金属材料与热处理模块二金属的晶体结构 (3).ppt

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1、模块五模块五 合金的结晶合金的结晶 工业用的金属材料大部分是合金，合金也要经历由液态到固态的结晶过程，不同结晶条件对金属的组织和性能有很大影响合金的结晶比纯金属复杂，为了更好地了解合金的结晶过程和变化规律，采用相图的手段来进行研究。二元合金相图有匀晶相图、共晶相图、包晶相图三种基本形式模块五模块五 合金的结晶合金的结晶 二元合金相图的基本知识相图:是利用图解方法表达合金系平衡条件下，在不同温度、不同成分下的各相之间关系的图解，也称为状态图或平衡图。利用相图可以了解任意成分的合金在任意温度下所处的 状态、相组成，也可通过杠杆定律来计算各相的成分和相对含量，还可了解合金在加热和冷 却过程中可能发生

2、的相变。相图是进行微观分析，制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的重要参考依据，也是研究材料十分重要的工具。二元合金相图的建立二元合金相图的建立1.二元相图的表示方法二元合金相图用温度-成分的直角坐标系来表示，横坐标表示成分，纵坐标表示温度。横坐标上的任意一点均表示一种合金的成分，A、B两点表示组成合金的两组元C点的成分为 A含量（即质量分数）为40%、B含量为60%。在成分和温度坐标平面上的任意一点的坐标表示一种合金的成分和温度。D点表示合金的成分同C点，即含A 40%，含 B 60%，温度为900。二元合金相图的坐标表示二元合金相图的建立二元合金相图的建立2.二元合金相图的建立目前所用

3、的相图大多是用实验方法建立起来的。实验方法是通过测定合金系中各种合金的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。测定材料临界点常用的方法有热分析法、膨胀法、电阻法、金相法、X射线结构分析法等。相图的精确测定须通过多种方法配合得到。二元合金相图的建立二元合金相图的建立下面以Cu-Ni合金相图的测定为例，介绍相图的测定方法和步骤。（1）配制一系列不同成分的Cu-Ni合金（2）熔化每种成分的合金，然后测定各组合金的冷却曲线（3）找出冷却曲线上的开始结晶温度和终了结晶温度（4）将各组合金的成分、开始结晶温度和终了结晶温度标注在温度-成分直角坐标系中。（5）将各组合金的开始结晶温度和终了

4、结晶温度用光滑曲线连接起来。（6）把合金不同温度所处的状态标注到相应区域，就得到了Cu-Ni相图二元合金相图的建立二元合金相图的建立 Cu-Ni合金成分和转变温度表 合金组合金组序号序号CuCu质量质量分数分数/%/%NiNi质量质量分数分数/%/%开始结晶开始结晶温度温度/终了结晶终了结晶温度温度/1 11001000 01084.51084.51084.51084.52 28080202011751175113011303 36060404012601260119511954 44040606013401340127012705 52020808014101410136013606 60

5、01001001455145514551455二元合金相图的建立二元合金相图的建立 Cu-Ni合金相图的测绘 二元合金相图的建立二元合金相图的建立3.杠杆定律过指定温度T1作水平线，与液相线交于 a点，与固相线交于c点，由a、c 点分别向下作垂线，由交点的成分坐标即可确定其成分。若合金的成分为b，此温度时，L相的成分为a，相的成分为c。此温度时，设合金的质量为W0，液、固两相的质量分别为WL、W，则有：由于液、固两相的含镍量之和与合金的含镍量相等，则有：杠杆定律示意图二元合金相图的建立二元合金相图的建立3.杠杆定律杠杆定律可描述为:在二元合金相图的两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。杠

6、杆定律只适用于两相共存区杠杆定律示意图匀晶相图匀晶相图匀晶相图及固溶体合金的结晶两个组元在液态和固态均无限互溶时而形成的合金相图称为匀晶相图。由于两个组元形成的合金在固态下也无限互溶，故为固溶体合金，固溶体合金的相图均为匀晶相图Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等的相图都属于匀晶相图匀晶相图是最简单的基本相图之一。匀晶相图匀晶相图1.匀晶相图分析匀晶相图是由液相线和固相线两条线所分开的两个单相区和一个液、固双相共存区组成的A点（1083）为纯铜的熔点，B点（1452）为 纯镍的熔点A1B线为合金开始结晶温度曲线，由于该线以上合金均以液相存在，故称为液相线A2B线为合金终了结晶温度曲线

7、，由于该线以下合金均以固相存在，故称为固相线在液相线 A1B以上为液相区，在固相线 A2B以下为均匀的单相固溶体区，液相线与固相线之间为液、固两相共存区Cu-Ni合金的结晶示意图匀晶相图匀晶相图2.固溶体合金的平衡结晶及其组织铜和镍两组元在固态下能以任何比例形成单相固溶体。因此，无论什么成分的Cu-Ni 合金的结晶过程都是相似的。下面以Ni含量为 k的Cu-Ni合金为例，说明其结晶过程。匀晶相图匀晶相图k合金在1点以上为单一液相当温度降到1点时，固溶体晶核开始出现，温度继续下降时，液相的量不断减少，固相不断增加温度降至2点全部为固溶体温度降到2点以下，保持单一的固溶体，最后获得与原合金成分相同

