1、 南京航空航天大学 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 晶体：晶体：材料的原子（离子、材料的原子（离子、 分子）在三维空间呈规则，分子）在三维空间呈规则， 周期性排列。周期性排列。 非晶体：非晶体：材料的原子（离子、材料的原子（离子、 分子）无规则堆积，和液分子）无规则堆积，和液 体相似，亦称为体相似，亦称为“过冷液体过冷液体” 或或“无定形体无定形体”(amorphous)。 区别区别 (a) 是否具有周期性、是否具有周期性、 对称性对称性 (b) 是否长程有序是否长程有序 (c) 是否有确定的熔点是否有确定的熔点 (d) 是
2、否各向异性是否各向异性 (1) 晶体与非晶体晶体与非晶体 (1)基本概念基本概念 结点结点 (2)晶胞的几何特征描述晶胞的几何特征描述 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 ( (体心立方体心立方) ) ( (体心立方体心立方) ) ( (面心立方面心立方) ) (1)基本概念基本概念 晶胞的体积 积晶胞中原子所占有的体 致密度 (2)体心立方晶格体心立方晶格 %6868. 0 4 3 3 4 2 3 4 2 3 3 3 3 a a a r 致密度 晶胞原子数：晶胞原子数： 28 8 1 1ar 4 3 原子半径：原子半径：配位数：配位数：8 (a)模型模型 (b)晶胞晶胞
3、(d)配位数配位数(c)晶胞原子数晶胞原子数 (3)面心立方晶格面心立方晶格 (a)模型模型 (b)晶胞晶胞 配位数配位数:12 (d)配位数配位数 晶胞原子数：晶胞原子数： (c)晶胞原子数晶胞原子数 46 2 1 8 8 1 原子半径：原子半径：ar 4 2 %7474. 0 4 2 3 4 4 3 4 4 3 3 3 3 a a a r 致密度 (4)密排六方晶格密排六方晶格 晶胞原子数：晶胞原子数： (a)模型模型 (b)晶胞晶胞(c)晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数:12 (d)配位数配位数 632 2 1 12 6 1 原子半径：原子半径： ar 2 1 %7474. 0 633
4、. 1 4 3 6 2 1 3 4 6 4 3 6 3 4 6 3 3 3 a a caa r 致密度 (1)基本概念基本概念 (2)立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 010 O 1 (010) 截距截距 111 ? 取倒数取倒数 111 加圆括号加圆括号 (111) 截距截距 取倒数取倒数 化整数化整数 102 加圆括号加圆括号 (102) 3 2 ? 3 1 111,111 .111,111,111,111 ,111,111,111,111 (3)立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法 Z Y X A 010 O 010 A Z Y X Z Y X B 111 C 011
5、 ? 过原点引直线过原点引直线, 平行于所求晶向平行于所求晶向 对应结点对应结点3个个 坐标值坐标值 加方括号加方括号 011 *指数看特征指数看特征 *正负看走向正负看走向 O O 011 110 (4) 晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 (1)点缺陷点缺陷 (2)线缺陷线缺陷 因局部区域切变而产生的螺型位错因局部区域切变而产生的螺型位错 螺型位错的结构螺型位错的结构 (3)面缺陷面缺陷 晶界示意图晶界示意图 激光烧结铜合金晶粒激光烧结铜合金晶粒/ /亚晶粒亚晶粒 图片出自：图片出自：D. D. Gu, et al. Powder Metallurgy, 2006, 49(3): 2
6、58-264. (1) 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程 晶核晶核枝晶枝晶 晶核的形成晶核的形成 1）自发形核自发形核 从液态内部由金属本身原子自从液态内部由金属本身原子自 发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的 结晶核心叫做自发晶核。结晶核心叫做自发晶核。 2）非自发形核非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过依附于杂质而生成晶核的过 程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自 发晶核。发晶核。 晶体的长大晶体的长大 枝晶长大方式示意图枝晶长大方式示意图 散热散热散热散热 (2) 结晶温度结晶温度 纯金属的冷却曲线纯
