第二章 钢中的相组成
钢的基本相
钢的基本相钢是一种由铁与碳及其他元素组成的重要金属材料。
它是工业中广泛使用的材料之一，具有高强度、耐热、耐磨、抗腐蚀等优良性能，广泛应用于建筑、桥梁、汽车、船舶、家电等领域。
钢的基本相指的是钢在不同温度下的晶体结构。
钢是通过调整铁中的碳含量来制备的。
一般来说，碳含量小于2%的铁合金称为钢，碳含量超过2%的则被称为铸铁。
钢中的碳含量对其性质产生着重要的影响。
在不同的碳含量下，钢的基本相也会发生改变。
从晶体结构上来看，钢可以分为立方晶系和非立方晶系两大类。
立方晶系钢又可以分为面心立方（fcc）和体心立方（bcc）钢。
非立方晶系钢包括六方晶系钢和正交晶系钢。
在常温下，钢的基本相为体心立方。
这种结构下，每个原子之间存在12个最近邻原子，原子之间的排列比较紧密。
当温度上升时，钢会发生相变，从体心立方结构转变为面心立方结构。
这种结构下，每个原子之间存在6个最近邻原子，整体结构相对松散。
除了碳含量，温度的升高也会对钢的基本相产生影响。
在高温下，钢会发生不同的相变，其中比较重要的是奥氏体相和铁素体相。
奥氏体相是指高温下的面心立方钢，其具有良好的塑性和韧性。
铁素体相是指高温下的体心立方钢，在高温下具有较好的热稳定性。
另外，碳含量和温度不仅影响钢的基本相，还对其组织和性能产生重要影响。
例如，碳含量越高，钢的硬度和强度越大，但塑性和韧性相对降低。
温度的升高对钢的韧性和塑性有利，但会降低其强度。
总的来说，钢的基本相决定了其结构和性能。
通过调整碳含量和控制温度，可以制备出不同类型的钢，以满足不同领域对材料性能的需求。
钢的基本相研究对于钢的合金设计和应用具有重要意义，也为钢的发展提供了理论基础。
钢铁中常见的金相组织
钢铁中常见的金相组织1.奥氏体－碳与合金元素溶解在γ-fe中的固溶体，仍保持γ-fe的面心立方晶格。
晶界比较直，呈规则多边形；淬火钢中残余奥氏体分布在马氏体间的空隙处2.铁素体－碳与合金元素溶解在a-fe中的固溶体。
亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。
3.渗碳体－碳与铁形成的一种化合物。
在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状。
过共析钢冷却时沿acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状。
铁碳合金冷却到ar1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。
4.珠光体－铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。
珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。
过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。
在a1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。
在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。
在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。
5.上贝氏体－过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间。
过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，其典型形态是一束大致平行位向差为6~8od铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。
若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。
材料科学基础课后习题答案
《材料科学基础》课后习题答案第一章材料结构的基本知识4. 简述一次键和二次键区别答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。
其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。
一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。
二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。
二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。
6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？答：材料的密度与结合键类型有关。
一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。
相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。
共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。
9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。
答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。
即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。
两相组织是指具有两相的组织。
单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。
晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。
单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。
等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。
对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。
