第3章 金属材料的凝固与固态相变

⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。 ⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
3.3 铁碳合金 3.3.1 Fe-Fe3C相图 1.铁碳合金的相结构与 性能 （1）铁素体（F或 α ） 碳在α —Fe中 的间隙固溶体，体 心立方晶格。铁素 体的性能特点是强 度低、硬度低、塑 性好。 （2）奥氏体（A或γ ） 碳在γ —Fe中的间隙固溶体， 面心立方晶格。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于 塑性变形。
3.5 钢在冷却时的转变
热处理时常用的冷却方式有两种: (1)是等温冷却； (2)是连续冷却。
3.5.1 过冷奥氏体等温转变图
（1）在A1以上：奥氏体稳 定区。 （2）在A1以下转变开始线 以左：为过冷奥氏体区。 （3）转变开始线与转变终 了线之间：过冷奥氏体转 变区。上半部转变为珠光 体，下半部转变为贝氏体。 （4）Ms、 Mf ：分别为的 开始温度线和转变终了线。 之间为奥氏体向马氏体转 变区。
3.2.1 相图
相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系 的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态，也称为 平衡图或状态图。对于多相体系，个相间的相互转化， 新相的形成，旧相的消失与温度，压力，组成有关。
1相图的绘制
2.几种基本的相图
（1）匀晶相图 Al1B线为液相线，Aa1B为固相线，图中有两个单相区和 一个双相区（L+α 相区）。平衡结晶过程的特点为： • 结晶过程包括生核与长大（更趋向于树枝状长大）。 • 结晶是在一个温度区间内进行的。 • 获得成分均匀的固溶体（实际结晶时成分是不均匀的）。
随碳含量增加，组 织按下列顺序变化：
F、F+P、P、P+Fe3CⅡ
2. 含碳量对力学性能的 影响 随碳含量的增加， 硬度呈直线关系增大。 强度对组织形态很 敏感。随碳含量的增加， 强 度 增 大 。 到 约 wc 0.9% 时 ， Fe3CⅡ 沿 晶 界 形成完整的网，强度迅 速降低。 随碳含量的增大， 塑性、韧性连续下降。
⑵晶体的长大
1 ）平面长大。在冷却速度较 小的情况下，纯金属晶体主要以其 表面向前平行推移的方式长大。 2）树枝状长大。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，这时金属晶体往往以树枝状的形状长 大。
树枝状长大
钢锭缩孔中暴露的枝晶
3.影响形核和长大的因素
第三章 材料的凝固与固态相变
3.1 单一组元材料的凝固
1.结晶的概念 材料从液态转变为固体的 过程称为凝固，若转变为晶态 固体就称为结晶，通常也称为 一次结晶。而把材料从一种固 体晶态转变为另一种固体晶态 的过程称为二次结晶或重结晶。 理论结晶温度T0或熔点是固 态和液态的能量相等的温度。
理论结晶温度 T0 与开
4.晶粒大小及控制 （1）晶粒度的概念 晶粒度是晶粒大小的量度。 用单位体积中晶粒的数目Zv或单 位面积上晶粒的数目Zs表示。 在一般情况下,形核速率越 大,长大速度越小，晶粒越小, 则 金属的强度, 塑性和韧性越好。 工程上使晶粒细化, 是提高金属 机械性能的重要途径之一。 （2）晶粒大小的控制 1）增大过冷度 2）变质处理：在液体金属中加 入孕育剂或变质剂，以细化晶粒 和改善组织。
（3）渗碳体（Fe3C） 化合物相，有条状、网状、片状、 粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体 硬度高（800HBW），塑性差，脆性大。 2.相图分析 五个单相区、七个两 相区和三个三相区。 3 相图中重要的点 和线 ⑴ C点为共晶点， ECF为共晶线 ⑵ S点为共析点， PSK为共析线 ⑶ GS线 ⑷ ES线
727℃
Fp + Fe3C
共析反应产物是铁素体与渗 碳体的共析混合物，称珠光体， 以符号 P 表示。在显微镜下珠光 体的形态呈片状。 珠光体的强度很高，塑性、 韧性和硬度介于渗碳体和铁素体 之间。
⑶ GS 线 是 合 金 冷却时自A中开始析 出F的临界温度线， 通常称A3线。 ⑷ ES 线 碳在 A 中 的固溶线，通常叫 做 Acm 线 。 A →Fe3CⅡ。
电磁铁的铁心
2.在铸造工艺方面的应用 根据Fe—Fe3C相图可以确 定合金的浇注温度。浇注温度 一般在液相线以上100℃左右。 3. 在热缎、热轧工艺方面 的应用 一般始缎温度为1150～ 1250℃，终缎温度为800～ 850℃。
4. 在热处理工艺方面的 应用
对于制订热处理工艺有 着特别重要的意义。
（2）奥氏体晶粒大小的控制
⑴加热温度与保温时间 加 热温度越高，保温时间越长， 奥氏体晶粒越粗大。 ⑵加热速度 加热速度越快， 过热度越大，奥氏体实际形成 温度越高，可获得细小的起始 晶粒。 ⑶钢的化学成分 碳全部溶 于奥氏体时，含碳量的增加， 晶粒长大倾向增大。 合金元素Ti、V、Nb等，可 细化奥氏体晶粒。Mn和P是促进 奥氏体晶粒长大的元素。
金属型铸造 冷却速度大
砂型铸造 冷却速度小
针状改变成细小颗粒状