7、金属的冷却曲线 恒温、恒压条件下，单位体积的恒温、恒压条件下，单位体积的 液体与固体的自由能之差为：液体与固体的自由能之差为： 式中，负号表示由液态转变为固式中，负号表示由液态转变为固 态自由能降低；态自由能降低；Lm为熔化潜热。为熔化潜热。 体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做 功或向外释放的能量叫自由能。功或向外释放的能量叫自由能。自然界的自发过程自然界的自发过程 进行的热力学条件都是自由能进行的热力学条件都是自由能0。 【结论结论】结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度 【可见可见】过冷度越大，结晶
8、驱动力就越大；过冷度为过冷度越大，结晶驱动力就越大；过冷度为0，Gv也也 为为0，没有驱动力，结晶不能进行。过冷度用来克服界面能。，没有驱动力，结晶不能进行。过冷度用来克服界面能。 m m V T TL G 激光烧结铜合金的枝晶组织激光烧结铜合金的枝晶组织 图片出自：图片出自：D. D. Gu, et al. Journal of Alloys and Compounds, 2007, 438: 184189. 激光烧结不锈钢的激光烧结不锈钢的 枝晶组织多样性枝晶组织多样性 图片出自：潘琰峰图片出自：潘琰峰. 南京航空航天南京航空航天 大学硕士学位论文大学硕士学位论文, 2005. 晶粒细化晶
9、粒细化: : 粒的大小取决于粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。 l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率形核率(N)。 l单位时间内晶核生长的长度叫单位时间内晶核生长的长度叫长大速度长大速度(G)。 l N/G比值越大，晶粒越细小。比值越大，晶粒越细小。 提高过冷度提高过冷度 过冷度过冷度 T， N（形核速率），（形核速率）， G（长大速率），（长大速率）， N/G增大，增大， 晶粒越细小。晶粒越细小。 过冷度对过冷度对N、G的影响的影响 Fe基形状记忆合金显微组织基形状记忆合金显微组织 图片出自：王河廷图片出自：王河廷.
10、南京航空航天南京航空航天 大学硕士学位论文大学硕士学位论文, 2007. 变质处理变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶 核的核心，以细化晶粒和改善组织。核的核心，以细化晶粒和改善组织。 振动，搅拌等振动，搅拌等 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠 外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成 长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。 4 m 不同不同La2O3含量下激光烧结试样含量下激光烧结试样 腐蚀后的显微组织腐蚀
11、后的显微组织 图片出自：图片出自：D. D. Gu, et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 095308 (1)铸锭三区铸锭三区 表层细晶区表层细晶区（强过冷（强过冷, ,非均匀形核）非均匀形核） 柱状晶区柱状晶区（纯金属纯金属: :过冷度减小过冷度减小, ,形核困难形核困难, ,沿散热方向生长沿散热方向生长; ; 合金合金: :成分过冷成分过冷, ,一次轴发达一次轴发达, ,沿散热方向生长。沿散热方向生长。） 中心等轴晶区中心等轴晶区（均匀散热、液相区均匀散热、液相区 成分过冷、熔体对流成分过冷、熔体对流 导致细晶漂移或枝晶导致细晶漂移或枝晶 破碎
12、。破碎。） 1 2 3 (2) 组织控制组织控制 受浇铸温度、冷却速度、受浇铸温度、冷却速度、 化学成分、变质处理、化学成分、变质处理、 机械振动与搅拌等因素影响。机械振动与搅拌等因素影响。 (3) 铸锭缺陷铸锭缺陷 宏观偏析宏观偏析: :整个铸锭范围内的成分不均匀现象。整个铸锭范围内的成分不均匀现象。 微观偏析微观偏析 夹杂与气孔夹杂与气孔 夹杂：外来夹杂和内生夹杂。夹杂：外来夹杂和内生夹杂。 气孔：析出型和反应型。气孔：析出型和反应型。 缩孔和疏松缩孔和疏松 形成：形成：凝固时体积缩小补缩不足形成缩孔。凝固时体积缩小补缩不足形成缩孔。 分类：分类：集中缩孔集中缩孔（缩孔、缩管）和（缩孔、缩