如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。
如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。
第二章 铁碳合金相图
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四、珠光体（P）
定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：
0.77%）
性能：σ b≈750MPa
40J/cm
2
HBS=180
δ ≈20%～25%
ak=30～
综合性能
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五、莱氏体（P）
定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%）
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四、实际金属的晶体结构
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四、实际金属的晶体结构
位错密度： （1）单位体积中位错线的总长度， ρ＝ ΣL / V 式中：ρ 为位错密度, 单位为m-2，ΣL 为位错 线总长度, 单位为m, V为体积, 单位为m3。 （2）晶体强度与位错密度的关系。 （3）位错观察：浸蚀法、电境法。
晶粒大小及其控制
细晶强化的基本原理 ↑v形核， ↓v长大 细晶强化的方法 -- 增大过冷度∆T (中、小型零件) ↑形核率， ↓v长大 -- 变质处理 ↑形核率 -- 震动、搅拌结晶 ↓v长大， ↑形核率
金属晶粒愈细小，力学性能愈好！
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三、金属的同素异晶转变
金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变
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四、实际金属的晶体结构 •点缺陷
产生原因：由于原子热振动造成的。 过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。 结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀， 置换原子可引起收缩或膨胀。） 性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）力学性能（屈服强 度提高。）
02 碳钢
温 度 T
Ｔ1
Cu
wNi%
xL
44
xα
Cu-Ni系合金是一种无限固溶体
Cu
wNi%
Ni
Cu
wNi%
x
Ni
45
设 T1 温度下 I 合金的总质量为 M，液、固相质量分别 为ML和Mα，则有：
二、Fe-Fe3C相图分析
M L M M M L xL M x M x
第二章
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碳钢
碳钢： 以 铁 和 碳 两种元素为主要成分的合金 纯铁的组织和性能 铁碳合金中的相和组织组成物 Fe-Fe3C相图 杂质元素对钢性能的影响 钢锭的组织和缺陷 压力加工对钢组织和性能的影响 碳钢的分类和牌号及用途
1
第一节 纯铁的组织和性能 一、纯铁的结晶
结晶：物质由液体变成晶体的过程
BCC FCC
铁(-Fe)、钨(W) 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钒(V)等 铝 (Al) 、铜 (Cu) 、银 (Ag) 、金 (Au) 、 镍(Ni)、铅(Pb)、铁(－Fe)等 钛(Ti)、锆(Zr)、镁（Mg)、锌(Zn)等
90% 的 金 属 具 有 下述三种晶体结 构之一
HCP
晶体结构与材料性能： （一般规律）面心立方的金 属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。
奥氏体的晶体结构 — fcc 奥氏体的最大固溶度 — 2.11% (1148℃)
30
4. 固溶强化 5. 铁素体和奥氏体的力学性能特点
（与纯铁相比)
形成置换固溶体 间隙固溶时的晶格畸变
二、铁和碳形成化合物 — 渗碳体 Fe3C 1. 渗碳体的晶体结构 晶体结构 复杂 正交 熔点高 1227℃
第二章钢中奥氏体的形成
钢中奥氏体的组织特征
理论上，单位晶胞中含有4个Fe原子和4个碳原子， 其原子百分比为50%，重量百分比为10%。
实际上，奥氏体中最大含碳量为2.11%（重量）， 原子百分比为10%，即2.5个晶胞中有一个碳原子。
温度升高，扩散系数增大； 温度升高，Cγ/α与Cα/γ之差减小，
奥氏体形核所需的碳浓度起伏减小； 奥氏体形成温度升高，对于形成细
小的奥氏体晶粒是有利的。
I
C
exp
Q W kT
忽略应变能时：
W
3
A Gv2
奥氏体形成动力学
2. 长大速度G：
根据扩散定律可以导出奥氏体形成过程中相界面的推移速度
奥氏体形成动力学
原影始响组奥织氏越细体，形奥成氏速体度的因素：
形核部位增多，碳原子扩
散距离减小，加速奥氏体
的形成。 片状珠光体比粒状珠光
加热温度
体的相界面大，渗碳体呈
薄片状，易于溶解，加速
奥氏体形成。
加热温度越高， 奥氏体起始晶粒细化。 在铁素体消失的瞬间， 剩余碳化物量增多。
原始组织
PA
钢中碳含量
奥氏体形成温度升高时，I和G 均增大，因此，奥氏体形成速度 随形成温度的升高而单调增大。
奥氏体形成动力学
共析碳钢奥氏体等温形成动力学曲线
奥氏体形成动力学
从上两图可以看出： 在高于Ac1温度加热保温时，奥氏体并不是立即形成，而是 经过一定的孕育期后才开始形成，且温度越高，孕育期越短； 奥氏体开始形成速度较慢，当奥氏体量为50%时最快，以后又 逐渐减慢； 加热温度越高，奥氏体形成速度越快； 在珠光体中铁素体全部转变为奥氏体后，还需要一段时间来溶 解碳化物和奥氏体均匀化；
第2章合金的相结构与二元合金相图
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
吉林大学金属材料学课后题答案
5、简述低碳马氏体的强韧化途径 答：低碳 M 锻轧后空冷： B+M+F； 锻轧后直接淬火并回火： 低碳回火 M。 低碳回火 M 具有高强度高热性 和高的疲劳强度。 强韧化途径： 1 低碳加入 Mo、 Nb、 V、 B 等与合理含量的 Mn 和 Cr 配合。 2 提高淬透性加入 Nb 微合 金元素细化晶粒。 6、请介绍调质钢的成分特点和常规热处理工艺 答：成分特点：中碳，碳含量一般在 0.3%—0.5% 2 合金元素：主加合金元素：CrMnSiNi；辅加合金元素： Mo W V Ti Al B 等 常规处理工艺：1，预备热处理：合金含量较少时，一般采用在Ac3线以上加热进行正火。合金含量较多 时， 一般采用在Ac3线加热进行正火，随后再进行一次高温回火. 2，最终热处理：Ⅰ ，淬火：将钢件加热 至Ac3线以上进行淬火。Ⅱ ，回火。Ⅲ，表面处理。 7、列举出常用调质钢的典型钢号， 说明合金元素在调质钢中的主要作用？ 答： 合金调质钢按淬透性高低可分为低， 中， 高淬透性三类。 （1） 低淬透性合金调质钢： 40Cr、 40CrV、 40MnB、 40MnV、 38CrSi、 40MnVB 等 （2） 中淬透性合金调质钢： 35 CrMo、 40 CrMn、 40 CrNi、 30 CrMnSi 等 （3） 高淬透性合金调质钢： 37 CrNi3A、 40 CrMnMo、 40CrNiMoA、 25Cr2Ni4WA 等。 合金元素 的主要作用： 1、提高淬透性； 2、Cr、 Mn、 Si、 Ni 溶于 α 相， 起固溶强化作用；3、 Cr、 Mo、 W、 V 等 阻碍α 相的再结晶， 也可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大， 使钢保持高硬度。 4、加入 Mo、 W 来防 止回火脆性。 5、V、 Ti、 Al 起细化晶粒的作用。 6、C： 是降低调制钢冲击韧性的元素， P： 对冲击韧性 危害甚大
2.第二章建筑钢材全解
课后思考
从新进货的一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做 拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为 42.4 kN，41.5 kN；抗拉极限荷载分别为62.0 kN，61.6 kN,钢筋公称直径为12 mm，标距为 60 mm，拉断时长度分别为66.0 mm，67.0 mm。计算该钢筋的屈服强度，抗拉强度及伸长 率。
（三）按冶炼时脱氧程度分类
钢按冶炼时脱氧程度可分为镇静钢、特殊镇 静钢、沸腾钢和半镇静钢。
钢材的化学成分
1、碳(C) — 决定钢材性能的主要元素 含碳量的影响 随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度相应 提高，而塑性和韧性相应降低。 当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始 下降。 含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感 性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。
此外，钢材在温度高于723 ℃时，还存在奥 氏体。奥氏体为碳在γ -Fe中的固溶体，溶碳能力
较强，高温时含碳量可达2.06％，低温下降至0.8 ％。其强度、硬度不高，但塑性好。碳钢处于红热 状态时即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。
碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响
钢材的化学成分
硅、锰大部分溶于铁素体中，当硅含量小于1％时，可提高 钢材的强度，对塑性、韧性影响不大；锰一般含量在1％～2％之 间，除强化外，能消弱硫和氧引起的热脆性，且改善钢材的热加 工性。硅、锰是我国低合金钢的主要合金元素。 钛是强脱氧剂，钒是碳化物和氮化物的形成元素，二者皆能 细化晶粒，增加强度，常用在建筑的低合金钢中。 磷主要溶于铁素体中起强化作用，同时可提高钢材的耐磨、 耐蚀性，但塑性、韧性显著降低，当温度很低时，对后二者影响 更大。氮溶于铁素体中或呈氮化物形式存在，对钢材性质影响与 C、P相似。二者在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素。 硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫 化物造成的低溶点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可 焊性，且有强烈的偏析作用；氧有促进时效倾向的作用，氧化物 所造成的低溶点亦使钢的可焊性变坏。
工程材料学2第二章 铁碳合金
Ld′+ Fe3CⅠ
F+ Fe3CⅢ
C%
2.4.1含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
相组成：α + Fe3C ；随碳含量增加， α ↓， Fe3C↑
室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体） 。室温 莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，但组 成物发生了改变。
共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：
W
6.69 4.30 100% 52.2% 6.69 2.11
4.30 2.11 WFe 3C 6.69 2.11 100% 47.8%
室温相组成物为： α + Fe3C
w
6.69－4.3 6.69－0.0218
100%＝35.8％
共晶白口铁
wFe 3C
4.3 0.0218 6.69 0.0218
100%＝64.2％
3.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
6. 亚共晶白口铁（3.0%C）
匀晶转变 L→γ
1148℃ LC→γE+Fe3CF
PQ线，碳在F中的溶解度曲线。 F 的最大溶碳量于727℃时达到最大值0.0218%C。随温度↓，F 中 的溶碳量逐渐↓，在300℃以下，溶碳量＜0.001%C。当 F从727℃ 冷却下来时，要从 F 中析出渗碳体，称为三次渗碳体。
2.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶过程， 目的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。
通常按有无共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳量＜ 2.11%的为碳钢，含碳量＞2.11%的为铸铁。含碳量＜0.0218%的为工 业纯铁。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C的形式存在，断口呈白 亮色，称为白口铸铁。
第七讲-钢铁中的合金相
片状马氏体中脊面 500× （密度很高的微细孪晶区）
2.碳钢中的相及组织
石墨
石墨是Fe-C合金中游离存在的碳，代号G。它以简单六方晶格结构 存在。石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所 以石墨很软。石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的 共价键，故熔沸点很高。所以，石墨称为混合型晶体。强度、塑性、 硬度都很低。
纯铁的同素异构转变77091213941538时间min有磁性的fe体心立方无磁性的fe体心立方fe面心立方fe立方液态纯铁同素异构转变钢铁是铁基合金黑色金属的总称是现代工业中应用最广泛的材料
合金相与相变
易丹青 教授
材料科学与工程学院 danqing@
第七讲 钢铁中的相 1. 纯铁及钢简介 2. 碳钢中的相及组织 3. 合金钢中的相
珠光体
索氏体
屈氏体
2.碳钢中的相及组织
珠光体形貌
经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特 征的珠光体组织。当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分 布的宽条铁素体和窄条渗碳体；当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体只 能看到一条黑线；而当放大倍数继续降低或珠光体变细时，珠光体的层片 状结构就不能分辨了，此时珠光体呈黑色的一团。
铁素体结构示意图
2.碳钢中的相及组织
铁素体（ferrite）
力学性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。 δ=30%~50%， ψ=70%~80% ，AK=128~160J σb=180~280MPa， σ0.2=100~170MPa，HBS=50~80HBS。
铁素体是在室温时的重要相，常作为基体相存在。
α-Fe
γ-Fe
δ-Fe
BCC
FCC
钢铁中析出相简介
上海大学～学年季学期研究生课程考试小论文格式课程名称：材料微结构与性质课程编号： 101101705论文题目: 钢铁中析出相简介研究生姓名: 周昌兵学号: 10721448 论文评语:成绩: 任课教师:评阅日期:注：后接研究生小论文，格式参照公开发表论文的样式。
钢铁中析出相简介摘要：本文综合分析评述了钢中析出相的各种有利作用及有害作用，深入分析了其作用机制及规律，给出作用效果随析出相体积分数、尺寸，形状和分布的变化规律的关系式，由此可对钢中析出相提出明确的控制要求，从而充分发挥析出相的有利作用而避免和减轻其有害作用。
关键词：析出相，钢，作用机制，作用效果Introduction of precipitations in steelAbstract This paper reviews the various harmful effects and beneficial effects of precipitations in steel，deeply analysis its’mechanism of action and gives out the relationship of size，shape and distribution of volume fraction，by This can be precipitated phases in steel with clear control requirements, to maximize the beneficial effects of precipitates and avoid and alleviate its harmful effects.Key words precipitation steel mechanism effect一、钢铁材料中析出相的定义及分类第二相在钢中具有十分重要的作用，其对钢的强度、韧性、塑性、深冲性、疲劳、磨损、断裂、腐蚀以及许多重要的物理和化学性能均具有重要的影响。
第2章 钢中奥氏体的形成
加热转变的意义：1.改进热处理工艺 2.为冷却转变打基础
2.1 奥氏体及其形成条件
奥氏体稳定存在区域 是：GSEJNG 相变临界点：
A1、A3、Acm
实际加热时相变临界 点：Ac1、Ac3、Accm
实际冷却时相变临界 点：Ar1、Ar3、Arcm
1. 2. 3.
思考：
S、E、G、P点？
线膨胀系数大：可作热膨胀灵敏的仪表元件；
导热性能差：不宜采用过大的加热速度。
2.2 奥氏体的形成机制
奥氏体形成的热力学条件
相变驱动力： 相变阻力：
A1
Fe-C合金珠光体与奥氏体 的自由能与温度的关系
•以共析钢为例： •奥氏体的相组成、点阵结构、碳含量与 铁素体和渗碳体不同
相组成： 碳含量：
0.02%
2.5 奥氏体晶粒长大及其控制
一、 奥氏体晶粒度： 定义:指奥氏体化后实际晶粒大小 表示方法：晶粒直径、单位面积 中奥氏体晶粒数目 等级标准：8级 超细晶粒：超过8级
n=2N-1
式中： n-放大100倍时每平方英寸(6.45cm2)面 积内晶粒数, N-晶粒度级别
奥氏体晶粒度种类：
二、奥氏体晶粒长大原理
长大条件：
A刚形成时均很细小，且不均匀，界面能越高， 界面越不稳定，在一定条件下，必然自发地向减 小晶界面积、降低界面能的方向发展。所以小晶 粒合并成大晶粒，弯曲晶界变成平直晶界是一种 自发过程。
长大方式：互相吞并、晶界推移而实现的。
1、A晶粒长大驱动力：
来自A的晶界能
+
Fe3C
6.69% 复杂斜方
→
共析钢的相组成物计算
共析钢的相组成物计算一、引言共析钢作为一种重要的金属材料，其性能与相组成物密切相关。
了解共析钢的相组成物计算方法，有助于我们更好地掌握材料的性能，进而指导实际生产和应用。
本文将详细介绍共析钢的相组成物计算方法及其应用，以期为相关领域提供理论依据。
二、共析钢的相组成物概述1.共析钢的定义共析钢，是指在钢中，共析相的形成占主导地位的钢种。
其特点是碳当量较低，合金元素含量适中，具有良好的加工性能和焊接性能。
2.共析钢的相组成物共析钢的相组成物主要包括铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体等。
这些相的形成与钢的成分、温度和冷却速度等因素密切相关。
三、共析钢相组成物的计算方法1.相图分析通过分析共析钢的相图，可以初步了解在不同温度和成分条件下，各相的形成可能性。
相图分析是一种较为直观的方法，但需要实验数据和理论模型作为支持。
2.热力学计算热力学计算是根据钢的成分和相图，推导出在不同温度下各相的稳定性。
热力学计算具有一定的理论性，可以为相组成物的预测提供依据。
四、影响共析钢相组成物的因素1.成分因素钢的成分对其相组成物有显著影响。
其中，碳、硅、锰等元素对共析钢的相组成物具有较大影响。
适当调整钢的成分，可以有效控制共析钢的相组成物。
2.温度因素温度是影响共析钢相组成物的重要因素。
在不同温度下，钢的相组成物存在一定的变化规律。
掌握这一规律，有助于优化钢的性能。
3.冷却速度因素冷却速度对共析钢相组成物的影响也不容忽视。
冷却速度较慢时，珠光体相的形成较为充分；冷却速度较快时，马氏体相的形成增多。
五、共析钢相组成物的应用1.金属材料的研发与设计了解共析钢相组成物的计算方法，有助于金属材料研发人员根据实际需求，设计出具有特定性能的共析钢产品。
2.金属材料的加工与处理共析钢相组成物的计算，可以为金属材料的加工和处理提供理论指导。
如热处理工艺的优化、焊接工艺的调整等。
六、结论本文从共析钢的定义、相组成物、计算方法、影响因素和应用等方面，对共析钢的相组成物计算方法进行了详细阐述。
钢的合金化基础
Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe > Co > Ni
强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其 溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度 也较低； 弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很 容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。
特点：1.这些碳化物是中强碳化物形成元素形成的碳化 物；
型 2. rc/rMe >0.59 引起点阵畸变，形成复杂点阵类
（3）渗碳体（正交点阵） M3C型： Fe3C，（FeCr）3C，（FeMn）3C等
特点：当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自 己特有的 碳化物，只能置换渗碳体中的Fe原子，称 为合金渗碳体。
硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素。
铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。
合金元素改变奥氏体区的位置
随Cr含量增加，SE 向左上移，SG向左 上移，使γ区逐渐缩 小。
• 缩小A相区的元素 （Cr，W，Mo，V， Ti，Si等）使S点左 移，A3线上升；
铬对奥氏体相区的影响
合金元素对特征点S、E的影响
奥氏体形成元素使A1、 A3点下移，使得奥氏 体温度下降；铁素体 形成元素使A1、A3点 上移，热处理时加热 温度应该提高。
1.1.2 按与C相互作用（亲和力大小）分类
• 非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等
• 碳化物形成元素
Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，Cr，W，Mn，Fe
最强
中强
弱
1.1.3 按对奥氏体层错能的影响分类
2．硫（S）和磷（P） S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔
第二章 钢中奥氏体的形成
钢铁热处理加热和保温温度的选择主要基于 F-Fe3C相图共析反应。
¾ A1 (加热，Ac1，=A1+ΔT过热；冷却，
图2-6 加热（冷却）速度为0.125
Ar1，=A1-ΔT过冷) ---PSK，
℃/min时，Fe-Fe3C相图中的临界 ¾ A3 (加热，Ac3；冷却， Ar3) ---GS，
点
温度升高到GSE线以上时，都 将得到单相奥氏体。
钢加热转变时的相变驱动力为新相奥氏体与母相之间的体积自 由能差ΔG。 根据固态相变形核理论，形成奥氏体核心时，系统总自由能变化 ΔG为： ΔG=−VΔGv+S γ +VΔGs 式积中自：由V能—差—，新V相Δ的Gv体是积相，变Δ的G驱v—动—力为；奥氏体与珠光体间单位体 S——新相表面积，γ为新相与母相间单位面积界面能， S γ 为相变的阻力； 变的Δ阻G力s为。奥氏体形核时所增加的单位体积应变能，VΔGs为相
A1点以上即在一定的过热度下才能发生。 同理，冷却时，奥氏体向珠光体的转变也必须
在一定的过冷度下才能发生。
为便于区别起见，通常把钢加热时的临界点 加注“C”字，分别写成Ac1、Ac3、Accm； 而把冷却时的临界点加注“r”字，成为Ar1、 Ar3、Arcm等。但Accm与Arcm不常用，通常 只写成Acm，不再加注表示加热或冷却的字 母。
（2）共晶转变
共晶转变线：水平线ECF
在1148℃的恒温下发生共晶转变，由wc=4.3%的液相转 变为wc=2.11%的奥氏体和渗碳体组成的混合物： 即液相(L4.C3→0%γ-CF)e、E+奥Fe氏3C体(2.11%C)和渗碳体(6.69%C)三相 共存。 其中，C—共晶点；E—碳在γ-Fe中的最大溶解度。
第二章 金属学的基本知识