8、的固溶体。在结晶过程中，液相成分始终沿液相线变化，而固相成分始终沿固相线变化固相与液相的相对含量符合杠杆定律。Cu-Ni合金的结晶示意图匀晶相图匀晶相图3.固溶体合金的非平衡结晶及其组织实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却速度下进行的，组元原子得不到充分扩散，称为非平衡结晶，所得组织称为非平衡组织。在非平衡凝固中，液、固两相的成分将偏离平衡相图中的液相线和固相线。由于固相内组元扩散较液相内组元扩散慢得多，故偏离固相线的程度就大得多，它成为非平衡凝固过程中的主要矛盾匀晶相图匀晶相图由于冷却速度较快，合金要过冷到较低温度t1才能开始凝固，此时合金结晶出成分为a1的固相，因其含铜量远低于合金

9、的原始成分，故与之相邻的液相含铜量势必升高至L1。当冷却到t2温度时，固相的平衡成分应为a2，液相成分则改变至L2。但由于冷却较快，液相和固相，尤其是固相中的扩散不充分，因此只能在液-固界面处维持L2a2，而固相内部成分仍低于a2，甚至保留为a1，从而出现成分不匀现象。此时，整个结晶固相的平均成分a2应在a1和a2之间，而整个液相的平均成分L2应在L1和L2之间。冷却到t3温度时，结晶后的固相平衡成分应变为a3，液相成分应变为L3，同样因扩散不充分而达不到平衡凝固成分。此时整个结晶固体的实际成分为a1、a2和a3的平均值a3，整个液相的实际成分则是L1、L2和L3的平均值L3。温度下降到下交点

10、时，若平衡凝固，则此时应凝固完毕，在不平衡凝固下，此时凝固不能 结束。合金冷却到t4温度才凝固结束。此时固相的平均成分从a3变到a4，即原合金的成分。若把每一温度下的固相和液相的平均成分点连接起来，则分别得到图中的虚线a1、a2、a3、a4和L1、L2、L3、L4，分别称为固相平均成分线和液相平均成分线。固溶体合金的非平衡结晶示意图匀晶相图匀晶相图非平衡结晶时，会存在偏析问题，所谓偏析就是指显微组织的化学成分不均匀现象。先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多这种晶粒内部化学成分不均匀现象称为晶内偏析，当固溶体以树枝状方式结晶时，这种偏析也称枝晶偏析偏析的程度取决于结晶时的冷

11、速、偏析元素的扩散能力以及相图中液、固线之间的距离等因素偏析元素的原子扩散能力越弱，偏析越严重;液、固相线之间的水平和垂直距离越大，偏析越严重;其他条件不发生变化时，冷却速度越大，实际结晶温度越低，偏析程度越大枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。枝晶偏析是不平衡凝固的结果，可通过均匀化退火或扩散退火消除。即把偏析合金加热到固相线以下100-200进行长时间保温，使原子充分扩散，实现成分均匀化共晶合金相图共晶合金相图一、共晶合金相图分析两个组元在液态完全互溶、固态有限互溶或不溶，并发生共晶转变的合金的相图称为共晶相图。Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si等合金的相图均属于共晶相图

12、。下面以Pb-Sn合金为例来进行分析，A点是纯Pb熔点，B点是纯Sn熔点;AEB线为液相线、AMENB线为固相线，MEN线为共晶转变线，MF是Sn在Pb中的溶解度线，NG是Pb在Sn中的溶解度线;共晶合金相图共晶合金相图单相区有液相L、(Sn为溶质、Pb为溶剂的固溶体)、(Pb为溶质、Sn为溶剂的固溶体)，两相区有L+、L+、+，三相平衡区(MEN线)为L+。一定成分的液相，在一定的温度下同时结晶出成分不同的两个固相，称为共晶转变，即 E点称为共晶成分点，成分位于 E点的合金称为共晶合金，成分位于 M点到E点的称为亚共晶合金，成分位于 E点到N点的称为过共晶合金。共晶合金相图共晶合金相图Pb-

13、Sn合金共晶相图共晶合金相图共晶合金相图二、典型合金的平衡结晶及其组织 1.合金(Sn含量在 F和M点之间)的平衡结晶过程及其组织 合金温度在1点以上为液相L;当温度降到1点时，固相晶核产生;温 度在12点，L相不断向相转变，液相成分沿 AE线变化，固相成分沿 AM线变化;温度 下降到2点时，L相全部转变为相;23点为单相;当温度降到3点时，相中的Sn含量达到饱和，温度降到3点以下从过饱和的中析出二次（次生），为了区别于从液相中直接结晶的初晶，用表示;随温度降低，的量不断增加，的量不断减少，温度降到室温，在显微镜下观察时该合金的组织为+，其中晶体经常分布在晶粒的晶界上，有时也在晶粒内析出。该合

