工程材料与成形工艺基础第三章凝固与二元合金相图.ppt

第三章 凝固与二元合金相图 本章重点：铁碳合金相图及其应用。 本章难点：铁碳合金相图的分析 学习目标：本章通过学习金属和合金结晶的基 本理论和基本规律，熟悉铁碳合金 成分、组织和温度之间的关系，能 够应用铁碳相图分析和推断铁碳合 金的性能，为制定加工工艺提供必 要的理论基础。 第一节 金属的结晶 金属与合金自液态冷却转变为固态的过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，称之为结晶。 金属材料（除粉末冶金材料外）都需要经过熔炼和浇注，也就是说都要经历一个结晶的过程。结晶过程中形成的组织不仅影响其铸态性能，而且也影响材料随后的加工性能和力学性能，因此，研究并控制金属材料的结晶过程，对改善材料的组织和力学性能都有重要的意义。 大多数工程用的金属材料都是合金，其结晶过程较纯金属要复杂的多。二元合金相图是描述合金结晶过程最重要的图解，它反映不同成分合金在不同温度下的组成相及相平衡关系，是研究合金液态结晶（凝固）以及固态结晶（固态相变）过程、确定合金组织组成、推断合金性能的有力工具。 一、结晶的热力学条件 铸锭组织 三、晶粒大小及其控制 金属结晶后形成多晶体结构。晶粒的大小是金属组织的重要评定指标之一，它直接影响金属的性能。细小的晶粒，可以使金属获得更高的强度和硬度，与此同时还可以提高金属的韧性，是提高金属强度和韧性非常重要的方法，这种工艺方法称为细晶强化。 在实际生产中，一般通过增大过冷度，也就是增大冷却速度、进行变质处理和附加振动等工艺方法来获取细小的晶粒。 第二节 合金的结晶 一、二元合金相图的建立 1.相图的建立 以热分析法为例说明如何测绘Cu—Ni相图，其步骤如下： （1）?按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的Cu—Ni合金。 （2）??测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。 （3）?求出各冷却曲线上的临界点。 纯Cu、纯Ni的冷却曲线上有一平台，表示其在恒温下凝固。合金的冷却曲线上没有平台，而为二次转折，温度较高的折点表示凝固的开始温度，而温度低的转折点对应凝固的终结温度。 （4）将各临界点分别投到对应的合金成分、温度坐标中，每个临界点在二元相图中对应一个点。 （5） 连接各相同意义的临界点(开始点或终了点)就得到了Cu—Ni合金的二元相图。 二、共晶相图及共析相图 1. 共晶相图 组成共晶相图的两组元，其相互作用的特点是:液态 下两组元能无限互溶，固态下只能部分互溶(形成有 限固溶体或化合物)，甚至有时完全不溶，并具有 共晶转变。所谓共晶转变是在一条条件下(温度、 成分)，由均匀液体中同时结晶出两种不同固相的 转变。所得到两固相的混合物称为共晶组织(体)。 具有共晶转变的相图称为共晶相图。 属于二元共晶相图的合金有：Pb－Sn、Pb－Sb等。 相图的分析 相图中有三个基本相：液相（L）、固相α和β 相图中有相线：液相线、固相线和共晶转变线。共晶转变线是 一条水平线，是L、α和β三相共存的温度和各相的成分。成 分为E的液相在该温度下发生共晶反应： LE→ αM +βN 共晶组织的特点是两相细小的混合物。发生共晶转变的温度称 为共晶温度。发生共晶转变的液相成分点E称为共晶点或共晶 成分。 相图中相区：三个单相区 L相区、α相区和β相区；三个双 相区 L+α相区、L+β相区、α+β相区；三相共存于MEN线 L+α+β 各相区中相组成物： 各相区中组织组成物： 2.共析相图 共析转变是在一定温度下一个固相转变为另两 个固相的过程。共析转变与共晶转变相似，区 别在于它是由一个固相在恒温下转变为另外两 个固相。共析转变对热处理强化意义很大。钢 的热处理是以共析转变为基础的。 第三节 铁碳合金相图 一、铁碳合金中的基本相 钢和铸铁是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它 们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金。铁碳相图 是研究铁碳合金的重要工具, 对于钢铁材料的研究和使用, 特别是热加工工 艺的制订都有重要的指导意义。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的 规律解决实际问题是非常重要的。 铁碳相图(如图3-13）是一个较复杂的二元合金相图，它描述了钢铁材料成 分、温度与组织之间的关系。在铁碳合金中，Fe与C可以形成Fe3C，它硬而 脆，是铁碳合金中重要的强化相。此外还有两个重要的固溶体相：奥氏体和 铁素体。奥氏体（A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶体