2.金属材料组织和性能的控制 单元5 1第二章 金属材料组织和性能的控制2.1 纯金属的结晶凝固：液态L固态S S可以是非晶体。结晶：一种原子排列状态过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。 一次结晶：LS晶态二次结晶：SS晶态一、纯金属结晶的条件1 纯金属冷却曲线液态金属在结晶时的温度时间曲线 过冷度理论结晶温度和实际结晶温度之差。 2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 2T = T0Tn 冷速越快，过冷度越大过冷指液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象。2 纯金属结晶的条件 F TTFF固 F液F= F固F液0 结晶驱动力 自然界的自发过程进行的 热力学条件都是F0只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力F大于 建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。自由能温度2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 33、纯金属的结晶过程2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 4.形核自发形核非自发形核 .长大平面长大树枝状长大结晶过程 2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 52.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 6二、同素异构转变-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc) 139491213941538912-Fe-Fe(fcc）a-FeT时间770 居里点以纯铁为例-Fe(fcc) a-Fe(bcc)铁的体积会膨胀12.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 7纯铁同素异构转变2.金属材料组织和性能的控制 2.1 纯金属的结晶 单元5 8三、晶粒尺寸的控制 （1）晶粒度 单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示 （2）过冷度对形核一长大的影响过冷度T提高，N提高、G提高 过冷T太高，N降低、G降低（3）控制晶粒度的因素提高过冷度变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非 自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。振动，搅拌等2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 1一、合金相图类型 相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相 之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各项 的成分和相对质量不在变化所达到的一种状态。此时 合金系的状态稳定，不随时间而改变。（一）二元合金的结晶2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元62根据结晶过程中出现的不同类型的结晶反应，可把 二元合金的结晶过程分为下列几种类型。1. 发发生匀晶反应应的合金的结结晶2. 发发生共晶反应应的合金的结结晶 如Pb-Sn合金相图图3. 发发生包晶反应应的合金的结结晶 如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相图图4发发生共析反应应的合金的结结晶2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 31. 发生匀晶反应的合金的结晶Cu-Ni相图为典型的匀晶相图，合金发生匀晶反应 ： L,从液相中逐渐结晶出固溶体。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 42. 发生共晶反应的合金的结晶 如Pb-Sn合金相图由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫共晶 反应。生成的两相混合物叫共晶体。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 53. 发发生包晶反应应的合金的结结晶如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相图图包晶反应应：c+ Ld 一种固相和液相结结晶出另外一种固相，发发生包晶反应时应时 三相共存，他们们的成分确定，反应应在恒温下平衡地进进行。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 64发生共析反应的合金的结晶由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此 两相混合物称为共析体。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 7（二）合金的性能与相图的关系1.合金的使用性能与相图的关系固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质的溶入 量越多，晶格越大，合金的强度、硬度越高，电阻越大。合 金的某些性能可按组成相性能依质量分数的关系叠加的办法 求出。例如硬度：HB=HB()+HB()对组织较敏感的某些性能如强度等，与组成相或组织 成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度 越高。但形成化合物时，则在性能-成分曲线上于化合物成 分处出现极大值或极小值。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 82.合金的工艺性能与相图的关系合金的铸造性能与相图的关系：纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中， 铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体 合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合 金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大 ；同时先结晶出的树枝晶阻碍为结晶液体的流动，而降低 其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接 近共晶的成分。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元6 9合金的锻造性能与相图的关系：合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时更是如此，因为他们都很脆。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 1二、 铁碳合金组织（一）、Fe-Fe3C相图的组元 1Fe组元性能特点强度低、硬度低、韧性、塑性好2Fe3C （ Cem， Cm）性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。抗拉强度b=180230MPa延伸率=30 50断面收缩率=70 80ak=1.6 102 10 J/66硬度 50HB80HB抗拉强度b=30MPa硬度 800HB=0=0ak=0（二）、Fe-Fe3C相图中的相和组织2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 21液相L2相 高温铁素体 （C固溶到 Fe中的间隙式固溶体）3相 铁素体F （C固溶到 -Fe中的间隙式固溶体）强度、硬度低、塑性好 （室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4相、A奥氏体 （C固溶到-Fe中的间隙式固溶体） 强度低，易塑性变形5Fe3C性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 36珠光体 P （铁素体和渗碳体的共析混合物）抗拉强度b=770MPa延伸率= 20 35断面收缩率=40 60ak=3 104 10 J/55硬度 180HBA0.77 F0.0218+Fe3C 或A0.77 P0.777277277莱氏体 高温莱氏体 Le（奥氏体和渗碳体的共晶混合物）L4.31148Le4.3低温莱氏体 Le硬而脆，塑性、韧性几乎为零。2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 42.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 5（三）、分析Fe-Fe3C相图2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 92.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元7 102.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 1（三）、分析Fe-Fe3C相图2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 22.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 32.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 4基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类 1工业纯铁，C%F+PPdP+Fe3CII P+Fe3CII+LeLe -Le+Fe3CIIFe3C2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 7F F+P P P+Fe3CII P+Fe3CII+Le Le Le+Fe3CII Fe3C2.含碳量组织HB：取决于相及相对量3.含碳量性能C%HB 强度：C% 0.9% 塑性、韧性：C%塑性、韧性2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 8铁碳合金相图的建立2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶 单元8 9铁碳合金加热冷却转变2.金属材料组织和性能的控制 2.2 合金的结晶