14、金的相组成为+。当合金成分中Sn的含量增加时组织中的量 减少，的量增多。合金的平衡结晶过程及其组织示意图共晶合金相图共晶合金相图2.合金(E点共晶合金）的平衡结晶过程及其组织合金是含有61.9%Sn的共晶合金，该合金温度在 E点以上为液相;冷却到 E点，发生共晶转变:共晶转变结束时，相组成为、，组织为(+)共晶体，温度降到 E点以下，将从中析出，从中析出，但和会附着在共晶和相上长大，在显微镜下无法区分，故结晶结束后，组织组成为(+)共晶体，相组成为、。共晶合金相图共晶合金相图共晶合金结晶过程如图所示：共晶合金两相的相对含量可用杠杆定律计算：共晶合金的平衡结晶过程及其组织示意图共晶合金相图共晶合

15、金相图共晶组织中两相的分布形态有层片状、点状、放射状、针状、螺旋状等共晶合金的几种典型组织共晶合金相图共晶合金相图3.合金（Sn含量在 M和E点之间）的平衡结晶过程及其组织合金是亚共晶合金，温度在1点以上为液相;当温度降到1点时，固相晶核开始形成;当温度在12 点时，L相不断向相转变，液相成分沿 AE线变化，固相成分沿AM线变化;温度下降到2点时，剩余液相发生共晶转变，此时的组织为初晶+(+)共晶体，相组成为+，温度继续下降，(+)共晶体的变化同共晶合金，初晶也会随温度下降不断析出。这种组织形态与共晶组织中析出的是完全不同的，在显微镜下是可分辨出的。亚共晶合金的平衡结晶过程及其组织示意图共晶合

16、金相图共晶合金相图亚共晶合金的相对量计算：亚共晶合金的组织为初晶+(+)共晶体，相组成为+，当Sn含量增大时，组织相对量的变化是:初晶的量减少，(+)共晶体的量增加;相组成相对量的变化是:的量减少，的量增加。1、组织组成物计算组织为+(+)共晶体，即由初晶组织与(+)共晶体组织共同组成2、相组成物计算相组成为+，即相不仅包括初晶相，还包括共晶体中的相共晶合金相图共晶合金相图初晶如果是固溶体，一般的形态呈树枝状初晶如果是亚金属和非金属或化合物则一般具有较规则的外形Pb-Sn亚共晶合金的显微组织 100 xPb-Sb合金的显微组织（初晶Sb呈多变形）500 x共晶合金相图共晶合金相图4.合金(Sn

17、含量在E和N点之间)的平衡结晶过程及其组织Sn含量在E和N点之间的合金为过共晶合金，其平衡结晶过程与亚共晶合金的平衡结晶过程类似。不同的是过共晶合金的初晶是，其过饱和后析出的是，室温下的组织是初晶+(+)共晶体+，相组成仍然是+。当Sn含量增大时，组织相对量的变化是+的量增加，(+)共晶体的量减少;相组成相对量的变化是的量减少，的量增加。成分位于N点以右G点以左的合金与上述合金结晶过程完全相同，只需将改为、改为即可。其合金的组织为+，该合金的相组成为+，其相对量的变化均同合金。最后，成分位于 F点以左和G点以右的合金的平衡结晶过程及其组织类似于匀晶相图中的固溶体。包晶相图包晶相图一、包晶相图分

18、析两组元液态完全互溶、固态有限互溶，并发生包晶转变的合金的相图称为包晶相图。Ag-Sn、Pt-Ag、Sn-Sb等合金的相图均属于包晶相图A点是纯Pt熔点，B点是纯Ag熔点，D点为包晶成分点，Ag含量为42.4%;ACB为液相线，APDB为固相线，PDC水平线为包晶转变线，PE、DF为固溶线;单相区为L、，两相区为L+、L+、+，三相平衡为L+。一定成分的液相和一定成分的固相在一定的温度下生成一定成分的固相的转变称为包晶转变，即：包晶相图包晶相图Pt-Ag合金包晶相图包晶相图包晶相图二、典型合金的平衡结晶过程及其组织 1.合金(Ag含量为42.4%包包晶晶合合金金)的平衡结晶过程及其组织 合金温

19、度在1点以上为液相;当温度下降到1点时，液相中有晶核出现;温度在12点之间，随温度下降液相不断向固相转变，且液相成分沿AC线变化，固相成分沿AP线变化;温度降到D点，发生包晶转变。包晶转变结束后，液相和固相同时消耗完，生成单一的相，此时相中的Ag达到饱 和，继续冷却，将会从中析出。结晶结束后，组织组成为+，相组成为+。合金的平衡结晶过程及其组织示意图包晶相图包晶相图包晶转变前，相组成为、L，其相对量为：可见，要想发生完全的包晶转变，需要含有Ag为66.3%的液相量57.17%，与含有Ag为10.5%的相量42.83%，才能够完全发生包晶转变生成100%的相。包晶相图包晶相图2.合金(Ag含量在