§ 2.1 金属与合金的晶体结构
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相。合金中相
与相之间有明显的界面。液态合金通常为单相液体。合金在固态下，
由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。
组成合金各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况构成
了合金的组织。组织是合金的内部情景，还包括晶粒的大小、形状、 种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布，可以用肉眼或借助各
固溶体，如图2-10(b)所示。
由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。形成间 隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的比值r溶质/r溶剂≤0. 59。因此
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢、
硼、碳、氮、氧等。
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
应当指出，所形成的固溶体虽然仍保持着溶剂金属的晶格类型， 但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格的畸变，如图 2-11。晶格畸变使合金的强度、硬度和电阻升高。这种通过溶人 溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强 化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制
态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具有各向异性的特征。
晶体中的原子排列情况如图2-1(a)所示。 2.晶体结构的基本知识 (1)晶格为了便于描述晶体中原子排列的规律及几何形状，人 为地将原子看作一个点，再用一些假想的线条，将原子的中心
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
连接起来，使之构成一个空间格子，如图2-1 ( b)。这种抽象 的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子叫做“晶格”。 晶格中的每个点叫做晶格结点。 (2)晶胞由于晶体中原子排列具有周期性特点，因此在研究晶 体结构时，为方便起见，通常只从晶格中选取一个能够完全反映 晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个 最小的几何单元称为晶胞，如图2-1 (c)。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶 胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c及棱边夹角α,β,γ来
第二章合金的结构和相图
例. 碳钢中的铁素体和奥氏体就是碳原子 溶入了α – Fe（溶解度为0.0218％)和γ – Fe（溶解度为2.11%)中形成两种间隙固溶 体。
3）固溶强化
• 由于溶质原子的溶入，导致溶剂晶格 发生畸变，增加位错运动阻力，使合金的 塑性变形抗力增加，强度、硬度提高的现 象称为固溶强化。 • 它是金属材料强化的重要途径。
四、 铁碳合金
（一）纯铁的冷却曲线
1600 1538℃ 温 1500 度 1394℃ δ - Fe 1400 1300 1200 A4 γ - Fe 1100 1000 912℃ 900 A3 770℃ 800 700 α - Fe A2 具 600 有 500 磁 A3 A2 时间 为纯铁的临界点
2、金属化合物（看书）
金属化合物是合金组元之间相互发生作用而 形成具有金属特性的一种新相。金属化合物的晶格 类型不同于组成它的任一组元，具有复杂的晶格类 型。根据形成条件及晶体结构可以分成三种： 1）正常价化合物：化学式符合化合价，象Mg2Si 2）电子化合物： 不符合化合价规律而是按照一定
的电子浓度组成。象 β 电子化合 物CuZn的含锌量为36.8～56.5％。 3）间隙化合物： 同样不符合化合价规则。主要决 定于二组元的原子半 径。象过渡元 素（Fe，Cr 等）和 非金属元素
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。
（3）（枝晶偏析）
合金的结晶只有在缓慢冷 却条件下才能得到成分均匀的 固溶体。 但实际冷速较快，结晶时固 相中的原子来不及扩散，使先 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)。
共析钢的相组成物计算
共析钢的相组成物计算一、引言随着我国钢铁工业的不断发展，对钢材性能的要求也越来越高。
共析钢作为一种具有良好性能的钢铁材料，其相组成物的计算受到了广泛关注。
本文将介绍共析钢的相组成物计算方法，并通过实例进行分析，以探讨计算结果的实用性和方法的可行性。
二、共析钢的相组成物计算方法1.共析钢的定义共析钢是指在钢的冷却过程中，铁素体和珠光体形成共析组织的一种钢铁材料。
它的碳含量一般在0.77%以下，锰含量在0.25%-0.65%之间。
2.相组成物计算的重要性共析钢的相组成物计算是为了了解钢中各相的含量，以及各相之间的比例关系。
这对优化钢的性能具有重要意义，因为不同的相组成物会对钢的性能产生不同的影响。
3.计算方法的介绍目前常用的共析钢相组成物计算方法有：平衡相图法、热力学计算法等。
平衡相图法是根据共析钢的成分和相图，确定各相的生成温度和含量。
热力学计算法则是利用热力学原理，结合共析钢的成分和温度，计算各相的含量。
三、共析钢相组成物计算实例1.实例一：低碳共析钢以低碳共析钢为例，其成分如下：碳0.12%，硅0.35%，锰0.5%。
根据平衡相图法，可以计算出铁素体和珠光体的含量分别为65%和35%。
通过热力学计算法，得到铁素体和珠光体的含量分别为68%和32%。
2.实例二：中碳共析钢对于中碳共析钢，其成分如下：碳0.35%，硅0.45%，锰0.6%。