13、管）和分散缩孔分散缩孔 （疏松，枝晶骨架相遇，封闭液体，造成补缩困难（疏松，枝晶骨架相遇，封闭液体，造成补缩困难 形成。）形成。） 南京航空航天大学 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2-1 固态合金中的相结构 组织 相1： Ni 相2： Cu-10Sn 明显的分界 合金 组元1：Cu 组元2：Sn 图片出自：胥橙庭,沈以赴,顾冬冬. 稀有 金属材料与工程, 2005, 34: 341-344. 按照合金中组元原子的存在方式，合金可分为两 类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。 (1) 固溶体 组元通过溶解形成一种成分和性能均
14、匀的、且结构与组元之一相同的固相称为 固溶体A（B）。 A：溶剂；B：溶质。 固溶体的分类 无序固溶体 有序固溶体 分布有序度 无限固溶体 有限固溶体溶解度 原子半径较小 间隙固溶体 晶格类型相同，原子半径相差不 大，电化学性质相近 置换固溶体 溶质原子 的位置 置换固溶体示意图 间隙固溶体示意图 溶质原子溶入晶格畸变位错运动阻力上升金属塑性变 形困难强度、硬度升高。 形成固溶体时的晶格畸变 图片出自：W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu. Nitriding Iron at Lower Temperatures. SCIENCE 29
15、9 (2003) 686-688. 固溶强化 SCIENCE 纳米化表层 (10m) Fe N2 -Fe23N相(颗粒) 固溶强化 正常价化合物 l周期表上相距较远、电化学性质相差较大的两元素容易形成正常价化合物。其特 点是符合一般化合物的原子价规律，成分固定，并可用化学式表示。如Mg2Pb、 Mg2Sn、Mg2Si、MnS，SiC等。 l正常价化合物具有高的硬度和脆性。当其在合金中弥散分布于固溶体基体中时， 将起到强化相的作用，使合金强化。 SiC-particulate reinforced Al metal matrix composite (MMC) Ni-P/SiCCo-P/SiC
16、图片出自：Ewa Rudnik. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 2584. 电子化合物 l电子化合物是由第族或过渡族元素与第至第族元 素结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓 度规律。 l电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的 比值。 l电子化合物具有高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只 能作为强化相存在于合金（特别是有色金属合金）中。 l电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2 时，晶体结构为体心立方晶格，称为相；电子浓度为 21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为相；电子浓 度为7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为相 (Epsi
17、lon)。 间隙化合物 l间隙化合物是由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素 形成的金属化合物。 l根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同，可将间隙化合物分为两类： l(A) 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格结构的间隙化合物。 如： lM4X (Fe4N)、 lM2X (Fe2N、 W2C)、 lMX (TiC、VC、TiN)等。 VC的结构 VC面心立方晶格，V原子占 据晶格正常位置，而C原子规 则分布在晶格的空隙之中。 这类化合物还可相互溶解，结构相同的两种 化合物之间甚至可以形成无限互溶，如ZrC- TiC，TiC-VC，ZrC-NbC。 间隙相具有
18、极高的熔点、硬 度和脆性，而且十分稳定， 是高合金工具钢的重要组成 相，也是硬质合金和高温金 属陶瓷材料的重要组成相。 抛光 WC 断口 WC 抛光 WC-1VC 断口 WC-1VC 抛光 WC-4VC抛光 WC-12VC 图片出自：S.G. Huang. Int. J. Refractory Metal Hard Mater. 26 (2008) 256. 纯Ti表面合成TiC-ZrC涂层 图片出自：D. Ferro. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 1455. l(B)具有复杂结构的间隙化 合物 l如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C称渗碳体， 是