20、10.5%42.4%)的平衡结晶过程及其组织合金温度在1点以上为液相;当温度降到1点时，发生匀晶转变，将从液相中析出晶体;温度在12点之间时，液相不断向固相转变，液相的量随温度降低而减少，液相成分沿着液相线变化，固相的量不断增加，固相成分沿着固相线变化;当温度降到2点时，液相成分达到 C点，固相成分达到P点，剩余液相与固相发生包晶转变，转变时相过量，转变结束后，相组成为、，组织组成为、，此时，固相中Ag的溶解度和中 Pb的溶解度都达到饱和;当温度下降到2点以下时，固相中就析出，固相中就析出，随着温度降低，各二次相的量不断增加，到达室温时转变结束.室温时其组织组成为+，相组成为+。包晶相图包晶相

21、图3.合金(Ag含量为42.4%66.3%)的平衡结晶过程及其组织 合金冷却到1点时，开始从液相里结晶出初晶相;温度在1-2点之间时，从液体里不断结晶出初晶相;当达到2点时，发生包晶转变，包晶转变结束后，初晶相消失，液相过剩;2-3点发生匀晶转变，转变为相;到达3点时，全部转变为单相固溶体;3-4点间仍然为单相固溶体;从4点开始，由于超出溶解度，将从固溶体中析出相，随着温度降低，二次相的量不断增加，固溶体的成分沿着 DF线变化，相的成分则沿着 PE线变化，直到室温结束。室温时其组织组成为+，相组成为+。包晶相图包晶相图4.不平衡结晶及其组织上述的合金发生包晶转变时，包晶转变产物相依附于先析出的

22、相上形核并生长，相很快将相包围起来，把液相与相隔开，使继续进行包晶转变的原子必须通过相层进行扩散，原子在固相中的扩散速度比在液相中慢得多，所以包晶转变是一个非常缓慢的过程。在实际生产条件下，由于冷却速度较快，包晶转变所依赖的固相中的原子扩散往往不能充分进行，导致包晶反应不完全，即在低于包晶温度下，将同时存在未参与转变的液相和相，其中液相在随后降温时直接转变为相或参与其他反应，而相仍保留在相的心部，同时相成分也很不均匀。这种化学成分不均匀的现象称为包晶偏析。包晶转变温度越低，包晶偏析越严重。包晶偏析可采用长时间的扩散退火来减少或消除。其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图除了匀晶、共晶和包

23、晶相图之外，还有一些其他类型的相图1.具有化合物的二元合金相图 (1)两组元形成稳定化合物的相图稳定化合物是指具有一定熔点，在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。稳定化合物可以看成一个独立组元，把整个相图分成若干个相图。按二元共晶相图分析方法就可以容易地分析此类相图。Mg-Si合金相图其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图(2)两组元形成不稳定化合物的相图不稳定化合物是指那些加热到一定温度时会发生分解的化合物。如K-Na合金相图就是含有不稳定化合物的相图。合金系中形成的化合物KNa2在 DF线以下是稳定的，当加热温度超过DF线，将分解为液体和Na的晶体。这类相图实际上是包晶相图和

24、共晶相图的组合，因此，按照二元共晶相图和包晶相图的分析方法就可分析此类相图。K-Na合金相图其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图2.具有固态相变的相图有的二元合金在固态下继续冷却时还会发生转变，这种转变有固溶体同素异构转变、共析转变、包析转变等三种情况。(1)固溶体同素异构转变的相图固溶体同素异构转变是指同种组元在某种温度时由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的转变。具有固溶体同素异构转变的相图如图所示，从图中可以看到 A组元在不同温度下具有两种不同的晶体结构，1在 a2温度时转变成相。共析相图其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图(2)具有共析转变的相图共析转变是指一种固相在恒温

25、下转变为另外两种固相的转变。由图可看出，合金在 dce水平线时发生共析转变:1+2。共析相图与共晶相图相似，其合金的结晶过程也完全类似;不同的是共晶转变是由一种液相转变成两种固相，而共析转变是由一种固相同时转变为另外两种固相。共析相图其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图(3)具有包析转变的相图包析转变是指由两种不同的固相在恒温下转变为第三种固相的转变。包析相图与包晶相图类似，合金的结晶过程也完全相似;不同的是包晶转变是由一种固相和一种液相转变为 另一种固相，而包析转变则是由两种不同的固相转变为第三种固相。二元合金相图的分析方法与应用二元合金相图的分析方法与应用1.相图分析方法 一般情况

