金相培训PPT

进行包晶反应时，奥氏体沿 δ相和液相的界面成核，并 向δ相和液相两个方向长大， 形成单一的奥氏体相。
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2）共晶转变(水平线ECF) 共晶转变发生在1148℃的恒 温中，由含碳量的质量分数 为4.3%的液相转变为含碳的 质量分数为2.11%的奥氏体 和渗碳体(含碳量为6.69%)所 组成的混合物，称为莱氏体， 其反应式为：
3）晶体的长大
每一个单个晶粒的稳定晶核出现后，晶体马上进行长大。晶体的长大 从宏观上看，是晶体的界面向液相逐步推进的过程。但从微观上看， 则是依靠原子逐个由液相中扩散到晶体表面上，并按晶体点阵规律的 要求，逐个占据适当的位置而与晶体稳定、牢靠地结合起来的过程。
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晶体长大机制主要有以下三种： ① 二维晶核长大机制 ② 螺旋位错长大机制 ③ 垂直长大机制 3）晶体缺陷 根据晶体缺陷的几何形态特征，把缺 陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三 种。
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• 1.3 Fe-C(Fe-Fe3C)相图
由于碳在铁中的含量超过溶 解度后剩余的碳可以有两种 形式存在，即以渗碳体Fe3C 和石墨碳的形式存在，因此 Fe-C合金有两种相图，即FeC和Fe- Fe3C 相图。 图中各特性点的符号是国际 通用的，不能随意变换。
1.3.1 相图中的点、线、区的意义
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① 置换固溶体 置换固溶体是指溶质原子位于溶剂晶格的某些格点位置上所形成的固 溶体。其分为有限固溶体和无限固溶体两类。 ② 间隙固溶体 一些原子半径很小的溶质原子溶入溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正 常结点位置，而是填入到溶剂晶格的间隙中，形成间隙固溶体。
两种类型的固溶体
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2）金属化合物 合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，其晶格类型和性能均 不同于任何一组元，一般可用分子式大致表示其组成，其为金属化 合物。 金属化合物的类型很多，主要有正常价化合物、电子化合物和间隙 化合物。 ① 正常价化合物 通常由金属元素和周期表中第IV、V、VI族元素所组成。它们的成分 符合原子价规律，具有严格的化学比，成分固定不变，可用化学式表 示。这类化合物具有较高的脆性和硬度，其中一部分具有半导体性质。
② 电子化合物 是由第I族或过渡族金属元素与第II至第V族金属元素形成的金属化合 物。它不遵守原子价规律，而是按照一定电子浓度的比值形成化合物。 电子化合物具有很高的熔点和硬度，脆性大。
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③ 间隙相和间隙化合物 原子半径甚小的非金属元素，如氢、氮、碳、硼与过渡族金属能形成 化合物，它们具有金属的性质，很高的熔点和极高的硬度。 当非金属元素的原子半径与金属元素的原子半径之比＜0.59时，化合 物具有比较简单的晶体结构，称为间隙相。间隙相很脆。当比值超过 0.59时，其结构很复杂，称为间隙化合物。
MF为Sn在Pb中的 溶解度曲线
NG为Pb在Sn中的 溶解度曲线 相图中有三个单相区，即液相L、固溶体α相和β相。
各个单相区之间有三个两相区，即L+α、L+β和α+β。
图中水平线MEN表示L+α+β三相共存区，其称为共晶线。E点叫共晶点，E点所 对应的温度叫共晶温度，化学成分对应于共晶点的合金就叫共晶合金。而成 分位于共晶点左边或右边的合金则分别称为亚共晶合金和过共晶合金。
金相检验和失效分析 Metallographic examination and failure analysis
广汽菲亚特汽车有限公司 | GAC FIAT Automobiles Co., Ltd. 2014-06-10
金相检验与失效分析
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• 1.1 金属与合金的晶体结构
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2）固溶体合金的结晶过程 ① 匀晶转变 两组元在液态时无限互溶，固态时也无限互溶的二元合金相图叫匀晶 相图。前述的Cu – Ni二元合金相图就是匀晶相图。
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② 共晶转变 当两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，发生共晶转变，并形 成共晶组织，这种二元系相图叫二元共晶相图。下图为Pb – Sn共晶相 图。 AE、BE为液相线 AMNB为固相线
各特性点的温度、碳含量及 意义详见下页PPT。
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相图中的ABCD为液相线， AHJECF是固相线，相图中有 5个单相区：
相图中有7个两相区。
相图中有3条水平线：HJB(包 晶转变线)、ECF(共晶转变 线)、PSK(共析转变线)。
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1.3.2 相图分析
1）包晶转变(水平线HJB) 在1450℃恒温下，含碳量的 质量分数为0.53%的液相与 含碳量的质量分数为0.09% 的δ铁素体发生包晶反应， 形成含碳量的质量分数为 0.17%的奥氏体，其反应式 为：
1.1.1 纯金属的晶体结构 最常见的晶体结构有三种： 1）体心立方晶格。如α-Fe，Cr，V和Mo等30多种。
体心立方晶胞及点阵
2）面心立方晶格。如ϒ-Fe，β-Co，Ni，Al和Ag等。
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体心立方晶胞及点阵
3）密排六方晶格。如Zn，Mn，Be，α-Ti等。
密排六方晶胞及点阵
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相和β相分别析 出次生相αII和 βII ，直到室温。
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过共晶合金的结晶过程
过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，所不同的是它先结晶的 相不是α相而是β相。
③ 包晶转变
两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，发生包晶转变的二元合 金系相图叫包晶相图。下图为Pt – Ag合金包晶相图。
ACB为液相线 APDB为固相线 PE和DF分别是银溶于铂 中和铂溶于银中溶解度 曲线 三个单相区 三个两相区 PDC三相共存线，包晶线 D为包晶点
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1）纯金属的结晶过程 结晶过程是由形核和长大两个过程所组成。结晶时首先在液体中形成 具有某一尺寸（临界尺寸）的形核，然后这些晶核不断凝聚液体中的 原子而长大。形核过程和长大过程紧密联系而又所区别。下图为纯金 属结晶过程示意图。
当液态金属过冷到实际结晶温度时，晶核并未立即产生，而是经过一 段时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这一停留时间称为孕 育期。 由一个晶核产生的晶体就是一个晶粒。由于各个晶核是随机形成的， 其位向各不相同，所以晶粒的位向也不相同，这样就形成了一块多晶 体金属。
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• 1.2 纯金属及合金的结晶
1.2.1 纯金属的结晶
金属由液态转变为固态的过程称为凝固。凝固后的固态金属一般都是 晶体，所以又将这一过程称为结晶。
右图为纯金属结晶时的冷却曲线示 意图。 其中，Tm为理论结晶温度，Tn为实 际结晶温度。两者直接的差值ΔT称 为过冷度。 结晶潜热：从液相转变为固相为放 热反应过程，放出热量。 熔化潜热：从固相转变为液相为吸 热反应过程，吸收热量。
杠杆定律的应用：
如右图所示，在Cu – Ni合金相图中，液相线是表示液相的成分随温度 变化的平衡曲线，固相线是表示固相的成分随温度变化的平衡曲线。 合金I在温度t1时处于两相平衡状态，如 要确定液相L和固相α的成分，可通过温 度t1做一条水平线arb，分别与液相和 固相线交于a和b。a、b两点在成分坐标 上的投影CL和Cα分别表示液、固两相的 成分。 设t1温度时，液、固两相的相对质量为 wL和wα，则可通过下式求出两相的相 对质量，分别为：
钢的热处理基础
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• 2.1 钢在加热时的转变
2.1.1 奥氏体的形成过程
由Fe – Fe3C相图可知，温度在A1以下钢的平衡组织为铁素体和渗碳体， 当温度超过A1(对共析钢)或A3(对亚共析钢)或Acm(对过共析钢)以上， 钢的组织为单相奥氏体组织。 实验证明，奥氏体的形成也是由形核和长大两个步骤所组成的。现 以共析钢为例说明奥氏体的形成过程，如下图所示：
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共晶合金的结晶过程
当共晶合金冷却到温度tE时，发生共晶转变LE↔αM+βN，这个转变 一直在共晶温度tE下进行，直到液相完全消失为止。这时得到的组织 为α和β两个相的混合物，这种混合物称共晶组织。
α相和β相的含量可以用杠杆定律求出。 继续冷却，共晶组织中的α相和β相都要发生成分变化，α相成分沿着 MF线变化，β相成分沿着NG线变化。
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2）晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核有两种方法，一种叫均匀形核，又称均质 形核或自发形核。另一种是非均匀形核，又称异质形核或非自发形核。 当液相中各个区域出现新相晶核的几率相同，晶核由液相中的一些原 子团直接形成，不受杂质粒子或外来表面的影响，这种形核叫均匀形 核。 若新相优先在母相某些区域中存在的异质处形核，即依附于液相中的 杂质或外来表面形核，则称为非均匀形核。实际金属多以非均匀形核 方式进行结晶。