19、钢中重要强化相，具有复杂斜方晶格。 Fe3C的晶格 类型类型简单结构间隙化合物简单结构间隙化合物复杂结构间复杂结构间 隙化合物隙化合物 化学式化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23 C6Fe3 C 硬度硬度 HV 28502840201020501550173014801650800 熔点熔点/30803472 20 26503680 50 39802785 5 252715771227 钢中常见间隙化合物的硬度及熔点 组元：组成合金的独立的最基本的单元。一般是一种元素（如Pb-Sn合金中的 Pb和Sn） 或一种稳定的化合物（如Fe3C） 。 合金系： 由两个或两个以上组元按不同
20、比例配制成的一系列不同成分的合金 （如Pb-Sn系，Fe-Fe3C 系） 。 相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图。 2-2-1 名词涵义 Cu-Ni相图 相图的意义：分析合金组织的重要参考 资料；制定热加工工艺的重要依据。 Cu-Sn相 图 现代激光加工工艺中涉及的 冶金机理 借助传统合金相图作合理解释 2-2-2 相图的建立 ：纯铜 ：75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯Ni 金属和合金在冷却到该温度时发生了 冷却速度的突然改变。【原因】金属 和合金在结晶（相变）时有结晶潜热 释放，抵消了部分或全部热量的散失。 结晶开始 结晶中了 C
21、u-Ni合金匀晶相图 点：A，B 线： 液相线 固相线 区：L L+ 匀晶相图合金的结晶过程 QLQa QLab= Qa bc 杠杆定律 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。 杠杆定律与力学比喻 QLQa bc ab Q Q %L %a L a 【证明】 Q合金，其中Ni含量b%；T1温度时，L相中Ni质量分数a%， a相中Ni质量分数c%。 Q0 b%=QL a% + Qa c% 又因为 Q0=QL+Qa 所以 （QL+Qa ） b% = QL a% + Qa c% bc ab bc ab Q Q L a Q0合金总质量，QL液相质量，Qa固相质量。 ac ab a
22、 Q Q ac bc L Q Q %,% 0 a 0 L 实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于当冷却速度较大，特别是存在有杂质 时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，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。 2-3-4 非平衡结晶与固溶强化 金属的树枝晶 金属的树枝晶 金属的树枝晶 冰的树枝晶 固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不 能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。 一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结 晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒 内化学成分的分布不均，这种现
23、象称为枝晶偏析。 消除枝晶偏析的方法采用扩散退火（或均匀化退火）。 性能不均匀 成分不均匀 组织不均匀 富Ni区 富Cu区 这种由一种液相在恒温下同时结晶 出两种固相的反应叫做共晶反应。 所生成的两相混合物叫共晶体。水 平线ced为共晶反应线。 dc L 组元: Pb，Sn 相: L， （是Sn在Pb中的有限固溶体； 是Pb在Sn中的有限固溶体） 点、线：a，b，c，d，e 液相线 ： aeb 固相线 ： acedb 共晶反应线：ced，在共晶温度发生共晶反应，转变过程中 是三相（L， ）共存。 溶解度线：cf ， Sn在相中的溶解度线，或称相的固溶线； 固溶体中Sn 的溶解度极限曲线； dg
24、 ， Pb在相中溶解度线，或称相的固溶线； 固溶体中Pb的溶解度极限曲线。 共晶相图：两组元液态时彼此无限 互溶，固态下彼此部分固溶，并发 生共晶转变的合金系形成的相图。 相区： 三个单相区： L、（、是有限固溶体） 三个双相区： L+、 L +、 + 三相区： L+（水平线） 共晶体： 共晶反应产生共晶体（+）。 (1)合金IV的平衡结晶过程 温度降低，固溶体溶解度下 降。从固态相中析出富Sn 的相称为二次，常写作。 这种二次结晶可表示为 。 由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫 二次析出反应或脱溶过程。 2-4-2 典型合金的结晶过程 0 1 2 3 4 匀晶不变析出 富Sn的相