5. 同素异构转变 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格 转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
1394 ℃ 912 ℃ Fe Fe Fe bcc fcc bcc
铁的同素异构转变是钢铁材料能够 进行热处理改性的内因和依据。 同素异构转变是在固态下完成的， 也是通过形核、长大来完成的。称为重 结晶。
3.3.4 Fe-Fe3C相图的应用
1.在钢铁材料选用方面的应用
●建筑结构和各种型钢需用塑性、 韧性好的材料，选用低碳钢。
●机械零件需用强韧性较好的材 料 , 选用中碳钢。工具需用硬度 高和耐磨性好的材料，则选高碳 钢。
●纯铁磁导率高，矫顽力低， 作软磁材料，例如做电磁铁 的铁心等。
●白口铸铁硬度高、脆性大， 难切削，不能锻造，但耐磨 性好，铸造性能优良，用作 耐磨、不受冲击、形状复杂 的铸件，例如拔丝模、犁铧 等。
钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以 共析钢的奥氏体形成过程为例。 1.奥氏体的形成过程
⑴形核 奥氏体的晶核优先在F/Fe3C的界面上形成。
⑵晶核长大 依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转 变和渗碳体不断溶入到奥氏体而进行的。
⑶残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后，仍有部 分未溶的渗碳体随着时间的延长而溶入到奥氏体，直至 全部消失。 ⑷成分均匀化 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的 成分是不均匀的，只有延长时间才能获得均匀化的奥氏 体。 亚共析钢的加热过程： F+P
1 点, L
1点 2点 2 点, L
α;
α ;
2’点, Lc → (αd+ βe); 3点, α →β
Ⅱ;
此时, 合金转变为 α + (αd+ βe)
2 ’点
合金的室温组织:
α+ β
Ⅱ
+ (α +β ) ,
合金的组成相:α 和β 。 过共晶合金的结晶过 程与亚共晶合金相似，室温 组织为β + α Ⅱ + (α +β ) 。合金的组成相为 α 和β 。
1.共析钢[wc =0.77%]的平衡结晶过程
共析钢的室温组织组成物全部是P，而组成相为F和 Fe3C。
2.亚共析钢[0.0218%< wc <0.77%]的平衡结晶过程
以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例；含0.4%的亚共 析钢的组织为F和P。亚共析钢的组织都为F和P，组成这 些组织的平衡相为F和Fe3C。
3.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%&l;6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
⑴ C点为共晶点，ECF为共晶线。合金在平衡结晶过程 中冷却到1148℃时，C点成分的L发生共晶反应，生成E 点成分的A和Fe3C。 ，成分在此线的铁碳合金，在平衡 结晶过程中均发生共晶反应。 Lc
1148℃
AE+Fe3C
共晶反应的产物是奥氏 体与渗碳体的共晶混合物， 称莱氏体，以符号Ld表示。
⑵ S点为共析点, PSK为共析线.合金在平衡结晶过程 中冷却到727℃时，S点成分的A发生共析反应，成分在 PSK的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。 PSK线亦称A1线。 As
TC
e
共晶反应所生成的两相 机械混合物叫共晶体。成 分在de之间的合金平衡结 晶时都会发生共晶反应。
共晶合金(合金Ⅰ)的结晶过程
冷却到1点温度后, 发生 共晶反应全部转变为共晶体 (α +β ) 。 合金的室温组织全部为共 晶体；由α 和β 两相组成。
共晶合金 组织的形 态
亚共晶合金 (合金Ⅱ)的结晶过程
（2）合金的工艺性能与相图的关系
铸造性能：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。 锻造性能：单相合金 的锻造性能好。单相 组织时变形抗力小， 变形均匀，因而变形 能力大。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。
4 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件 的工艺叫做铸造。 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。
3.过共析钢的平衡结晶过程
以碳质量分数为1.2%的铁碳合金为例。含wc 1.2%的 过共析钢在室温下的平衡相为F和Fe3C；组织为Fe3CⅡ 和P。
3.3.3 含碳量对铁碳合金组织性能的影响
1.含碳量对组织的影响 铁碳合金在室温下 的组织皆由 F 和 Fe3C 两 相组成。随碳含量的增 加， F 的含量逐渐变少， Fe3C的含量逐渐增加。
成核速率N 为单位时间单位体 积形成的晶核数（个/m3· s), 长大速 度G为单位时间晶体长大的长度 （m/s) 。 （1）过冷度的影响 随着过冷度的增加, 形核速率和 长大速度均会增大。当过冷度进一 步增大时，成核速率增大更快，因 而比值N/G也增大, 结果使晶粒细化。 （2）难熔杂质的影响 增加晶核的数量，使晶粒细化。