1.1.2 合金的晶体结构
合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其 他方法组合而成并具有金属特性的物质。 组成合金最基本的、独立的物质称为组元，简称元。一般来说，组 元就是组成合金的元素或是稳定的化合物。 相是指合金中结构相同、成分和性能均一，并以相界面相互分开的 组成部分。 合金按相的晶体特点可分为固溶体和金属化合物两大类。 1）固溶体 合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶体结 构与组成合金的某一组元相同，这种固相就叫固溶体。这一组元成 为溶剂，而其他组元称为溶质。 固溶体有置换固溶体和间隙固溶体两大类。
① 点缺陷
点缺陷主要有空位、间隙原子和置 换原子三种。
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② 线缺陷 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。位错是指在晶体中某处有一 列或几列原子发生了有规律的错排现象，致使长度达几百至几万个 原子间距，宽约几个原子间距范围内的原子离开了平衡位置而发生 有规律的错动。 错位主要有刃型位错和螺型位错。
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1.2.2 合金的凝固
1）相图 相图是表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的一种图解。
相图的建立方法有实验测定法和理论计算法两种。 Cu – Ni合金相图的建立过程如下图所示：
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合金在结晶过程中，各个相的成分以及它们的相对含量都是不断变化 的，为了了解相的成分及其相对含量，就需要应用杠杆定律。
刃型位错示意图
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螺型位错示意图 ② 面缺陷 晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类， 其中内界面包括晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。 晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒界面， 简称晶界。
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亚晶界：实际上在每个晶粒内的原子排列并不是十分整齐的，在晶 粒内部可以观察到直径在10 – 100 um大小的晶块，它们彼此之间有 不大（几十分到1 – 2°）的位向差，这些晶块之间的内界面就称为 亚晶粒晶界，简称为亚晶界。如右下图所示： 相界：具有不同晶体结构的两相之间 的分界面称为相界。相界可分为共格 界面（即界面上的原子同时位于两相 晶格的结点上的界面）、半共格界面 和非共格界面。
在莱氏体中，渗碳体是连续 分布的相，而奥氏体则呈颗 粒状分布在其上。由于渗碳 体很脆，所以莱氏体塑性差， 无实用价值。
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3）共析转变(水平线PSK) 共析转变发生在727℃的恒 温下，由含碳量的质量分数 为0.77%的奥氏体转变为含 碳0.0218%的铁素体和渗碳 体所组成的混合物，称为珠 光体，其反应式为：
由于溶解度变化，
α相和β相分别析 出次生相αII和βII， 直到冷却至室温 为止。
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亚共晶合金的结晶过程
当亚共晶合金冷却到温度1时，变开始结晶出α固溶体。在1 – 2点温 度范围内，随着温度的缓慢下降， α固溶体的数量不断增加，其成分 沿AM线变化，而液相数量不断减小，其成分沿AE线变化，这一阶段 的转变属匀晶转变。 当温度降至2时，α相的成分达到M点，而剩余液相的成分达到E点。 在温度tE，成分为E点的液相便发生共晶转变LE↔αM+βN。这一转变 一直进行到剩余液相全部形成共晶组织为止。 继续冷却，从α
珠光体组织是片层状的，其 中的铁素体体积大约是渗碳 体的8倍，所以在金相显微 镜下，较厚的片是铁素体， 较薄的片是渗碳体。
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1.3.3 铁碳合金的分类
通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量的质量分数低于 2.11%的为碳钢，大于2.11%的为铸铁。
含碳量质量分数小于0.0218%的为工业纯铁。 按Fe – Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C形式存在，断口为白亮色，称为 白口铸铁。 根据组织特征，可将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：