26、下，二元合金相图往往并不只是一个简单的相图，有时可能由几种不同的基本二元相图组合而成，因此对于一个复杂的二元合金相图，应该分块、分步进行分析。(1)二元相图的一些几何规律 相区接触法则:两个单相区之间，必定有一个由这两个相所组成的两相区将其隔开，不能以一条线分界。两个两相区必须以单相区或三相区（水平线）隔开。二元相图的三相平衡区必定是一条等温水平线。二元合金相图的分析方法与应用二元合金相图的分析方法与应用(2)二元相图的分析方法和步骤在相图中找稳定化合物，若存在，则以稳定化合物（竖线）将相图分成几个区域，分别进行分析。认定各区域中的单相区及其中的相。对相图的每个区域分别进行分析，找出三相共存的

27、等温水平线。有几条水平线，相图就由几个基本相图组成，然后对基本相图分别进行分析。因此，复杂相图的分析就变成简单的基本相图的分析了，这一步是相图分析的关键。二元合金相图的分析方法与应用二元合金相图的分析方法与应用2.相图的应用(1)合金的使用性能与相图的关系 当合金形成单相固溶体时，随溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能值的算术平均值。随着成分相对量的变化，合金的强度、硬度、导电率等性能在两组成相性能间呈线性变化。对于共晶成分或共析成分的合金，其性能还与两组成相的致密程度有

28、关，组织越细，性能越好。当合金形成稳定化合物时，在稳定化合物处性能出现极大值或极小值。合金的使用性能与相图的关系示意图二元合金相图的分析方法与应用二元合金相图的分析方法与应用(2)合金的工艺性能与相图的关系铸造性能与相图中液相线和固相线之间的垂直距离密切相关。相图中液相线与固相线的距离越大，形成枝晶偏析的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，流动性越差，分散缩孔越多。固溶体中溶质含量越高，铸造性能越差;共晶成分的合金铸造性能最好，即流动性好，分散缩孔少，偏析程度小，所以铸造合金的成分选共晶成分或接近共晶成分。压力加工性能好的合金是单相固溶体，因为固溶体的塑性变形能力大，变形均匀;

29、而两相混合物的塑性变形能力差。相图中的单相合金不能进行热处理，只有相图中存在同素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。合金的工艺性能与相图的关系示意图铁碳合金相图铁碳合金相图钢铁材料的基本相图就是铁碳合金相图，几乎包括了前面所介绍的所有相图的形式和结晶转变，铁碳相图对于钢铁材料的应用有重要的指导作用。铁碳合金相图是以温度为纵坐标、碳质量分数为横坐标的、反映铁碳合金中成分、温度和组织结构之间变化规律的图形。铁碳合金相图中由于碳的质量分数为6.69%时，铁和碳形成稳定的化合物Fe3C，可以作为一个独立的组元，并且碳质量分数大于6.69%后铁碳合金脆性极大，没有使用价值，所以实际应用的

30、铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。横坐标从左到右表示合金成分的变化，即碳的质量分数由0向6.69%逐渐增大。横坐标上的任何一点都代表不同含碳量的一种成分。铁碳合金相图铁碳合金相图一、铁碳合金的基本概念组元：铁与碳是铁碳合金的两个组元。实际应用的铁碳合金相图的组元是Fe和Fe3C。基本相：铁铁素素体体、奥奥氏氏体体、渗渗碳碳体体，它们构成了铁碳合金的基本组成相，从而对铁碳合金的组织和性能产生影响。组织：铁碳合金既有单相组织，也有两相组织。单相组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体以及液相组织。复相组织：珠光体、莱氏体。珠光体、莱氏体。铁碳合金相图铁碳合金相图1.铁素体（Ferrite）碳溶于-Fe

31、中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体仍然保持-Fe的体心立方晶格。铁素体溶碳能力很低，在600时溶解碳的质量分数为0.006%;随着温度的升高，溶碳量逐渐增加，在727达到最大值0.0218%。铁素体在室温时的力学性能与纯铁差不多，强度、硬度低，塑性、韧性好（Rm=180280MPa，ReL=180280 MPa，A=3050%，Z=7080%，KU2=128160J，5080HBW）。铁素体的显微组织呈现明亮的多边形晶粒，晶界曲折。铁碳合金相图铁碳合金相图2.奥氏体（Austenite）碳溶解于-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体仍然保持着-Fe的面心立

32、方晶格。一般情况下，奥氏体只有在高温下才能够稳定存在。奥氏体的溶碳能力较强，在727时溶解碳的质量分数为0.77%，随着温度的升高，溶碳量逐渐增加，在1148达到最大值2.11%，奥氏体含碳量范围为02.11%。奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性好（Rm=400MPa，A=4050%，160220HBW），易于塑性变形。奥氏体的显微组织与铁素体的显微组织相似，呈多边形，但是晶界较铁素体平直。铁碳合金相图铁碳合金相图3.渗碳体（Cementite）铁与碳形成具有复杂晶格的间隙化合物称为渗碳体，用分子式Fe3C表示，也用Cem或Cm表示。渗碳体的碳质量分数为6.69%，熔点为1227渗碳体的力学性能