采用平衡相图法，计算得到铁素体和珠光体的含量分别为55%和45%。
热力学计算法得到的含量分别为58%和42%。
3.实例三：高碳共析钢高碳共析钢的成分如下：碳0.6%，硅0.5%，锰0.7%。
根据平衡相图法，计算结果为铁素体和珠光体的含量分别为45%和55%。
热力学计算法得到的含量分别为48%和52%。
四、计算结果的分析与讨论1.相组成物对钢的性能影响通过计算可知，不同碳含量的共析钢，其相组成物含量存在一定的差异。
一般来说，随着碳含量的增加，铁素体的含量会减少，珠光体的含量会增加。
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第二章 合金钢中的相组成
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§2.1 铁基固溶体
问题：钢中的固溶体有哪些？
第二章 合金钢中的相组成
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按 溶 质 原 子 所 处 的 位 置
按 基 体 的 不 同
γ 基（奥氏体 基体）-FCC
置换式固溶体 （原子处于Fe的阵点 位置） 间隙式固溶体
第二章 合金钢中的相组成
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二、间隙固溶体的形成规律
溶质原子的溶解度
解决两 个问题：
溶质原子的
位置
四面体间隙还是八 面体间隙
第二章 合金钢中的相组成
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1、溶质原子的溶解度规律
a、间隙固溶体都是有限固溶体，它保持着 溶剂金属的晶体点阵。 b、间隙固溶体中溶质的溶解度取决于溶剂 金属的晶体结构和间隙原子的尺寸大小 c、钢常见的间隙原子有B、C、N、O和H。
第二章 合金钢中的相组成
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马氏体的晶体结构为体心四方 结构（BCT）。马氏体的密度 低于奥氏体，所以转变后体积 会膨胀。板条状马氏体是低碳 钢,其单元立体形状为板条状。 它的亚结构主要是由高密度的 位错组成，所以又称位错马氏 体。片状马氏体则常见于高， 中碳钢，每个马氏体晶体的厚 度与径向尺寸相比很小其断面 形状呈针片状，故称片状马氏 体或针状马氏体.其亚结构主要 为细小孪晶,所以又称为孪晶马 氏体.
第二章 合金钢中的相组成
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二、各类碳化物 1、简单点阵类型（ ⅣB和第ⅤB
的MC型）碳化物和氮化物 a，结构特征：金属原子以面心立方结构的方 式排列，较小的C或N原子占据所有可以利用 的八面体间隙，形成NaCl型的晶体结构。
b，特殊性：不是所有的八面体间隙都被间隙原子 占据，其中存在间隙空位。故其化学式的一般形式 是MCx（x≤1，对碳化物，例如V4C3，就是x＝ 3/4=0.75；而对氮化物，由于N原子半径小，故可 以进入四面体间隙，MNx中的x可能会大于或等于1）
片状珠光体 球状珠光体
第二章 合金钢中的相组成
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莱氏体：是由奥氏体和渗碳 体组成的机械混合物。莱氏 体是碳的质量分数Wc=4.3% 的铁碳合金冷却到1之间的莱氏体 称为高温莱氏体，用符号 “Ld”表示，存在于727℃以 下的莱氏体称为变态莱氏体 莱氏体的组织特征是， 或称低温莱氏体，用符号 在白亮色铁素体基体上 “Ldˊ”表示。莱氏体的力 均匀分布着许多黑点 学性能与渗碳体相似，硬度 （块）状或条状珠光体 很高，塑性极差，几乎为零。
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铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素， 形成最稳定的MC型碳化物； 钨、钼、铬是中强碳化物形成元素； 锰、铁是弱碳化物形成元素 合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关： 强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其 溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速 度也较低； 弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较 差，很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。
第二章 合金钢中的相组成
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2、复杂点阵类型（ Ⅵ～ⅧB族）碳化物和氮化
物
a，W、Mo 的M2C型和MC型： M2C型的W2C 和Mo2C具有复杂六方点阵，而WC和MoC具有 简单六方点阵 b，Cr7C3等：具有复杂六方点阵，单胞80个原 子，一般出现在含Cr 为3～4%的结构钢，Cr可 以被Fe原子取代，得到Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3 ， 常用(Cr,Fe )7C3或M7C3表示；
第二章 合金钢中的相组成
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第二章 合金钢中相组成
问题：钢中可能存在的相有哪些？
第二章 合金钢中的相组成
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铁基固溶体 §2.1
钢 中 可 能 存 在 的 相
铁素体 奥氏体
马氏体
Fe3C
TiC、W2C、Cr7C3
TiN、CrN
碳化物和氮化物 §2.2
d，Fe2Mo4C，Fe4Mo2C等的M6C型： W、Mo 在Cr23C6单胞中数量大于8后， M23C6向M6C转 化，具有复杂立方点阵，单胞原子数112个，是 复合碳化物。因W，Mo 含量高，其稳定性高于 Cr23C6.