25、在冷却过程中， 当超过其固溶度时，会析出 低Sn的相，。 室温组织：+II 合金IV冷却曲线及结晶过程 二次相通常沿初生相 的晶界析出，也可在 晶内沿缺陷处析出。 运用杠杆定律，两相的质量分数： 合金IV室温组织由和两相组成。 ）或%1%( %100% %100% II 4 II 4 fg fx fg gx （ 共晶合金） Le c + d 合金室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍 为和两相。 (2)合金I的平衡结晶过程 共晶合金组织的形态 ( 机械混合物，两相 交替分布，黑色片层 为富Pb的相，白色 基体为富Sn的相） 室温时： 合金的室温组织为共晶体, 即只
26、含一种组织组成物; 其 组成相仍为 和 相。 共晶转变温度时： 相组成物， cd ce cd ed , 共晶转变温度以下： 共晶体中和二次结晶, 从 中析出II, 从 中析出II。成分由 cf, 成分由 d g。两种相的相对重量依杠杆定律变化。 II和II 同和相连在一起, 共晶体形态和 成分不发生变化。 （亚共晶合金） 结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应+二次结晶反应。 L初+L 初+（c+d) 初+II+（+） 【共晶组织中二次相的析出忽略】 合金室温组织：初生+(+)，合金组成相：和。 (3)合金II的平衡结晶过程 PbSn亚共晶组织 黑色斑状组织（三维形态 为粗大树枝晶）为初生相
27、 共晶组织(+) 二次相 室温下，组成相(，)质量分数： %100% 3 fg gx %100% 3 fg fx 组织组成物质量分数： 在共晶温度时 %100 2 %L %100 2 ce c ce e 初 室温下 初生+(+)， 次生相与初生相成分和 结构完全相同，是同一种 相；但形貌特征、分布完 全不同，属于两种组织。 %100 2 % ce c %100 2 % II ce e fg fc fg fc 初 %100 2 % ce e fg gc fg gc 初初 位于共晶点e点右侧和d点以左的合 金称为过共晶合金。 (4) 合金III的平衡结晶过程 （过共晶合金） 合金III结晶过程与合
28、金II相似，只是 匀晶产物为初晶，二次结晶产物为 。 室温组织为 +（+ ）+ 。 组织标注相图 填写组织组成物的PbSn相图 2-4-3 时效强化 当次生相以细小粒状形式分布在较软的固溶体基体上时，由 于次生相对位错运动的阻碍作用，使材料的强度提高的现象称 沉淀强化。 由于固溶处理时抑制了过饱和固溶体的析出过程，形成溶质 原子富集区，引起固溶体畸变，使位错运动受到阻碍，从而提 高了强度。随时间的延长作用强化效果进一步提高，所以称为 时效强化。 T固溶体的溶解度 脱溶转变析出沉淀相 T固溶体的溶解度 次生相来不及析出过饱和固溶体 冷却速率足够缓慢 快冷 固溶处理 2-5-1 二元共析相图 在二
29、元合金中，若合金冷却到固态时，还能发生由一个固相同 时分解形成两个新的固相，这种相图叫共析相图。此两相混合 物称为共析体。 与共晶反应不同点： 1）共析反应是固态反应，原子的扩散困难，组织更细。 2）因母相与子相的比容不同，反应后易引起较大的内应力。 具有共析反应的二元合金相图 2-5-2 包晶反应的合金相图 PtAg合金相图 包晶L+ 匀晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+ 二元合金两相平衡时，两相成分均随温度而变化。其具体数 值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定。温度变化 时，两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化。 二元相图的三相平衡区是一条水平线。它与三个单相区均以 点接触。从三个
30、单相区的相互位置，可以判断三相平衡的性 质。 分析复杂相图时，首先要弄清单相区，然后找出三相区、三 相点，再弄清三相平衡转变类型。 牢记：两个单相区之间必有一个由这两相组成的两相区隔开， 而不能以一条直线接界；两个两相区之间必须以一个单相区 或三相区隔开。相区接触法则：相图中相邻相区相数之差均 为1（点接触除外）。 二元合金相图小结 合金性能取决于其成分和组织，而相图表明不同成分合金在室 温下的平衡组织，合金性能与相图之间存在一定联系。 2-6-1 合金的使用性能与相图的关系 匀晶相图： 溶质元素晶格畸变大强度、硬度，电阻率 共晶相图： 在单相区与匀晶相图相同。复相组织区（如共晶转变范围），