33、：硬度很高（约1000HV），塑性、韧性几乎为零，脆性很大。渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形态与其他相共存，它的形态、大小、数量和分布对钢的性能影响很大，是钢中的主要强化相。铁碳合金相图铁碳合金相图4.高温铁素体（High temperature ferrite）高温铁素体是碳固溶于体心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体，用符号表示。高温铁素体只有在1394以上存在，在1495是溶碳量最大，其质量分数为0.09%。高温铁素体含碳量在00.09%之间。5.液相（Liquid）液相是铁与碳的液溶体用符号 L表示。铁碳合金相图铁碳合金相图1.特性点：在铁碳合金相图中，用字母标出的点都有其特

34、定的意义，称为特性点。碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图2.特征线（1）包晶转变线 铁碳合金相图中 HJB线为包晶转变线，凡是碳的质量分数在0.09%0.53%的铁碳合金缓慢冷却到 HJB线上时均发生包晶转变:（2）共晶转变线 铁碳合金相图中 ECF线为共晶转变线，凡是碳的质量分数超过2.11%的铁碳合金缓慢冷却到 ECF线上时均发生共晶转变:共晶转变产物统称为莱氏体，用Ld表示。发生共晶转变结晶出的渗碳体称为共晶渗碳体。铁碳合金相图铁碳合金相图（3）共析转变线 铁碳合金相图中 PSK线为共析转变线，凡是碳的质量分数超过0.0218%的铁碳合金缓慢冷却到 PSK线上时均发生共析转变:共析转变产

35、物统称为珠光体，用P表示。发生共析转变析出的渗碳体称为共析渗碳体。PSK线也称为A1线。（4）CD线 CD线是碳在液相中的饱和溶解度曲线，碳质量分数最大为6.69%(D点)，最小为4.30%(C点)。凡是碳质量分数超过4.30%的铁碳合金，从液相缓慢冷却到1148时，均从液相中结晶出渗碳体。为了区别于其他的渗碳体，把这种渗碳体称为一次渗碳体，用Fe3C表示。铁碳合金相图铁碳合金相图（5）ES线 ES线是碳在-Fe（奥氏体A）中的饱和溶解度曲线，碳质量分数最大为2.11%(E点)，最小为0.77%(S点)。凡是碳质量分数超过0.77%的铁碳合金，从1148缓慢冷却到727时，均从-Fe（奥氏体A

36、）中析出渗碳体。为了区别于其他的渗碳体，把这种渗碳体称为二次渗碳体，用Fe3C表示。ES线很重要，故命名为Acm线。（6）PQ线 PQ线是碳在-Fe（铁素体F）中的饱和溶解度曲线，碳质量分数最大为0.0218%(P点),600时为0.0057%(Q点)。凡是碳质量分数超过0.0057%的铁碳合金，从727缓慢冷却到600时，均从-Fe中析出渗碳体。为了区别于其他的渗碳体，把这种渗碳体称为三次渗碳体，用Fe3C表示。铁碳合金相图铁碳合金相图（7）GS线 碳质量分数小于0.77%的铁碳合金在冷却过程中，当冷却到 GS线时将会发生-Fe（奥氏体A）向-Fe（铁素体F）的同素异构转变，所以 GS线是奥

37、氏体转变为铁素体的开始线。同样，在加热过程中，当加热到 GS线时，-Fe（铁素体F）将全部转变为-Fe（奥氏体 A），所以 GS线也是铁素体转变为奥氏体的终了线。GS线又叫作A3线。(8)其他线含义为:ABCD为液相线，AHJECF为固相线。HN为冷却时-Fe转变为-Fe的开始线和加热时-Fe转变为-Fe的终了线;NJ线是冷却时-Fe转变为-Fe的终了线和加热时-Fe转变为-Fe的开始线;GP为冷却时-Fe转变为-Fe的终了线和加热时-Fe转变为-Fe的开始线。铁碳合金相图中还有两条水平线，即770的MO线和230的一条虚线，它们均称为居里点，分别是铁素体和渗碳体的磁性转变线，命名为A2和A0

38、线，当加热到这两条水平线以上温度时，将失去铁磁性而转变为顺磁性。铁碳合金相图铁碳合金相图3.区 铁碳合金相图有五个单相区，它们分别是:ABCD以上是液相（L）区、AHNA是-Fe固溶体（高温铁素体）区、NJESGN是-Fe固溶体（奥氏体）区、GPQ左边是-Fe固溶体（铁素体）区、DFK垂线是Fe3C（渗碳体）区。铁碳合金相图有七个两相区，它们分别是：L+-Fe、L+-Fe、L+Fe3C、-Fe+-Fe、-Fe+-Fe、-Fe+Fe3C、-Fe+Fe3C。另外，三相共存水平线 HJB、ECF、PSK可以看作“三相区”。铁碳合金相图铁碳合金相图根据含碳量及组织不同，可以将铁碳合金划分为工工业业纯纯

