铁碳相图

工程材料与机械制造基础主讲教师-高丽纯金属的结晶1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。2.结晶：物质由液态转变为晶态的过程。3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。因而结晶过程是相变过程。结晶的过冷现象To1.纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台(是由结晶潜热导致)理论结晶温度实际结晶温度•液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。•理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T=T0–Tn•过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。纯金属的结晶过程1、结晶的基本过程：液态金属结晶时，都是首先在液态中出现一些微小的晶体－晶核，它不断长大，同时新的晶核又不断产生并继续长大，直至液态金属全部消失为止。结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.（1）晶核的形成形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。•由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。•以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。均匀形核非均匀形核示意图(2)晶核的长大晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。均匀长大实际金属结晶主要以树枝状长大.这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶（3）金属结晶后的晶粒大小一般来说，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。为了提高金属的力学性能，希望得到细晶组织。3、决定晶粒度的因素晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核的数目；长大速度（G）：晶核单位时间生长的长度N/G越大，晶粒越细小。细化晶粒的途径提高冷却速度、增大过冷度V冷△TN/G晶粒细小变质处理：机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。加入一些细小变质剂，增大形核率，减低长大速率。过冷度对N、G的影响三、合金的结晶合金的结晶也是在过冷条件下形成晶核与晶核长大的过程，但因组元较多，合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。•相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。•根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三元相图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.相图的建立时间温度90705030AB温度A温度温度液相线固相线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。Cu-Ni合金相图1、二元匀晶状态图•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+）。LL+成分（wt%Ni）CuNi液相线固相线二元匀晶状态图(2)合金的结晶过程杠杆定律现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：Kx/x则QL+Q=1QLX+QX/=K解方程组得KXKXQQXXKXXXXKQXXKXXXKXQLααL///////3)枝晶偏析1）定义：由于冷却速度快，造成晶体中晶粒内化学成分不均匀的现象。例如在Cu-Ni合金中，先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。2）缺点：严重降低合金的力学性能和加工工艺性能。3）消除办法：扩散退火3)枝晶偏析Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织枝晶偏析组织2、二元共晶状态图•定义：两个组元在液态完全互溶，但固态只能有限互溶且发生共晶反应，构成的相图为二元共晶相图。如：Pb-Sb、Pb-Sn（1）状态图分析ABPb-Sn合金相图液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点CF线：Sn在Pb中的溶解度线（α相固溶线）DG线：Pb在Sn中的溶解度线（β相的固溶线）（1）状态图分析ABPb-Sn合金相图三个单相区：三个两相区：一个三相区：即水平线CED，L++L、、；L+、L+、+（1）状态图分析共晶反应：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共晶线：水平线CED叫做共晶线，E点为共晶点。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)ABL+CDAB共晶合金:具有共晶成分的合金。亚共晶合金:在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金过共晶合金：位于共晶点以右的合金。1）合金冷却过程分析合金Ⅰ的结晶过程在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。.2温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。由析出的二次用Ⅱ表示。H2）共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程•液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE⇄(C+D)。19.2wt%Sn1’共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶中析出Ⅱ，从共晶中析出Ⅱ，由于共晶组织细，Ⅱ与共晶结合，Ⅱ与共晶结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。Pb-Sn共晶合金组织3)亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成分变化到E点,发生共晶反应。L⇄(+)温度继续下降，将从初生相中不断析出Ⅱ，其室温组织为+(+)+Ⅱ。亚共晶合金的结晶过程④过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为,二次相为Ⅱ室温组织为+(+)+Ⅱ。Pb-Sn合金的结晶过程3、二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。水平线HJB称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LB+Hδ⇄AJ包晶反应:在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应。•共析转变也是固态相变。•最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S⇄P+Fe3C。5具有共析反应的二元相图共析反应(共析转变)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的新固相的过程。PS(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)•共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亚共析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线上共析点以右的合金)。铁碳合金相图•共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。珠光体