31、合金的强度、硬度和物理性能随成分的变化呈直线关系，大致 是两相性能的算术平均值。HB=HB % + HB % 对组织较敏感的性能（强度），与组成相或组织组成物的形态 关系密切。组成相或组织组成物越细密，强度越高。 共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度达最 高值。 2-6-2 合金的工艺性能与相图的关系 (1) 铸造性能 液态合金的流动性以及产生缩孔、缩松和偏析倾向等。 液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好 有利于浇注。 液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性愈差， 形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。 因此铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择 结晶
32、温度间隙最小的成分。这种成分合金流动性好，易形成 集中缩孔，铸件致密，铸造性能最好。 (2)锻造、轧制性能 单相固溶体合金变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性、 韧性好，所以共晶线两侧的合金适合于锻压。单相固溶体的 硬度较低，切削加工性较差。 南京航空航天大学 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 3-1 铁碳合金的组元分析铁碳合金的组元分析 (1) 纯纯Fe组元组元 -Fe (bcc) -Fe (fcc) -Fe (bcc) 同素异构转变同素异构转变 韧性、塑性好韧性、塑性好; 强度低、硬度低。强度低、硬度低。 912 1394
33、 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 ( (体心立方体心立方) ) ( (体心立方体心立方) ) ( (面心立方面心立方) ) 1583 (2) 渗碳体渗碳体( Fe3C) 具有复杂结构的间隙化合物，具有复杂结构的间隙化合物，Fe原子与原子与C原子原子 之比之比3：1。 Fe3C熔点高（熔点高（1227），），不发生不发生同素异晶转变。同素异晶转变。 Fe3C硬而脆硬而脆，塑性、韧性几乎为零。，塑性、韧性几乎为零。 室温平衡状态下，铁碳合金中的碳大多以室温平衡状态下，铁碳合金中的碳大多以Fe3C 形式存在。形式存在。 3-2 Fe-Fe3C相图分析相图分析 3-2-1 五
34、个基本相五个基本相 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D Fe Fe3C C% Fe-Fe3C五个基本相之一 (1) 液相液相L 液相液相L是铁与碳的液溶体。是铁与碳的液溶体。 (2) 相相 碳在碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶中的间隙固溶体，呈体心立方晶 格，在格，在1394以上存在。以上存在。 称为称为固溶体，又称固溶体，又称高温铁素体高温铁素体。 碳在碳在-Fe中的最大溶解度为中的最大溶解度为1495时的时的 0.09%（H点点）。）。 Fe-Fe3C五个基本相之二 Fe-Fe3C五个基本相之三
35、(3) 相相 碳在碳在-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方中的间隙固溶体，呈面心立方 晶格。晶格。 常称常称奥氏体奥氏体，用符号，用符号A表示表示. 奥氏体中碳的固溶度较大，在奥氏体中碳的固溶度较大，在1148时时 碳溶量最大达碳溶量最大达2.11%（E点点）。）。 奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑 性变形。性变形。 (4) 相相 n碳在碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方中的间隙固溶体，呈体心立方 晶格。晶格。 n也称也称铁素体铁素体，用符号，用符号F 或或表示。表示。 n碳在碳在-Fe中的最大溶解度为中的最大溶解度为727时的时的 0.0218%（P点点）。
36、）。 n 强度、硬度低；塑性好。强度、硬度低；塑性好。 Fe-Fe3C五个基本相之四 (5) Fe3C相相 是一个是一个化合物相化合物相，渗碳体根据生成条件不，渗碳体根据生成条件不 同有条状、网状、片状、粒状等形态，是同有条状、网状、片状、粒状等形态，是 钢中主要的强化相，对铁碳合金的力学性钢中主要的强化相，对铁碳合金的力学性 能有很大影响。能有很大影响。 由于由于Fe3C是是稳定化合物稳定化合物， Fe3C相区在碳的相区在碳的 质量分数为质量分数为6.69%的成分垂线上（的成分垂线上（DFK）。）。 Fe-Fe3C五个基本相之五 S P N J H G E C B A + Fe3C + +
37、L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 3-2-2 特性点特性点 【A点点】 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【B点点】 A S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【C点点】 Fe C S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【D点点】 Fe
38、C的熔点。的熔点。 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【E点点】 Fe中的最大溶解度。中的最大溶解度。 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【G点点】 Fe -Fe同素异构转变。同素异构转变。 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【H点点】 Fe中的最大溶解度。中的最大溶解度。
39、S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【J点点】 LB + HAJ S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【N点点】 -Fe -Fe同素异构转变点。同素异构转变点。 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【P点点】 碳在碳在-Fe中的最大溶解度。中的最大溶解度。 S P N J H G
40、E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% 【S点点】 共析点，共析点， ASFP+Fe3C S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D FeFe3CC% Q 【Q点点】 600-Fe中的溶解度。中的溶解度。 （室温，（室温， -Fe中的溶解度）中的溶解度） (1) 三条水平线三条水平线(三个重要点三个重要点) 3-2-3 特性线特性线 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe
41、3C K F D Fe Fe3C C% Q 【线线1】 包晶点包晶点J与包晶转变线与包晶转变线HJB 1495 ，C%=0.17 LB+HAJ 即即 L0.53+ 0.09 A0.17 包晶反应生成碳在包晶反应生成碳在-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体， 即奥氏体组织，用即奥氏体组织，用A表示。表示。 碳的质量分数碳的质量分数0.09%0.53%的铁碳合的铁碳合 金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D Fe Fe3C C% Q 【线线2】
42、共晶点共晶点C与共晶转变线与共晶转变线ECF 1148 ，C%=4.3%， LC AE + Fe3CF （共晶渗碳体）（共晶渗碳体） L4.3 A2.11+Fe3C6.69 共晶反应产物是奥氏体共晶反应产物是奥氏体(A)与与渗碳体渗碳体(Fe3C) 的机械混合物，称为的机械混合物，称为莱氏体莱氏体组织组织(Ld)。 碳的质量分数在碳的质量分数在2.11%6.69%间的铁碳合间的铁碳合 金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D Fe Fe3C
43、 C% Q 【线线3】 共析点共析点S与共析转变线与共析转变线PSKA1线线 727 ，C%=0.77% AS FP+Fe3C（共析渗碳体）（共析渗碳体） A0.77 F0.0218+Fe3C 共析反应产物是共析反应产物是铁素体铁素体与与渗碳体渗碳体的机械混合物，的机械混合物， 称称珠光体珠光体，以，以P表示。表示。 在显微镜下珠光体形态呈片状。在放大倍数很高在显微镜下珠光体形态呈片状。在放大倍数很高 时，可清楚看到相间分布的渗碳体片时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）（窄条）与与 铁素体铁素体（宽条）（宽条）。珠光体的强度较高，塑性、韧。珠光体的强度较高，塑性、韧 性和硬度介于性和硬度介
44、于Fe3C和和F之间。之间。 碳的质量分数碳的质量分数0.0218%6.69%的铁碳合金，在的铁碳合金，在 平衡结晶过程中均发生共析反应。平衡结晶过程中均发生共析反应。 PSK线亦称线亦称A1线。线。 (2) 液固相线 固相线固相线AHJECF S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D Fe Fe3C C% Q 液相线液相线ABCD (3) 溶解度线溶解度线 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D Fe Fe3C C% Q 【ES
45、线线】 ES线线：碳在奥氏体：碳在奥氏体A中的固溶线中的固溶线Acm 1148 ，2.11%（E）； 727 ，0.77% （S） 碳的质量分数大于碳的质量分数大于0.77%的铁碳合金自的铁碳合金自 1148冷至冷至727的过程中，将从的过程中，将从A中析出中析出 Fe3C，称为，称为二次渗碳体二次渗碳体（Fe3C ）。 ）。 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D Fe Fe3C C% Q 【PQ线线】 PQ线线：碳在铁素体：碳在铁素体F中的固溶线中的固溶线 727 ，0.0218% 室温，室温，0.0008
46、%。 铁碳合金自铁碳合金自727冷至室温的过程中，将从冷至室温的过程中，将从 F中析出中析出Fe3C，称为，称为三次渗碳体三次渗碳体（Fe3C ）。 ）。 Fe3C 数量极少，往往予以忽略。 数量极少，往往予以忽略。 (4) GS线线A3线线合金冷却时自奥氏体合金冷却时自奥氏体A中开始析中开始析 出铁素体出铁素体F的开始线；的开始线；或者或者，加，加 热时热时F溶入溶入A的终了线。的终了线。 S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C + Fe3C K F D Fe Fe3C C% Q 3-3 铁碳合金平衡结晶分析铁碳合金平衡结晶分析 3-
47、3-1铁碳合金的分类铁碳合金的分类 根据根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为相图，铁碳合金可分为三类三类： (1) 工业纯铁工业纯铁wc 0.0218% (2) 钢钢0.0218% w c 2.11% (3) 白口铸铁白口铸铁2.11% wc 6.69% 工业纯铁室温平衡组织为工业纯铁室温平衡组织为铁素体铁素体（F），呈白色），呈白色 状。强度低、硬度低，不宜用作结构材料。状。强度低、硬度低，不宜用作结构材料。 钢的共同特点：高温下都有塑性良好的钢的共同特点：高温下都有塑性良好的奥氏体奥氏体 （A）组织，适合于压力加工。组织，适合于压力加工。 白口白口铸铸铁因为在高温时都有脆性的铁因为在高温
48、时都有脆性的共晶莱氏体共晶莱氏体， 所以不能进行锻压；但共晶成分合金的流动性好，所以不能进行锻压；但共晶成分合金的流动性好， 适合于铸造。适合于铸造。 3-3-2 典型合金的结晶典型合金的结晶 (1) 工业纯铁工业纯铁 工业纯铁工业纯铁 wc 0.0218% S P N J H G E C B A + Fe3C + + L+ + L+ L L+ Fe3C K F D Fe Fe3C Q wc=0.01% 1 2 3 4 5 6 7 匀晶转变匀晶转变 同素异构转变同素异构转变 同素异构转变同素异构转变 三次渗碳体三次渗碳体 Fe3CII Fe3CIII 相组成物：相组成物： Fe3C ；F 相相
49、对量：相相对量： 组织组成物：组织组成物：F（等轴晶）和（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）（小片状） %100 0008. 069. 6 69. 6 %F x %100 0008. 069. 6 0008. 0 %CFe3 x 工业纯铁组织金相图工业纯铁组织金相图 (2) 共析钢共析钢 wc=0.77% 1 2 3 匀晶转变匀晶转变 共析转变共析转变 相组成物：相组成物：F和和Fe3C 组织组成物组织组成物 ： P (层片状层片状) 100% %88%100 69. 6 77. 069. 6 %F %12%88%100%CFe3 共析钢金相共析钢金相组织组织图图 (3)亚亚共析钢共析钢(0.
50、0218%C%0.77%) wc=0.45% 【简化处理简化处理】不考虑包晶反应。不考虑包晶反应。 1以上以上1223 3444 相中析相中析 出出相相 共析反应：共析反应： 铁素体铁素体 Fe3C 先共析铁素体先共析铁素体先共析先共析FP 亚共析钢组织金相图亚共析钢组织金相图 先共析铁素体先共析铁素体 珠光体珠光体 相组成物相组成物：F，Fe3C 相相对量：相相对量： 组织组成物：组织组成物：F、P %100 69. 6 69. 6 %F 1 x %100 69. 6 0 %CFe 1 3 x %100 0218. 077. 0 0218. 0 %P 1 x %P1%F (4) 过共析钢过共