39、铁铁、碳钢碳钢和白口铸铁白口铸铁三大类。它们的含碳量如下：（1）工业纯铁 c c0.0218%（2）亚共析钢 0.0218%c c0.77%（3）共析钢 c c=0.77%（4）过共析钢 0.77%c c 2.11%（5）亚共晶白口铁 2.11%c c4.3%（6）共晶白口铁 c c=4.3%（7）过共晶白口铁 4.3%c c6.69%铁碳合金相图铁碳合金相图（二）典型铁碳合金的平衡结晶过程 典型合金就是上面分类中的七种合金，下面分别对七种合金的结晶及组织转变过程进行分析。1.工业纯铁(Wc00.0218%)，以0.01%的号合金为例合金1点以上为液相，冷却到1点时按匀晶转变结晶出固溶体，2点

40、时结晶结束。冷却到3点时，开始发生固溶体的同素异构转变，这一转变在4点时结束，45点合金全部呈单相奥氏体。冷却到56点间又发生同素异构转变，转变为铁素体。67点全部呈铁素体。冷却到7点时，碳在铁素体中的溶解量达到饱和。在7点以下将从铁素体中析出三次渗碳体Fe3C。铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图工业纯铁的室温组织：为铁素体和沿铁素体晶界分布的片状三次渗碳体。工业纯铁的结晶示意图 工业纯铁的显微组织随着碳质量分数的增加，三次渗碳体的数量也相应增加，在 P点时达到最大值。根据杠杆定律可计算三次渗碳体的最大百分比含量为：铁碳合金相图铁碳合金相图2.共析钢(Wc 0.77%)号合金合金降温至1点，

41、开始从液相中按匀晶转变结晶出奥氏体。到2点时完全结晶为奥氏体，23点为奥氏体，当达到3点时，开始发生共析转变，转变为珠光体。3点以下珠光体组织中的铁素体开始析出三次渗碳体，由于三次渗碳体量很少，并且依附于共析渗碳体长大，在显微镜下几乎观察不到，所以最后得到由铁素体与渗碳体两相呈层片状排列形成的珠光体组织。铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图共析钢组织：珠光体。珠光体中的铁素体与渗碳体两相的相对含量可用杠杆定律计算：珠光体的显微组织铁碳合金相图铁碳合金相图3.亚共析钢(Wc0.02180.77%)以Wc为0.45%的号合金为例合金在1点以上为液相，在12点之间按匀晶转变结晶出固溶体，冷却到2点(

42、1495)时，固溶体中碳的质量分数达到0.09%，液相中碳质量分数达到0.53%，此时液相与固溶体发生包晶转变，由于合金中碳的质量分数大于0.17%，所以包晶转变终了以后，还有过剩的液相存在。从2点冷却到3点，剩余的液相又以匀晶转变的形式继续结晶出奥氏体，所有奥氏体成分均沿 JE线变化。冷却到3点时，合金全部由碳质量分数为0.45%的奥氏体组成。单相奥氏体冷却到GS线上的4点时，开始在奥氏体晶界上析出铁素体，称为先共析铁素体。铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图随着温度的下降，铁素体量不断增多，而奥氏体量不断减少。铁素体中碳质量分数沿GP线变化，而剩余奥氏体中碳质量分数则沿 GS线变化。当温度

43、接近5点时(727)，铁素体的成分接近 P点，剩余奥氏体中碳质量分数接近S点，剩余的奥氏体发生共析转变，形成珠光体。此时，钢的组织就由先共析铁素体+珠光体组成。5点以下，先共析铁素体将析出三次渗碳体，但其数量很少，可以忽略。故该合金的室温组织仍为铁素体与珠光体。铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图亚共析钢的结晶过程示意图：亚共析钢的组织图：黑色的是珠光体P白色的是先共析铁素体F随着含碳量的增加P增加白色的铁素体F减少亚共析钢的室温显微组织铁碳合金相图铁碳合金相图所有亚共析钢的组织都是由铁素体+珠光体组成的，随着碳质量分数的增加，珠光体的量增加而铁素体的量减少，两者的相对含量可以根据杠杆定律求得

44、。亚 共 析 钢 的 室 温 组 织 是 F+P，而 珠 光 体 P是（F+Fe3C）两相的混合组织，因此，亚共析钢的组织又可以写成为F+（F+Fe3C），F+P称为组织组成物，F+（F+Fe3C）称为相组成物，组织组成物和相组成物均可由杠杆定律来计算相对含量。铁碳合金相图铁碳合金相图以碳质量分数为0.45%的亚共析钢为例，分别计算组织组成物和相组成物的相对含量。1、组织组成物：组织由F+P组成，按照杠杆定律计算:即碳质量分数为0.45%的亚共析钢分别由42.8%的铁素体组织和57.2%的珠光体组织组成。铁碳合金相图铁碳合金相图2、相组成物：由F+Fe3C相组成，这里的F不仅包括先共析铁素体，