第二章 合金钢中的相组成
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e，渗碳体（正交点阵） M3C型： Fe3C，(FeCr)3C， (FeMn)3C等，单胞原子数16，
第二章 合金钢中的相组成
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对碳化物和氮化物的补充说明：
①，形成碳化物能力越强的元素，其熔点越高，稳定性越高。 稳定性排序：（弱－强） M3C，M7C3，M6C，M2C，MC ②，碳化物稳定性越高，熔点高，溶入A中的温度越高，自 马氏体中析出的温度越高，聚集长大的倾向越小。提高钢的 回火稳定性和回火抗力 ③，碳化物的稳定性越高，可使得钢在高温时效或服役时不会 发生明显的基体中固溶的合金元素向碳化物中扩散和再分配. 有利于组织稳定，提高高温力学性能，高温用钢的合金化元素 ④，钢中的碳化物和氮化物是这门课程的重点，贯穿整个 课程，必须掌握和很好理解与运用
8~10% 有限溶解 很难溶解
电子结构：即在元素周期表中的 位置与铁相差多远
与其 在周 期表 中的 位置 有关
第二章 合金钢中的相组成
Ⅲ B Se Y La ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo W Mn Tc Re Fe ⅧB
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ⅠB Cu Ag Au Ⅱ B Zn Cd Hg Al Si P As Sb Bi S Se Te Po
第二章 合金钢中的相组成
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钢中常见的碳化物(K)(数字表示稳定性,越小越高)
第二章 合金钢中的相组成
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珠光体：是由铁素体和渗 碳体组成的机械混合物， 用符号“P”表示，珠光体 是奥氏体冷却时，在727℃ 发生共析转变的产物，碳 质量分数平均Wc=0.77%。 显微组织为由铁素体片与 渗碳体片交替排列的片状 组织，高碳钢经球化退火 后也可获得球状珠光体。 珠光体力学性能介于铁素 体与渗碳体之间，强度较 高，硬度适中，塑性和韧 性较好。
η 、σ 、μ 氧化物、硫化物、 硒化物等
中间相
§2.3
非金属夹杂 §2.4
第二章 合金钢中的相组成
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铁素体：是碳溶于α-Fe中 的间隙固溶体，用符号 “F”（或α）表示，呈体 心立方晶格，碳在α-Fe中 溶解度极小，室温时仅为 0.0008%，在727℃时达 到最大溶解度0.0218%。 铁素体的显微组织为多边 形晶粒。 铁素体的力学性能特点是 塑性、韧性好，而强度、 硬度低。
第二章 合金钢中的相组成
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奥氏体：是碳溶于γ-Fe中 的间隙固溶体，用符号 “A”（或γ）表示，呈面 心立方晶格。碳在γ-Fe中 的溶解度要比在α-Fe中 大，在727℃时为0.77%， 在1148℃时溶解度最大， 可达2.11%。 奥氏体是 一种高温组织，稳定存在 的温度范围为 727~1394℃，显微组织 为多边形晶粒，晶粒内常 可见到孪晶（晶粒中平行 的直线条）。
说明：
①，当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自 己特有的碳化物，只能置换渗碳体中的Fe原子，称为 合金渗碳体。其中Mn可以在渗碳体中无限溶解，得 到(FeMn)3C；Cr 的溶解度为20%，Mo 在其中的溶 解度较低；V、Nb、Zr 、Ti 几乎不溶其中。 ②，碳化物形成元素的合金元素溶入渗碳体，提高渗 碳体的稳定性，一般而言，越能形成稳定碳化物的元 素溶入渗碳体，越提高渗碳体的稳定性（对其它合金 碳化物亦适应），但是，Mo除外（Mo 溶入渗碳体降 低其稳定性）
Co Ni
Ga Ge In Ti Sn Pd
Ru Rh Pd Os Ir Pt
①、Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固 溶体。其 中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固 溶体，Cr和V形 成以α-Fe为基的无限固溶体。 ②、Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如 α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。 ③、Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固 溶体； Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。
第二章 合金钢中的相组成
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§2.2 碳化物与氮化物
这一节要解决的问题有两个： 1、碳化物与氮化物的一般规律：稳定性规 律和结构规律 2、钢中常见的碳化物和氮化物
第二章 合金钢中的相组成
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一、碳化物与氮化物的一般规律
1、稳定性规律
Na Mg K Pb Ⅲ B Ⅳ B Ti Zr Hf Ⅴ B V Ⅵ B Cr Ⅶ B ⅧB Ⅰ B Ⅱ B Al Si P S Se Te Po
第二章 合金钢中的相组成
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c，Cr23C6型的M23C6：出现在含大于Cr 为5～ 8%的高合金钢，晶体结构为复杂立方，单胞原子 数为116个。稳定性较Cr7C3高。Cr 原子可以部 分被Fe 、W、Mo 取代。但是W、Mo 在其中的 最大含量只能是取代92个金属原子中的8个。常 用M23C6或(Fe,Cr )23C6表示
原子半径减小 在钢中的溶解度增加
d、同一间隙原子(如C）在γ－Fe 中比在α-Fe中具有更大 溶解度
（为什么？）
第二章 合金钢中的相组成
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2、溶质原子的位置
在面心立方(a,b)和在体心立方(c,d)点阵中的四面体间隙(a,c)与八面体间隙(b,d)
对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。 对α-Fe，间隙原子优先占据的位置也是八面体间隙。