第二章金属材料的凝固与固态相变

❖变质处理 ❖机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
2.1.3金属的同素异晶转变
纯铁的同素异晶( allomorph )转变 反应式:
δ - Fe 1394 °Cγ - Fe 912 °C α - Fe
bcc
fcc
bcc
纯铁的冷却曲线
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
2.2.2相图与合金物理、力学性能之间的关系
合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系
2.3铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
2.3.1 Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的 结构与性能
2.3.2 Fe - Fe3C 相图分析 2.3.3 碳的质量分数对铁碳合金组织、
在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分 的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变， 称为包晶转变。
两组元在液态无限互溶， 在固态有限互溶并发生包晶 转变的二元合金系相图，称 为包晶相图。
LB H AJ
包晶转变的特征：反应相是液相和一个固相， 其成分点位于水平线两端；所形成的另一个 固相位于水平线中间的下方。
2.奥氏体 ( A ) Austenite 碳溶于γ-Fe中形成
的间隙固溶体。
3. 渗碳体 ( Fe3C )
Cementite 铁与碳形 的金属化合物。
4.珠光体 ( P ) --- Pearite 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
5.莱氏体 ( Ld ) --- Ledeburite 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
结构起伏
2.1.2结晶的现象与规律
(1)结晶的一般过程
微小 晶核
长大
晶体
(2)结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 理论冷却曲线
度
结晶平台(是由结晶潜热导致
To
Tn
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling )
温 度
温
温
度
度
时间 A 90 70 50 30 BB
名称 晶格类型
熔点 合金1 合金2 合金3
…….. 合金9 合金10 合金11
A金属 bcc 高
100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90%
100%
温
度
L
a
L + S
高熔点的杂质，特别是当杂质的 晶体结构和金属的晶体结构相似时， 将强烈的促使非自发形核，提高形核 率。
（4）细化晶粒的途径
晶粒度：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。
Zv 0.9(N / G)3/4
ZS 1.1(N / G)1/2
❖提高冷却速度
V冷
△T
N
晶粒细小
2.1.1凝固与结晶的概念
1.凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。
2.结晶 ( crystal ) *晶体物质由一种原子排列状态转变
成另一种原子规则排列状态的过程。
*物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列的过程。
2.金属结晶的结构条件
近程有序结构
远程有序结构
结晶
第二章 金属材料的凝固与固态相变
❖ 2.1 纯金属的结晶 ❖ 2.2 合金的凝固 ❖ 2.3 铁碳合金相图 ❖ 2.4 钢在加热时的转变 ❖ 2.5 钢在冷却时的转变
2.1纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
2.1.1 凝固与结晶的概念 2.1.2 结晶的现象与规律 2.1.3 同素异晶(构)转变
B
（2）共晶相图
两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解 （或不溶），并在结晶时发生共晶转变所构成
的相图称为二元共晶相图。
Lc d e
共晶转变的特征：反应 相是液相，位于水平线中间 的上方；所形成的是两个不 同的固相，其成分点位于水 平线两端。
1.共晶合金的结晶过程
固相中析出的固相称 做次生相或二次相， 以下标II表示。
ΔT = T0 – Tn 过冷是结晶的必要条件。
(3)结晶的一般规律
形核 长大
1.晶核的形成
在一定的过冷度下晶核就形成。 晶核形成的形式:
*自发形核 晶体核心是从液体结构内部自发长出的。
*非自发形核
晶核是依附于外来杂质而生成的。
2.晶核的长大方式—树枝状
II次晶轴 III次晶轴
I次晶轴
性能的影响 2.3.4 Fe - Fe3C 相图的应用。
2.3.1 Fe - Fe3C 相图组元和基本 组织的结构与性能
(1)组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
(2)基本组织
1.铁素体 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于α–Fe中形成
的间隙固溶体。
800
700 600 500
1534℃
1394℃ δ - Fe γ - Fe
912℃
α - Fe
时间
2.2 合金的凝固
2.2.1二元合金相图与凝固
相图（phase diagram) 又称平衡图或状态图，是表明合金系中
不同成分的合金在不同温度下所存在的相以 及相与相之间关系的图形。
相图的建立
热分析法
S
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
b
B
（1）匀晶相图 两组元在液态和固态均能无限互溶所
构成的相图称为二元匀晶相图。
匀晶相图的结晶过程
温 度
a
TL Tn TS
S
A
L
Qs
QL
ac b
杠杆定理 QS + QL = 1 aQS + bQL = c QL=(ac／ab) 100% QS=(bc／ab) 100% b
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
金
冰
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
晶
3.影响形核和长大的因素
形核率：在单位时间内，单位体积中所产生 的晶核数称为形核率，以N表示。
长大率：单位时间内晶核长大的平均速度， 以G表示。
❖过冷度的影响
❖难熔杂质的影响
1)过冷度的影响
2)难熔杂质的影响
金属结晶过程中，非自发形核的 作用往往是主要的。
2.亚共晶合金的结晶过程
3.不同成分合金的结晶组织
例2.1 1.
2.1
2.
3.
3.
4.
பைடு நூலகம்
（3）共析相图 是双层相图，上层是匀晶相图，下层类似
共晶相图，称共析相图。
S P K
共析转变的特征：反应 相是固相，位于水平线中间 的上方；所形成的是两个不 同的固相，其成分点位于水 平线两端。
（4）包晶相图