45、也包括珠光体里共析转变形成的共析铁素体，按照杠杆定律计算:即碳质量分数为0.45%的亚共析钢分别由93.6%的铁素体相和6.4%的渗碳体相组成。由此可见，组织组成物和相组成物完全不同。铁碳合金相图铁碳合金相图4.过共析钢(Wc0.02180.77%)以碳质量分数为1.20%的号合金为例合金在1点以上为液相，在12点间按匀晶转变结晶出单相奥氏体，冷却到3点时，开始从奥氏体中析出二次渗碳体，又称先共析渗碳体，直到4点为止。这些先共析渗碳体多沿奥氏体晶界呈网状分布，随着温度的下降及先共析渗碳体的不断析出，奥氏体中碳的质量分数沿 ES线降低。当温度到达4点（727）时，奥氏体中碳的质量分数降为0.77

46、%，因而在恒温下发生共析转变，奥氏体转变为珠光体，最后得到的组织是网状的二次渗碳体+珠光体。铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图过共析钢的结晶过程示意图如图所示：过共析钢的室温显微组织 如图所示：过共析钢的室温显微组织铁碳合金相图铁碳合金相图所有过共析钢的组织都是由珠光体+二次渗碳体组成的，随着碳质量分数的增加，组织中二次渗碳体的量不断增加，网状趋于完整并逐渐增厚。当碳质量分数达到2.11%时，二次渗碳体的量达到最大值，其相对含量可由杠杆定律计算。过共析钢的室温组织是P+Fe3C，而珠光体是（F+Fe3C）两相的混合组织，因此，过共析钢的组织又可以写成（F+Fe3C）+Fe3C，P+Fe3C称

47、 为 组 织 组 成 物，（F+Fe3C）+Fe3C称为相组成物，组织组成物和相组成物均可由杠杆定律来计算相对含量。铁碳合金相图铁碳合金相图以含碳量1.20%的过共析钢为例，分别计算组织组成物和相组成物。1、组织组成物：由P+Fe3C组成，按照杠杆定律计算:即碳质量分数为1.20%的过共析钢分别由7.3%的Fe3C组织和92.7%的珠光体组织组成。铁碳合金相图铁碳合金相图2、相组成物：由F+Fe3C组成，这里的Fe3C不仅包括二次渗碳体，也包括珠光体里共析转变形成的渗碳体，按照杠杆定律计算:即碳质量分数为1.20%的过共析钢分别由82.3%的铁素体相和17.7%的渗碳体相组成。3、过共析钢中二

48、次渗碳体最大含量：铁碳合金相图铁碳合金相图5.共晶白口铸铁(Wc4.30%)号合金合金溶液冷却到1点（1148）时，在恒温下发生共晶转变，转变为莱氏体。由共晶转变而结晶出的奥氏体与渗碳体，分别称为共晶奥氏体与共晶渗碳体，莱氏体即它们的混合物，其形态是呈颗粒状的奥氏体分布在渗碳体的基体上。当冷却到12点之间时，组织中的共晶渗碳体不再发生变化，而奥氏体却因碳的溶解度不断降低而在其周围不断析出二次渗碳体，常依附在共晶渗碳体上长大，从而使二者不易分辨。在该温度区间，奥氏体析出渗碳体后成分将沿 ES线变化，当温度降至2点（727）时，共晶奥氏体中碳的质量分数将降至0.77%，在恒温下发生共析转变，产物为

49、珠光体。在室温下，共晶白口铸铁的组织是由珠光体与渗碳体组成的共晶体，这种组织叫作低温莱氏体或变态莱氏体。铁碳合金相图铁碳合金相图共晶白口铸铁的结晶过程示意图 如图所示共晶白口铸铁的显微组织 如图所示铁碳合金相图铁碳合金相图6.亚共晶白口铸铁(Wc2.114.30%)以碳质量分数为3.0%的号合金为例合金溶液在1-2点之间时，结晶出初晶奥氏体，此时液相成分沿 BC线变化，而奥氏体成分沿JE线变化。温度降到2点（1148）时，剩余液相的成分达到共晶成分，发生共晶转变，转变为莱氏体。2点以下，奥氏体和共晶奥氏体均析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的析出，所有奥氏体的成分将沿 ES线变化，当温度降至3点（

50、727）时，奥氏体和共晶奥氏体中碳的质量分数将降至0.77%，在恒温下发生共析转变，产物为珠光体。室温时亚共晶白口铸铁的组织为:珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。初晶奥氏体中析出的二次渗碳体，也依附在共晶渗碳体上成长而难于分辨，只能见到大块树枝状珠光体和低温莱氏体。铁碳合金相图铁碳合金相图亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图如图所示亚共晶白口铸铁的显微组织 如图所示铁碳合金相图铁碳合金相图7.过共晶白口铸铁(Wc4.306.69%)以碳质量分数5.0%的号合金为例合金溶液冷却到1点时，开始结晶出一次渗碳体，在12点之间，一次渗碳体继续结晶长大，液相的成分沿 DC线变化。一次渗碳体呈条片状。在2点（11