PSK线分别交于1、2、3、4点。该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降纸，铁素体量不断增多，成分沿GP线变化，奥氏体量逐渐减少；当温度降至4点（727）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。随后的冷却过程中，也会从铁素体中析出三次渗碳体（Fe3C），但因量少忽略不计，因此亚共析钢的室温平衡组织为珠光体和铁素体。必须指出，随亚共析钢含碳量的增加，组织中铁素体量将减少。图中白亮色部分为铁素体，呈黑色或片层状的为珠光体。,2）典型合金的结晶过共析钢（合金III）,过共析钢的结晶过程以图中（3）中合金为例。冷却时与图中AC、AE、ES和PSK线分别交于1、2、3、4点。该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出渗碳体（称此为二次渗碳体Fe3C），随温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而剩余奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至4点（727）时，奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。因此，过共析钢室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。二次渗碳体一般以网状形式沿奥氏体晶界分布。图中片状或黑色组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。,过共析钢显微组织(T12钢),五个重要的成份点:P、S、E、C、F,四条重要的线:ECF、PSK、ES、GS,二个重要温度:1148、727,1148C,727C,2）典型合金的结晶共晶白口铸铁（合金）,共晶白口铸铁的碳质量分数Wc=4.3%，该合金冷却时，与图中EF、PSK线分别交于1、2点。该合金在1点以上为液相，缓冷至1点温度时，液体在恒温下同时结晶出奥氏体和渗碳体两种固相，称为莱氏体或高温莱氏体，用符号Ld表示。这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种或多种固相的转变，称为共晶转变。共晶转变完成后，莱氏体在继续冷却过程中，其中的奥氏体将不断析出二次渗碳体，奥氏体中的含碳量沿ES线逐渐向共析成分接近，当温度降到2点（727）时，发生共析转变，形成珠光体，而二次渗碳体保留到室温。因此，共晶白口铸铁的室温组织为珠光体和渗碳体的两相组织，称为变态莱氏体（或低温莱氏体），用符号“Ld”表示。室温组织如图所示。图中黑色部分为珠光体，白色部分为渗碳体。亚共晶白口铸铁（如碳质量分数Wc=3.0%）、过共晶白口铸铁（如图碳质量分数Wc=4.6%）的结晶过程可以参照共晶白口铸铁的方法进行分析。,补充内容：杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成,分垂线。在成分垂线相当于温度t 的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。,则 QL+Q=1 QL x1+Q x2=x 解方程组得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。,确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q,因此两相的相对重量百分比为：,两相的重量比为：,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例题（如图）,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,共析温度下相的相对重量为：,组织组成物的相对重量为：,45钢缓慢冷却到室温，其室温组织是什么，两组织组成物的相对含量是多少？室温下其组成相是什么，各相含量是多少？如果是T10钢呢？,杠杆定律的应用,（4）铁碳合金的组织和性能的变化规律,从对Fe-Fe3C相图的分析可知，在一定的温度下，合金的成分决定了组织，而组织又决定了合金的性能。任何铁碳合金室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，但成分（含碳量）不同，组织中两个相的相对数量，相对分布及形态也不同，因而不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。,(1)相的变化规律铁碳合金的室温组织均由铁素体与渗碳体两相组成(碳的质量分数低于0.0218的合金除外)。随着碳的质量分数的增加，铁素体的质量分数呈直线关系减少，当碳的质量分数达到6.69时降为零。与此同时，渗碳体的质量分数则由零直线增加至100。,(2)碳的质量分数对力学性能的影响 铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。当碳的质量分数wc0.9%时，随碳的质量分数的继续增加，硬度仍然增加，而强度开始明显下降，塑性、韧性继续降低。原因是钢中的二次渗碳体沿晶界析出并形成完整的网络。导致了钢脆性的增加。为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于1.4%。wc2.11%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量太多，性能硬而脆，难以切削加工，在机械工程中很少直接应用。,复习,1 金属的理想晶体结构,固态物质,晶 体,非晶体,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,晶格,晶胞,复习,点缺陷,线缺陷,面缺陷,晶体缺陷,2 金属的实际晶体结构,3 金属材料的结构特点,合金,相,组织,本章小结,金属的晶体理想、实际结构金属的结晶与细化铁碳合金相图 各种基本组织如铁素体、渗碳体，珠光 体、莱氏体等。共晶、共析反应。相图中的特征 点、特征线，分析了典型金属结晶过程,1 金属的结晶与细晶强化,复习,2 材料的同素异构现象,1)结晶的过程,2)结晶温度,3)晶核的形成与细晶强化,晶体的同素异构,3 二元合金相图,复习,5 铁碳合金相图,1)二元匀晶相图,2)二元共晶相图,3)二元共析相图,小 结,1 金属的理想晶体结构,固态物质,晶 体,非晶体,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,晶格,晶胞,小 结,点缺陷,线缺陷,面缺陷,晶体缺陷,2 金属的实际晶体结构,3 金属材料的结构特点,合金,相,组织,4 金属的结晶与细晶强化,小 结,5 材料的同素异构现象,1)结晶的过程,2)结晶温度,3)晶核的形成与细晶强化,晶体的同素异构,